液冷時代已到來？

隨著AI的興起，數(shù)據(jù)中心的功率密度已增長到液冷開始大規(guī)模建設(shè)的程度。

所有電子設(shè)備都會產(chǎn)生熱量，必須將這些熱量移除以確保設(shè)備不會過熱。幾十年來，利用空氣流動（風(fēng)冷）一直是主要的方法，液冷僅限于處理特別高強度的計算工作負載，主要集中在超級計算領(lǐng)域。

隨著AI的興起，數(shù)據(jù)中心的功率密度已增長到液冷開始大規(guī)模建設(shè)的程度。目前單相液冷占據(jù)主導(dǎo)地位，但兩相液冷和浸沒式液冷也正作為可選方案不斷增長。

這是一種相對較新的現(xiàn)象，主要歸因于AI計算導(dǎo)致的功率密度突然飆升。“2000年代或2010年代的計算機處理器功率只有幾百瓦，”JetCool創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Bernie Malouin指出，“直到最近幾年，整體功率水平在很大程度上保持不變。”

“過去，水冷是一種例外情況，”Synopsys產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Swinnen表示，“那是極端的做法。但現(xiàn)在我很驚訝它變得如此標準。幾乎每個高性能系統(tǒng)都采用了水冷。”

液冷有多種形式，并沒有單一的最佳解決方案。開發(fā)人員不能只是簡單地規(guī)定使用液冷，他們必須確定哪種類型的冷卻方式最好。這一決定對數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施有重大影響，混合搭配不同的冷卻方法并不是一個切合實際的選擇。

“超級計算行業(yè)一直是液冷的先驅(qū)，在這里你會看到一塊金屬板放置在處理器頂部，在許多情況下，如果是HBM（高帶寬內(nèi)存）之類的，也會覆蓋內(nèi)存，”Rambus的研究員兼杰出發(fā)明家Steven Woo說，“它內(nèi)部是中空的，有橡膠管進出。有一個入口和一個出口，液體在一個連續(xù)的回路中流動。現(xiàn)在人們正在為浸沒式冷卻奠定基礎(chǔ)。”

任何冷卻方案都必須盡早確定，即在架構(gòu)、性能和功耗進行早期模擬時就需確認。“你必須從一開始就關(guān)注架構(gòu)層面，以確定功耗數(shù)值、熱通量和冷卻方法，”Synopsys SoC工程高級工程師Satya Karimajji表示。

需要明確的是，盡管功率密度推動了向液冷的轉(zhuǎn)變，但這并非為了降低功耗。“這更多是為了在相同的占地面積內(nèi)傳輸更多信號，而不是為了降低數(shù)據(jù)中心的功耗，”Synopsys產(chǎn)品管理總監(jiān)Rob Kruger觀察道。

風(fēng)冷的問題

大多數(shù)數(shù)據(jù)中心和其他計算場所都依賴風(fēng)冷。空氣進入建筑物，經(jīng)冷卻后被吹入架空地板下方，從而保持室內(nèi)涼爽。服務(wù)器自帶的風(fēng)扇將冷空氣推過芯片，空氣受熱后被吹回大氣中。

這個過程在制冷劑中涉及液體，但那遠離發(fā)生冷卻的地方。這也是一個開環(huán)系統(tǒng)，引入新空氣并排出熱空氣。這種方法在一定程度上是有效的。但在超過一定的發(fā)熱水平后，如果不將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高到不切實際的程度，它就無法足夠快地帶走熱量，這會導(dǎo)致不安全的噪音水平和其他問題。

“使用風(fēng)冷時，你需要風(fēng)扇來吹動空氣，氣流越快，帶走的熱量就越有效，”西門子EDA創(chuàng)新路線圖經(jīng)理Robin Bornoff說，“但這有一個極限。風(fēng)扇越大，服務(wù)器就必須越大，從而降低了計算密度。”

水是比空氣更有效的冷卻劑，盡管它通常不單獨使用。“它的密度約為空氣的1000倍，”Bornoff說，“它的熱導(dǎo)率是空氣的20倍。與空氣相比，用水可以提取更多的熱量。”

這帶來了更強的散熱能力，將液體泵送到熱交換器可以將熱量從電路中帶走。最終，這些熱量會加熱空氣，但這發(fā)生在其他地方，遠離服務(wù)器機架。

冷卻芯片的三種方式

液冷有三種可能的形式。目前最常見的是單相液冷，因為冷卻液始終保持液態(tài)。該系統(tǒng)依賴于液體比空氣更高的熱導(dǎo)率和熱容來完成更有效的工作。

目前不太常見但研究力度很大的是兩相液冷。其目的是利用從液體變?yōu)闅怏w所需的巨大潛熱。“相變吸收的熱量實際上比從0°C到100°C的溫度變化吸收的熱量還要多，因此它在散熱方面非常高效，”Swinnen說。與單相不同，這里的冷卻液實際上會沸騰，帶走的熱量遠超單相冷卻所能達到的水平。

冷板中單相與兩相冷卻的概念圖。在單相冷卻中，冷卻液保持液態(tài)并在CDU（冷卻液分配單元）中冷卻。在兩相冷卻中，冷卻液沸騰，蒸汽被移除并重新冷凝，從而帶走更多熱量。

“沸騰是個絕妙的主意，”Bornoff說，“這是一種非常有彈性的散熱方法，但它也有其局限性。”

即使液體沸騰，保持其與受熱表面的接觸也很重要。“最終表面上會有一層幾微米厚的水，”Bornoff說，“熱量進入那少量液體中，然后傳遞給氣泡。氣泡消失，被新的液體取代。只要氣泡形成且它們之間有一些液體，那就是最大的熱傳遞效率。”

如果熱通量太高——即每單位面積散發(fā)的熱量太快，而系統(tǒng)無法跟上，那么底部的這層水也會蒸發(fā)。在這種情況下，就沒有液體與熱源接觸了。取而代之的是水蒸氣，這是一種氣體——本質(zhì)上又回到了風(fēng)冷。此時冷卻效果會急劇下降。這種熱通量水平被稱為臨界熱通量(CHF)。

第三種液冷方法是全浸沒式。它涉及一個裝滿液體的槽，整個服務(wù)器都浸沒其中。這種液體必須是介電的（絕緣的），以防造成短路。它還必須無腐蝕性，以保持電子設(shè)備的完好。浸沒式可以作為單相或兩相冷卻系統(tǒng)運行。

在這種情況下，液體仍然被泵出進行冷卻。最初，建筑物內(nèi)的一個單泵將冷卻液分配到各處，但這因管道損耗等原因被證明效率低下。現(xiàn)在，液冷槽配備了更近的再循環(huán)器——有時被稱為節(jié)能器，因為它們的運行效率更高。

浸沒式冷卻從所有組件中帶走熱量，但其速度比其他技術(shù)慢。“如果標準是熱量捕獲的百分比，浸沒式做得非常好，”Malouin說，“你可能會將服務(wù)器近100%的熱量捕獲到流體中。但由于流體本身的熱特性，用單相浸沒式冷卻數(shù)千瓦的設(shè)備真的很難。”

應(yīng)用液體的不同方式

浸沒式冷卻的工作方式大同小異，但其他方法有一些變體。目前最常見的實現(xiàn)方式是冷板，它貼附在芯片封裝上，取代了以前風(fēng)冷用的散熱器。

“我在展會上看到最常見的東西是某種有液體流入的板，”Rambus的Woo觀察到，“板接觸重要的半導(dǎo)體元件，通常有引導(dǎo)液體流動的凹槽。”

冷板的優(yōu)點是它是一個獨立的單元，可以在組裝時安裝到封裝上。它不會影響封裝內(nèi)部的裸片、芯粒或其他組件。

冷板的缺點是冷卻液通過封裝頂部、界面材料和冷板底部與芯片隔開。主要的熱傳遞要么向下通過PCB，要么向上通過冷板。除了焊料和金屬線，中間的材料并非因其熱導(dǎo)率而被選中，這在冷板和封裝內(nèi)容物之間留下了障礙。

除冷板之外，還有一種被稱為直接噴射或直接液冷(DLC)的技術(shù)，意味著冷卻液直接接觸被冷卻的裸片。冷卻液可以流過或噴射到硅片背面。因為冷卻液直接接觸裸片，它能立即接觸熱源并更迅速地帶走熱量。

挑戰(zhàn)在于冷卻液必須與封裝的其余部分隔離，這目前還不是一個完全解決的問題。包含多個裸片的先進封裝提出了另一個挑戰(zhàn)。如果一個裸片是主要熱源，那么冷卻可以只集中在該裸片上。但如果有多個高功率計算芯粒，每個都需要單獨冷卻。目前有大量的研究正在進行，但大規(guī)模應(yīng)用才剛剛起步。

冷卻液很重要

人們很容易認為水是顯而易見的冷卻劑，但更常見的是水和丙二醇的混合物（通常是50/50），這種組合簡稱為PGW。丙二醇類似于汽車防凍液（乙二醇）。像防凍液一樣，它擴展了冷卻劑保持液態(tài)的溫度范圍。防凍液僅描述了冷卻劑在低溫端的作用。然而，汽車類冷卻液具有劇毒，通常僅用于人類不太可能誤食的地方。

丙二醇毒性較小，但在1個大氣壓下，其沸點約為188°C，低于乙二醇的197°C。與水50%混合后，這些限值降至約105°C和108°C，雖然比水高，但也高不了多少。

對于浸沒式冷卻，介電冷卻液的設(shè)計既要有效，又要對人類和電子設(shè)備友好。舊的液體可能有毒，但現(xiàn)代液體被選擇為無毒、無腐蝕性、不易燃且可生物降解。而且現(xiàn)代冷卻液比PGW更貴。

“浸沒式冷卻使用了一些有趣的液體，”Woo說，“它們是電惰性的。我把手放進去——一家公司讓我這么做——我甚至感覺不到，因為它們不發(fā)生反應(yīng)。它們也不與你的皮膚反應(yīng)，所以感覺很奇怪。”

加熱后的冷卻液帶來了一個意想不到的潛在好處。與散失到大氣中的熱空氣不同，液體在一個封閉系統(tǒng)中運行。“[液體]流入流出機箱，然后進入熱交換器，在那里交換熱量，冷卻下來，并循環(huán)回服務(wù)器，”Woo說。

這意味著冷卻液內(nèi)部的熱量可以用在其他地方。一項已進行初步研究的想法是將冷卻液通過管道輸送出數(shù)據(jù)中心，為附近居民產(chǎn)生熱水。這使得計算消耗的部分能源得以回收和再利用。

“液體的優(yōu)點是能量被傾倒在液體中，這是一種非常有效的存儲本來會損失的能量的方式，”Bornoff說，“為什么不把它泵入當(dāng)?shù)氐纳顭崴芈罚詽M足附近住宅的熱水需求呢？”

環(huán)境因素也很重要。“你要確保液體中不含‘永久性化學(xué)物質(zhì)’，”Woo指出。

基礎(chǔ)設(shè)施變革

從風(fēng)冷轉(zhuǎn)向液冷不僅僅涉及芯片、服務(wù)器和機架層面的變化。除了極少數(shù)例外，整個數(shù)據(jù)中心都必須配備處理液體的設(shè)施。

“你需要泵和軟管，”Woo說，“你需要考慮可維護性。有高可靠性、低泄漏的閥門，可以從服務(wù)器上快速開關(guān)。它們還有熱交換器。對于浸沒式，你談?wù)摰氖侵苯釉谘h(huán)系統(tǒng)中的槽。”

如果整個機架或一排機架采用液冷，那么就不再需要架空地板。取而代之的基礎(chǔ)設(shè)施是管道和液體處理系統(tǒng)，通常通過冷卻液分配單元(CDU)進行泵送。

“其中一些數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的管道設(shè)計非常有想象力，”Synopsys的Kruger指出。

管理這些系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的風(fēng)冷方法。“兩個指標很重要：低壓降和低熱阻，”Alloy Enterprises聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Ali Forsyth說，“這允許數(shù)據(jù)中心在循環(huán)更高溫度的水的同時，仍能滿足機架內(nèi)組件的熱需求。這意味著不需要制冷或提升暖通空調(diào)(HVAC)功率，這是巨大的能源節(jié)約。”

每種冷卻方法都有其自己的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，一個機架——甚至整個數(shù)據(jù)中心——通常會致力于一種冷卻類型。“你通常不會看到一個托盤是液冷的，而其他的卻是風(fēng)冷的，”Forsyth觀察道。

冷板

冷板可以根據(jù)封裝尺寸定做。然而，這忽略了一個事實，即熱量并不是在整個封裝中均勻產(chǎn)生的。如果封裝容納單個裸片，該裸片表面的不同區(qū)域會有冷熱之分。而包含多個組件的先進封裝將包含一些比其他組件產(chǎn)生更多熱量的組件。

因此，一些冷卻解決方案涉及定制冷板，將冷卻集中在產(chǎn)生熱量最多的地方。Alloy Enterprises采用3D打印技術(shù)在冷板內(nèi)部創(chuàng)建定制的液體路徑。其最常用的冷卻液是含25%水的丙二醇。

“我們開發(fā)了一種稱之為疊層鍛造的制造工藝，這是一種基于板材的工藝，我們可以在單件組件中制造復(fù)雜的內(nèi)部和外部幾何形狀，”Forsyth說，“我們可以在需要的地方放置大通道，對其進行適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整和優(yōu)化。我們在需要的地方放置小尺度通道。”

與其從必須燒結(jié)的粉末開始，其工藝通過堆疊多個金屬層來構(gòu)建冷板。內(nèi)部表面使用激光進行圖案化，以創(chuàng)建引導(dǎo)液體的凹槽。可以有多個冷卻液入口以提高冷卻效率。

“幾乎所有的3D打印都在某個時刻依賴于熔化或熔融金屬，或者某種形式的燒結(jié)，”Forsyth解釋說，“當(dāng)你有液態(tài)金屬時，制造微小的東西真的很難。通過毛細作用力，它會滲入那些小孔中。因此，我們能夠制造出比其他金屬3D打印工藝小一個數(shù)量級的通道尺寸。”

高溫制造步驟提供擴散鍵合，將各個板材結(jié)合成單塊金屬。該工藝避免了典型金屬3D打印可能出現(xiàn)的翹曲。“所有東西同時加熱，因此我們不會因熱梯度而引入殘余應(yīng)力，”Forsyth說。

另一家公司HydroGraph進行了一些兩相實驗，在冷卻表面沉積材料，以防止表面過于光滑導(dǎo)致過熱。它在沸騰表面創(chuàng)建了銅上燒結(jié)鎳、多孔銅/鎳界面以及其專長的石墨烯。增加的粗糙度提供了成核點，與裸銅相比，熱傳遞系數(shù)(HTC)提高了152%，臨界熱通量(CHF)比裸銅高40%。

來個冷水澡

直接噴射冷卻的一個例子來自JetCool，其裝置帶有微小噴嘴，可將冷卻液噴射到表面上。該公司有三種提供該技術(shù)的方式——直接噴射到硅片上，這是最先進的配置，最適合最高功率；作為冷板；以及作為用于缺乏液體基礎(chǔ)設(shè)施的機架的獨立單元。它聲稱正在冷卻功率高達5000瓦的芯片。

JetCool的直接液冷。液體流入最右側(cè)的端口（藍色箭頭），并被壓入噴嘴（中間和插圖）。熱液體從左側(cè)端口流出（紅色箭頭）。

獨立型號可以替代現(xiàn)有服務(wù)器中的風(fēng)扇，降低高達15%的功耗。“這些通常是位于服務(wù)器內(nèi)部的小型液冷回路，”Malouin解釋說，“這允許我們的客戶在任何風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心部署液冷。這可以將服務(wù)器功耗降低15%。”

就像Alloy的凹槽經(jīng)過圖案化以匹配熱點一樣，JetCool的噴嘴也是針對每個封裝定制位置的。

一些DLC系統(tǒng)可能使用高壓。“根據(jù)我們看到的客戶結(jié)果，噴射沖擊的壓降有40倍的差異，”Forsyth說。

然而，JetCool表示他們不是這樣做的。“我們在給定的流體動力預(yù)算下可以實現(xiàn)更好的性能，因為我們特別不依賴壓力來驅(qū)動性能，”Malouin說，“通常，我們將壓降降至最低，因為當(dāng)最大化流動強度而不是壓力時，我們的技術(shù)效果最好。”

沒有唯一的正確答案

該領(lǐng)域的參與者認為，這些解決方案中的每一個都有其最佳應(yīng)用點(sweet spot)。沒有任何一種會徹底淘汰其他方案。雖然冷板最簡單且成本最低，但DLC可以為高功率芯片最快地帶走熱量。浸沒式可以帶走更多的總熱量，因為它冷卻所有東西，而不僅僅是某些芯片，盡管它冷卻高功率芯片的速度可能不如DLC快。

“隨著當(dāng)今計算的多樣化，所有這些不同類型的冷卻在市場上都有一席之地，因為不同的工作負載、不同的應(yīng)用以及不同的部署風(fēng)格和位置都有不同的要求，”Malouin說。

在替換現(xiàn)有風(fēng)冷基礎(chǔ)設(shè)施時，增加液體基礎(chǔ)設(shè)施是一個障礙，但對于新建項目來說障礙較小，盡管JetCool的獨立單元是避免重建基礎(chǔ)設(shè)施的一個選擇。該投資的部分回報是有能力構(gòu)建包含無法僅靠風(fēng)冷冷卻的芯片的服務(wù)器，從而增加所用服務(wù)器和機架的價值。

如果數(shù)據(jù)中心計劃轉(zhuǎn)向高壓直流(HVDC)，即把更高的直流電壓一直輸送到機架，然后再降壓到可用水平，那么該項目也可能是轉(zhuǎn)換冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的好時機。

“多個巨大的變化正在同時發(fā)生，”Woo指出，“人們正在談?wù)?00V配電，甚至800V。如果你正在考慮配電方面的重大變革，也許可以將其與冷卻升級結(jié)合起來。”

可維護性也很重要。輸送冷卻液的管道必須放置妥當(dāng)，以便在必要時仍能接觸到服務(wù)器本身。“可維護性可能更具挑戰(zhàn)性，因為可能需要移開管道才能更換組件，”Malouin指出。

浸沒式冷卻帶來了更大的維護挑戰(zhàn)。移除單個服務(wù)器可能是可行的，但也可能需要排空介電冷卻液，之后再重新加注。“浸沒槽必須打開，這可能會影響除正在維修的系統(tǒng)之外的多個系統(tǒng)，”Malouin補充道。

通常，必須進行浸沒監(jiān)測以檢測任何過熱情況，并重新平衡工作負載以控制溫度。

新型冷卻即將上線

單相冷板和浸沒式冷卻目前的使用還很有限，但隨著公司建設(shè)能夠處理AI訓(xùn)練和高性能計算的數(shù)據(jù)中心，冷板可能會變得更加普及。英偉達的Grace/Blackwell機架已經(jīng)包含了液冷，并且支持液冷的機箱已在市場上銷售。

“如果你去SuperMicro這樣的地方，你可以買到帶有液冷的機架，”Woo說，“它們是4U的盒子，上面2U是英偉達或AMD引擎，下面2U是雙插槽Xeon或EPYC處理器。如果你去SuperMicro網(wǎng)站，你會看到帶有液體管道的機箱。”

冷板的提供方式可能有所不同。“有時冷板隨芯片本身出售，”Forsyth說，“在其他情況下，超大規(guī)模云廠商或服務(wù)器制造商會購買芯片、TIM（熱界面材料）和冷板，并自行組裝。”

直接冷卻開始變得可用，兩相冷板應(yīng)該會在幾年內(nèi)出現(xiàn)。一旦轉(zhuǎn)型完成，液冷應(yīng)該不再讓人感覺是負擔(dān)，因為機架將為此配備齊全。

浸沒式冷卻的使用大概率會增加，但這比冷板或DLC更費周章，可能會被更具選擇性地采用。

在可能的情況下，對于處理更普通用途、功率更適中的硅芯片的機架，風(fēng)冷可能仍將受到歡迎。液冷的運營成本可能較低，但基礎(chǔ)設(shè)施投資必須有合理的盈虧平衡期，這種轉(zhuǎn)換在經(jīng)濟上才有意義。

因此，數(shù)據(jù)中心的未來可能包括風(fēng)冷、冷板、DLC和浸沒式的混合。這種混合將包括單相和兩相系統(tǒng)。單個數(shù)據(jù)中心可能只配置一種冷卻類型，但這種混合預(yù)計將存在于各類數(shù)據(jù)中心之間。

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