Làm mát bằng không khí đạt giới hạn ở khoảng 20 kW mỗi tủ rack. Các tủ rack AI hiện đã vượt mốc 100 kW, và các hệ thống GPU mới được công bố đang hướng tới 600 kW mỗi tủ rack trong một vài chu kỳ sản phẩm tới. Chất lỏng truyền nhiệt nhiều hơn khoảng 3.000 lần so với không khí trên cùng một đơn vị thể tích, đó là lý do tại sao mọi hoạt động triển khai AI nghiêm túc hiện nay đều bao gồm vòng lặp làm mát bằng chất lỏng, và tại sao có một thiết bị luôn nằm ở trung tâm của tất cả các hệ thống này: bộ phân phối dung dịch làm mát, hay CDU. CDU quyết định nhiệt độ, lưu lượng và áp suất thực tế nào sẽ đi đến các tấm làm mát (cold plates) trên bộ xử lý, và nó giữ nguồn nước của cơ sở cách ly khỏi vòng lặp điện tử nhạy cảm. Hướng dẫn này giải thích CDU là gì, kiến trúc hai vòng lặp hoạt động như thế nào, có những gì bên trong thiết bị, các loại hình trên thị trường và những thông số kỹ thuật quan trọng khi đọc bảng dữ liệu.
Bộ phân phối dung dịch làm mát thực sự làm gì
CDU thực hiện hai công việc cùng một lúc. Thứ nhất, nó cách ly: chất làm mát sạch tuần hoàn đến thiết bị CNTT không bao giờ hòa lẫn với nước của cơ sở, bởi vì hai vòng lặp chỉ gặp nhau qua một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Thứ hai, nó kiểm soát: máy bơm, van và cảm biến bên trong thiết bị duy trì chất làm mát ở phía công nghệ ở chính xác lưu lượng, nhiệt độ và áp suất mà các tấm làm mát yêu cầu, điều chỉnh theo thời gian thực khi khối lượng công việc AI dao động. Tải huấn luyện AI có thể làm thay đổi mức tiêu thụ điện năng một cách đáng kể chỉ trong tính bằng mili-giây, và CDU chính là thành phần hấp thụ các dao động đó về mặt thủy lực để các con chip nhận được sự làm mát ổn định. Hãy coi nó như một ranh giới được quản lý giữa tòa nhà và tủ rack: mọi thứ cơ sở cung cấp sẽ đến từ một phía, và mọi thứ máy chủ cần sẽ rời đi từ phía bên kia.
Kiến trúc hai vòng lặp: FWS và TCS
Làm mát bằng chất lỏng trực tiếp trên chip hoạt động dựa trên hai vòng lặp kín được kết nối thông qua bộ trao đổi nhiệt của CDU:
- Vòng lặp sơ cấp (Hệ thống nước cơ sở, FWS): phía tòa nhà, được cấp bởi máy làm lạnh (chiller), tháp giải nhiệt hoặc thiết bị làm mát khô. Nó mang nhiệt từ CDU đi đến trạm xả nhiệt của cơ sở. Chất lượng nước ở bên này phụ thuộc vào những gì tòa nhà cung cấp.
- Vòng lặp thứ cấp (Hệ thống làm mát công nghệ, TCS): phía thiết bị, tuần hoàn chất làm mát sạch, đã qua xử lý, thường là hỗn hợp 20 đến 35% nước-glycol, từ CDU qua các ống góp theo hàng, ống góp tủ rack, và cuối cùng là các tấm làm mát gắn trên CPU, GPU, bộ nhớ và các mô-đun năng lượng.
Sự tách biệt này quan trọng vì ba lý do. Nó bảo vệ vòng lặp điện tử khỏi sự ô nhiễm từ nước của cơ sở. Nó cho phép vòng lặp thứ cấp hoạt động ở áp suất riêng, độc lập với hệ thống thủy lực của tòa nhà. Và nó cho phép kiểm soát nhiệt độ cung cấp một cách chính xác, bao gồm cả việc giữ chất làm mát trên điểm sương của phòng để loại bỏ rủi ro ngưng tụ trên các tấm làm mát và ống góp.
Bên trong thiết bị: Các thành phần cốt lõi của CDU
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm
Cầu nối nhiệt giữa các vòng lặp. Xếp hạng công suất của CDU luôn được trích dẫn ở một nhiệt độ tiếp cận (approach temperature) nhất định, tức là chênh lệch giữa nguồn cung cấp thứ cấp và nguồn cung cấp sơ cấp. Một thiết bị được định mức 300 kW ở mức tiếp cận 7°C chỉ mang lại công suất đó khi nước từ cơ sở đến đủ lạnh; cùng một phần cứng đó sẽ mang lại ít công suất hơn ở mức tiếp cận rộng hơn. Đọc công suất mà không đọc nhiệt độ tiếp cận là lỗi phổ biến nhất khi xem bảng thông số kỹ thuật.
Máy bơm tuần hoàn
Các máy bơm điều khiển vòng lặp thứ cấp và xác định đặc tính thủy lực của nó. Các CDU thương mại chạy chúng ở mức dự phòng N+1 hoặc tốt hơn với khả năng chuyển đổi tự động, bởi vì một máy bơm dừng lại đồng nghĩa với việc tủ rack sẽ quá nhiệt chỉ trong vài giây. Bộ truyền động biến tần điều chỉnh lưu lượng theo tải thực tế, giúp tiết kiệm năng lượng trong thời gian không tải. Máy bơm phải giữ áp suất ổn định trong toàn bộ phạm vi hoạt động của vòng lặp, từ một tủ rack duy nhất ở mức tải một phần cho đến toàn bộ một hàng ở mức tải đỉnh, đồng thời đẩy chất làm mát pha glycol qua các tấm làm mát mà các vi kênh của chúng tạo ra sự sụt áp đáng kể.
Bình giãn nở, bộ lọc và cảm biến
Bình giãn nở hấp thụ các thay đổi về thể tích chất làm mát khi vòng lặp nóng lên và nguội đi, đồng thời cung cấp điểm châm thêm nước cho quá trình vận hành. Bộ lọc nối tiếp bảo vệ các vi kênh của tấm làm mát khỏi cặn bẩn. Các gói cảm biến theo dõi nhiệt độ cấp và hồi, chênh lệch áp suất, và lưu lượng trên cả hai vòng lặp, với tùy chọn giám sát độ dẫn điện và độ đục đối với tình trạng của chất làm mát.
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển khép kín vòng lặp giữa cảm biến và phần cứng: điều biến tốc độ máy bơm và van điều khiển để giữ nhiệt độ cung cấp, theo dõi rò rỉ, quản lý logic chống ngưng tụ, và báo cáo dữ liệu ngược dòng qua Modbus, BACnet, hoặc SNMP đến hệ thống quản lý trung tâm dữ liệu (DCIM).
Dự phòng như một nền tảng thiết kế
Các chu kỳ huấn luyện AI tiêu tốn hàng nghìn đô la mỗi giờ cho sức mạnh tính toán được bảo lưu, và việc gián đoạn làm mát sẽ kết thúc chu kỳ đó. Do đó, các CDU coi mọi thành phần hoạt động như một ứng cử viên có thể gặp lỗi: máy bơm trong cấu hình N+1 có chuyển đổi tự động, nguồn cấp điện kép, cảm biến dự phòng, và bộ điều khiển có thể vượt qua một lỗi duy nhất mà không làm sập vòng lặp. Việc bảo trì cũng tuân theo logic tương tự. Các thiết bị tốt hơn cho phép bảo dưỡng máy bơm và bộ lọc mà không cần rút cạn vòng lặp thứ cấp hoặc tắt các tủ rack, điều này biến CDU từ một điểm lỗi duy nhất thành một hệ thống phụ có thể bảo dưỡng với thời gian hoạt động được đo lường tương đương với các máy chủ mà nó cung cấp.
Các loại CDU và Nơi phù hợp
| Loại | Xả nhiệt | Công suất tiêu biểu | Phù hợp nhất |
|---|---|---|---|
| Lỏng sang Lỏng (L2L), trong tủ rack | Vòng lặp nước cơ sở | 50 đến 300 kW | Các tủ rack GPU mật độ cao có sẵn nước của cơ sở |
| Lỏng sang Lỏng (L2L), theo hàng | Vòng lặp nước cơ sở | 300 kW đến 1.8 MW | Các hàng tủ rack AI, các phòng máy hyperscale và colocation |
| Lỏng sang Khí (L2A) | Không khí trong phòng | Lên đến ~100 kW | Các dự án nâng cấp (retrofits) và các cơ sở edge không có đường ống nước |
Các thiết bị L2L mang lại hiệu suất và hiệu quả nhiệt tốt nhất ở bất cứ nơi nào có vòng lặp nước cơ sở hoặc có thể biện minh được việc lắp đặt. Các thiết bị L2A đánh đổi công suất lấy sự tự do trong triển khai: không cần đường ống đến tòa nhà, chỉ cần nguồn điện và không khí trong phòng, khiến chúng trở thành điểm khởi đầu cho việc làm mát bằng chất lỏng trong các phòng máy doanh nghiệp hiện có.
Góc nhìn của Máy bơm: Vòng lặp thứ cấp yêu cầu gì
Từ quan điểm kỹ thuật máy bơm, vòng lặp TCS là một nhiệm vụ cụ thể và đòi hỏi khắt khe. Chất làm mát là hỗn hợp nước-glycol có độ nhớt tăng lên ở nhiệt độ thấp, vì vậy các đường cong của máy bơm cần phải giảm công suất định mức ở đầu lạnh. Các vi kênh của tấm làm mát, khớp nối nhanh, và mạng lưới ống góp tích lũy lực cản, đòi hỏi cột áp ổn định ở lưu lượng vừa phải, nơi khả năng chịu áp suất quan trọng hơn thể tích. Vận hành liên tục 24/7 với tốc độ biến thiên loại trừ bất kỳ thiết bị nào có phớt trục bị mài mòn, bởi vì rò rỉ phớt bên trong phòng dữ liệu đe dọa thiết bị có giá trị gấp nhiều lần so với máy bơm. Các máy bơm tuần hoàn dẫn động từ không dùng phớt (seal-less magnetic drive) với đường dẫn ướt bằng thép không gỉ, chẳng hạn như dòng MDW, phù hợp với nhiệm vụ này: đường dẫn không rò rỉ, áp suất ổn định ở lưu lượng thấp, và khả năng chạy tới/lui giúp đơn giản hóa việc lấp đầy, rút cạn và xả vòng lặp trong quá trình chạy thử và bảo trì. Logic lựa chọn được đề cập chi tiết trong hướng dẫn lựa chọn máy bơm làm mát bằng chất lỏng cho trung tâm dữ liệu AI.
Làm mát CDU trong Bối cảnh Làm mát bằng chất lỏng rộng lớn hơn
Phương pháp làm mát trực tiếp trên chip dựa trên CDU thống trị các đợt triển khai AI hiện tại, tuy nhiên, nó chia sẻ sân chơi này với các kiến trúc khác:
| Công nghệ | Nhiệt của rack được thu bằng chất lỏng | Sửa đổi máy chủ | Vai trò của máy bơm |
|---|---|---|---|
| CDU trực tiếp trên chip | 60 đến 80% | Các tấm làm mát (Cold plates) trên CPU/GPU | Tuần hoàn cho vòng lặp thứ cấp |
| Bộ trao đổi nhiệt cửa sau | 40 đến 60% | Không có | Tuần hoàn nước của cơ sở |
| Làm mát ngâm một pha | Lên đến 98% | Các bo mạch trần trong bể điện môi | Tuần hoàn dung dịch điện môi |
| Làm mát ngâm hai pha | Lên đến 98% | Các bo mạch trần trong chất lỏng sôi | Bổ sung chất lỏng tải nhẹ và hồi nước ngưng tụ |
Phương pháp làm mát trực tiếp trên chip dẫn đầu vì nó giữ nguyên khung máy chủ tiêu chuẩn, quy trình bảo trì tiêu chuẩn, và bảo hành của OEM được bảo toàn. Khoảng 20 đến 40% nhiệt dư từ bộ nhớ, bộ lưu trữ và nguồn điện vẫn thoát ra ngoài bằng không khí, vì vậy hầu hết các đợt triển khai CDU đều chạy ở chế độ kết hợp với làm mát bằng không khí bổ sung.
Cách đọc Bảng dữ liệu CDU: Những con số quan trọng
- Công suất làm mát ở nhiệt độ tiếp cận (approach temperature) đã nêu: không bao giờ so sánh các công suất được trích dẫn ở các mức nhiệt độ tiếp cận khác nhau.
- Lưu lượng thứ cấp và áp suất khả dụng: xác nhận thiết bị có thể vượt qua sự sụt áp trong vòng lặp của bạn ở lưu lượng thiết kế, bao gồm ống góp, khớp nối nhanh, và các tấm làm mát.
- Khả năng dự phòng và chuyển đổi máy bơm: tối thiểu là N+1, với tính năng tự động chuyển đổi dự phòng và khả năng bảo dưỡng nóng.
- Phạm vi nhiệt độ cung cấp chất làm mát và kiểm soát điểm sương: logic chống ngưng tụ là bắt buộc đối với hoạt động cung cấp nước lạnh.
- Khả năng tương thích của chất lỏng: dải nồng độ glycol và vật liệu thấm ướt trên cả hai vòng lặp.
- Điều khiển và tích hợp: hỗ trợ giao thức, logic cảnh báo, và khả năng tương thích quản lý từ xa với hệ thống DCIM của bạn.
Aulank Pump sản xuất các máy bơm tuần hoàn dẫn động từ kiểu xoáy không dùng phớt cho nhiệm vụ CDU và vòng lặp thứ cấp tại các trung tâm dữ liệu AI, với khả năng ngăn chặn rò rỉ tuyệt đối, áp suất dòng chảy thấp ổn định, và xếp hạng môi chất từ −196°C đến +400°C. Nếu bạn đang xây dựng hoặc chỉ định một hệ thống CDU và cần máy bơm tuần hoàn phù hợp với hệ thống thủy lực vòng lặp của bạn, hãy gửi cho chúng tôi dữ liệu về lưu lượng và sụt áp của bạn. Liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ kỹ thuật.