Cuộc cách mạng công nghệ làm mát bằng chất lỏng trong trung tâm dữ liệu
Với sự phát triển đổi mới của các công nghệ như AI, điện toán đám mây và dữ liệu lớn, các trung tâm dữ liệu và thiết bị truyền thông, cũng như cơ sở hạ tầng thông tin, đang thực hiện khối lượng tính toán ngày càng tăng. Với sự gia tăng nhanh chóng sức mạnh tính toán trong các trung tâm dữ liệu, mật độ năng lượng của các tủ đơn cũng tăng lên, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về hiệu quả tản nhiệt. Mặt khác, theo chính sách "carbon kép", các trung tâm dữ liệu, với tư cách là "người tiêu dùng năng lượng lớn", được yêu cầu liên tục giảm chỉ số PUE để giảm mức tiêu thụ điện của hệ thống lạnh. Tuy nhiên, làm mát bằng không khí truyền thống không còn có thể đáp ứng được yêu cầu tản nhiệt nêu trên và công nghệ làm mát bằng chất lỏng đã ra đời.
GPU trung tâm dữ liệu hàng đầu có mặt trên thị trường cách đây 10 năm là NVIDIA K40, với công suất thiết kế nhiệt (TDP) là 235W. Khi NVIDIA ra mắt A100 vào năm 2020, TDP đã gần 400W và với chip H100 mới nhất, TDP đã tăng vọt lên 700W. Mức tiêu thụ năng lượng theo thiết kế nhiệt của một chip AI hiệu suất cao đã đạt tới 1000W. Điều này được hiểu rằng Intel đang phát triển một con chip có thể đạt tới 1,5kW. Sự cạnh tranh về trí tuệ nhân tạo cuối cùng tập trung vào sự cạnh tranh về sức mạnh tính toán và điểm nghẽn lớn đối với các chip điện toán cao là khả năng tản nhiệt của chúng. Khi TDP của chip vượt quá 1000W, công nghệ làm mát bằng chất lỏng phải được áp dụng.
Công nghệ làm mát bằng chất lỏng có thể giải quyết hiệu quả các vấn đề triển khai mật độ cao và quá nhiệt cục bộ trong phòng máy tính, trong đó làm mát bằng chất lỏng ngâm có ưu điểm vượt trội về khả năng tản nhiệt và tiết kiệm năng lượng. Làm mát bằng chất lỏng ngâm là phương pháp làm mát bằng chất lỏng tiếp xúc trực tiếp điển hình, trong đó các thiết bị điện tử được ngâm trong chất lỏng làm mát và nhiệt sinh ra sẽ được truyền trực tiếp đến chất lỏng làm mát và được dẫn qua sự tuần hoàn của chất lỏng. Làm mát bằng chất lỏng ngâm có thể được phân thành hai loại: làm mát bằng chất lỏng ngâm một pha và làm mát bằng chất lỏng ngâm thay đổi pha, tùy thuộc vào việc chất lỏng làm mát được sử dụng có thay đổi trạng thái trong quá trình làm mát các thiết bị điện tử hay không. Ưu điểm của một pha là chi phí triển khai và chi phí môi trường làm mát thấp hơn và không có nguy cơ tràn chất làm mát; Ưu điểm của việc thay đổi pha nằm ở khả năng và giới hạn tản nhiệt cao hơn, nhưng nó vẫn thua xa so với một pha về mặt chi phí và sự trưởng thành về công nghệ.
Làm mát nhúng một pha cung cấp giải pháp hấp dẫn cho các trung tâm dữ liệu đang tìm kiếm khả năng quản lý nhiệt hiệu quả và đáng tin cậy. Trong phương pháp này, các bộ phận CNTT được ngâm hoàn toàn trong chất lỏng cách điện có công thức đặc biệt. Chất lỏng này trực tiếp hấp thụ nhiệt từ máy chủ, tương tự như làm mát ngâm hai pha. Không giống như hệ thống hai pha, chất làm mát một pha không sôi hoặc trải qua quá trình chuyển pha. Nó vẫn ở dạng lỏng trong suốt toàn bộ quá trình làm mát. Chất lỏng cách nhiệt được làm nóng lưu thông qua bộ trao đổi nhiệt bên trong bộ phân phối làm mát (CDU). Bộ trao đổi nhiệt này truyền năng lượng nhiệt sang môi trường làm mát độc lập, điển hình là hệ thống nước khép kín. Chất lỏng cách điện đã nguội sau đó được bơm trở lại bể ngâm để hoàn thành chu trình làm mát.
Trong hệ thống làm mát ngâm hai pha, các linh kiện điện tử được ngâm trong bể chất lỏng dẫn nhiệt cách nhiệt, có độ dẫn nhiệt tốt hơn nhiều so với không khí, nước hoặc dầu. Sự khác biệt giữa làm mát bằng chất lỏng ngâm hai pha là chất làm mát trải qua quá trình chuyển pha. Đường truyền nhiệt của làm mát bằng chất lỏng ngâm hai pha về cơ bản giống như đường dẫn nhiệt của làm mát bằng chất lỏng ngâm một pha, với điểm khác biệt chính là chất làm mát phía thứ cấp chỉ lưu thông ở khu vực bên trong buồng ngâm, với phần trên cùng của buồng ngâm là vùng khí và đáy là vùng lỏng; Thiết bị CNTT được ngâm hoàn toàn trong chất làm mát bằng chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp, chất này sẽ hấp thụ nhiệt từ thiết bị và sôi lên. Chất làm mát dạng khí ở nhiệt độ cao được tạo ra bởi quá trình bay hơi, do mật độ thấp, dần dần tập trung ở phía trên cùng của buồng ngâm và trao đổi nhiệt với thiết bị ngưng tụ được lắp đặt ở phía trên, ngưng tụ thành chất làm mát chất lỏng ở nhiệt độ thấp. Sau đó, nó chảy trở lại đáy buồng dưới tác động của trọng lực, mang lại khả năng tản nhiệt cho thiết bị CNTT.
Trong quá trình phát triển đổi mới công nghệ tản nhiệt, dù là chip hay thiết bị điện tử, khối lượng, chi phí thiết kế, độ tin cậy và các khía cạnh khác của sản phẩm là những ngưỡng mà doanh nghiệp không thể tránh khỏi. Đây cũng là những vấn đề mà công nghệ tản nhiệt phải cân bằng và giải quyết. Các công nghệ kết hợp khác nhau có thể được sử dụng để phát triển các sản phẩm cho các vật liệu, công nghệ tản nhiệt và các tình huống ứng dụng khác nhau nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho mẫu hiện tại.
