التبريد على مرحلتين لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي: كيف يعمل ومتى يتم استخدامه

نظرًا لأن أعباء عمل الذكاء الاصطناعي تدفع طاقة التصميم الحراري للسيليكون (TDP) إلى ما هو أبعد من 1500 واط لكل شريحة، فإن أساليب التبريد السائل التقليدية تبدأ في الكشف عن القيود المادية. يتطلب ضخ كميات هائلة من المياه أحادية الطور متشعبات كبيرة، وضغوطًا شديدة للمضخة، ولا يزال يترك تدرجات في درجة الحرارة عبر قوالب أشباه الموصلات الكبيرة. ويحل التبريد على مرحلتين هذه الاختناقات عن طريق استغلال الحرارة الكامنة للتبخر، مما يسمح للسائل بالغليان على سطح الرقاقة لامتصاص طاقة هائلة دون ارتفاع في درجة الحرارة. إذا كنت تقوم بتقييم ترقية كاملة للمنشأة، فارجع إلى موقعنا التبريد السائل لخادم الذكاء الاصطناعي: الدليل الكامل  للحصول على عرض عالي المستوى. تتعمق هذه المقالة بشكل صارم في آليات التبريد المتغير الطور، وتقارن بين الحلقات ثنائية الطور المضخوخة وإعدادات الغمر لمساعدتك في تحديد البنية الحرارية الدقيقة لرفوف الجيل التالي.

1. الفيزياء وراء التبريد على مرحلتين

لفهم سبب قدرة الأنظمة ثنائية الطور على امتصاص حرارة أكبر بشكل كبير من الأنظمة أحادية الطور، يجب عليك فحص الديناميكا الحرارية لتغيرات حالة السوائل. تعتمد الأنظمة أحادية الطور على حرارة معقولة؛ تعتمد الأنظمة ثنائية الطور على الحرارة الكامنة.

1.1 الحرارة المعقولة مقابل الحرارة الكامنة

في النظام أحادي الطور، يمتص المبرد (عادة خليط الماء والجليكول) الحرارة عن طريق زيادة درجة حرارته. هذه حرارة معقولة. يدخل السائل إلى طبق بارد عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ويخرج عند درجة حرارة 40 درجة مئوية. تتناسب كمية الحرارة المزالة بشكل مباشر مع معدل تدفق كتلة السائل وسعة الحرارة النوعية. لإزالة المزيد من الحرارة، يجب عليك ضخ السائل بشكل أسرع أو تحمل ارتفاع أكبر في درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى الاختناق الحراري. للحصول على نظرة عامة أوسع حول كيفية تناسب هذه القدرات مع الطبولوجيا الحديثة، راجع موقعنا نظرة عامة على التبريد السائل بالذكاء الاصطناعي.

يعتمد التبريد على مرحلتين على الحرارة الكامنة للتبخر. عندما يصل السائل العازل الهندسي إلى نقطة الغليان، فإنه يبدأ في التحول من سائل إلى بخار. خلال هذه المرحلة من التغيير، يمتص السائل كمية هائلة من الطاقة الحرارية بينما يبقى عند درجة حرارة ثابتة. يوفر هذا تبريدًا شبه متساوي الحرارة عبر السطح الكامل لمسرع الذكاء الاصطناعي الكبير، مما يزيل النقاط الساخنة الشائعة في البنى أحادية الطور.

1.2 تدفق الغليان والتبخير

يحدث نقل الحرارة الفعلي في صفيحة باردة ثنائية الطور عبر غليان التدفق النووي. عندما يتدفق السائل عبر القنوات الدقيقة للوحة الباردة، تتشكل فقاعات بخار مجهرية على الجدران المعدنية الساخنة. تنفصل هذه الفقاعات بسرعة ويجرفها السائل المتدفق.

يؤدي توليد الفقاعة هذا إلى تعطيل الطبقة الحدودية الحرارية - وهي طبقة رقيقة من السائل البطيء الذي يحد عادةً من انتقال الحرارة في الأنظمة أحادية الطور. من خلال تحريك هذه الطبقة بعنف، يحقق غليان النواة معاملات نقل الحرارة تصل إلى مرتبة أعلى من السائل أحادي الطور الذي يتدفق بنفس السرعة.

2. أنظمة الألواح الباردة بالضخ على مرحلتين

تشبه الحلقة المضخوخة ثنائية الطور (التي تسمى غالبًا حلقة الغليان المتدفقة) البنية التقليدية للوصل المباشر إلى الرقاقة ولكنها تستخدم سوائل مختلفة وضغوط تشغيل وآليات رفض الحرارة.

المضخة ← المبخر ذو اللوحة الباردة (فقاعات توليد رقاقة GPU) ← خط أنابيب خليط ثنائي الطور ← مكثف (متصل بالمياه المبردة في المنشأة) ← عودة السائل إلى المضخة

2.1 المكونات الأساسية لحلقة تغيير الطور

تتكون الحلقة ثنائية الطور المضخوخة من مضخة، ولوحة باردة ذات قناة صغيرة (مبخر)، وخط بخار، ومكثف، وخط إرجاع السائل. تقوم المضخة بتوصيل السائل العازل المبرد إلى اللوحة الباردة. داخل اللوحة، تعمل الحرارة الصادرة عن وحدة معالجة الرسومات على غليان جزء من السائل (عادةً ما تتراوح جودة البخار من 10% إلى 30%). يخرج الخليط الناتج ثنائي الطور من السائل والبخار من الخادم وينتقل إلى المكثف، حيث تقوم مياه المنشأة بتبريده مرة أخرى إلى حالة سائلة نقية.

نظرًا لأن الغليان يولد ضغوطًا داخلية عالية، فإن التصميم الميكانيكي للمبخر أمر بالغ الأهمية. عند تحديد مكونات هذه الحلقات، راجع موقعنا دليل اللوحة الباردة لرف الخادم AI  لفهم هندسة اللوحة الأساسية التي تتحمل تقلبات الضغط الديناميكي هذه.

2.2 اختيار السوائل العازلة والتعامل معها

لا يمكنك استخدام الماء في نظام لوح التبريد القياسي ثنائي الطور. يغلي الماء عند 100 درجة مئوية عند الضغط الجوي، وهو أعلى بكثير من الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة الآمنة (TjMax) للسيليكون الحديث. وبدلاً من ذلك، تستخدم الأنظمة ثنائية الطور سوائل عازلة مصممة هندسيًا بدرجة عالية (مركبات الهيدروفلوروكربون، أو مركبات الهيدروفلوروإيثر، أو البيرفلوروكيتونات) التي لها نقاط غليان مضبوطة بين 30 درجة مئوية و60 درجة مئوية.

·  استخدم سوائل ذات نقطة غليان منخفضة (على سبيل المثال، 34 درجة مئوية) عندما:  تقوم بتبريد مكونات بصرية شديدة الحساسية للحرارة أو السيليكون القديم.

·  استخدم سوائل متوسطة درجة الغليان (على سبيل المثال، 50 درجة مئوية - 60 درجة مئوية) عندما:  تقوم بتبريد وحدات معالجة الرسومات عالية TDP (1000 واط +) وترغب في زيادة كفاءة أبراج التبريد الخاصة بمنشأتك إلى الحد الأقصى من خلال السماح بدرجة حرارة أعلى للمياه العائدة.

3. التبريد بالغمر على مرحلتين

بينما تقوم الصفائح الباردة بتوجيه السائل إلى الشريحة، فإن التبريد بالغمر ينقل الشريحة إلى السائل. في إعداد التبريد الغاطس ثنائي الطور، يتم غمر اللوحة الأم للخادم بالكامل في خزان مغلق من السائل العازل.

3.1 كيف يعمل الغمر على مرحلتين

تعمل مكونات السيليكون العارية كمبخرات. أثناء عمل الرقائق، تقوم بتسخين السائل المحيط بها حتى يغلي. يرتفع البخار إلى أعلى العلبة المغلقة، مكونًا بطانية بخار. في الجزء العلوي من الخزان، تقوم ملفات المكثف المبردة بالماء باستخراج الحرارة من البخار. ويتكثف البخار إلى قطرات سائلة ثقيلة، والتي تمطر عائدة إلى حوض السوائل لإكمال الدورة السلبية.

إذا كنت تقوم بتقييم البنى القائمة على الخزان مقابل طرق التوصيل المباشر بالرقاقة، فدليلنا القادم حول سوف يؤدي التبريد باللوحة الباردة مقابل التبريد بالغمر  إلى كسر تعديلات المنشأة الهيكلية المطلوبة لعمليات نشر الخزانات على نطاق واسع.

3.2 إدارة احتواء البخار

التحدي الهندسي الأساسي للغمر على مرحلتين هو احتواء البخار. السوائل العازلة شديدة التقلب ومكلفة للغاية. إذا تم إغلاق الخزان بشكل غير صحيح، أو إذا فشلت ملفات المكثف في مواكبة الارتفاع المفاجئ في حمل الحوسبة، فيمكن أن يهرب البخار من العلبة.

ولمنع ذلك، تستخدم خزانات الغمر ثنائية الطور أجهزة استشعار ضغط زائدة متعددة، وأنظمة إغلاق حشية معقدة، وضوابط دقيقة لتدفق المياه في المنشأة. يجب أن تضمن المنشأة إمدادًا مستمرًا بالمياه المبردة للمكثف؛ إذا انخفضت حلقة المنشأة الضغط حتى لبضع دقائق، فإن خزان الغمر المدعم بالذكاء الاصطناعي المحمل بالكامل سيعمل على بناء ضغط البخار بسرعة حتى تقوم صمامات تخفيف الضغط الآمنة بتنفيس السائل الباهظ الثمن إلى الغرفة.

4. التبريد السائل على مرحلتين مقابل التبريد السائل على مرحلة واحدة

إن الاختيار بين البنى أحادية الطور والمرحلتين يحدد إستراتيجية الأنابيب والضخ والصيانة الكاملة لمنشأتك للعقد القادم.

4.1 الأداء الحراري وحدود الأجهزة

يعد التبريد أحادي الطور هو المعيار الصناعي حاليًا، وهو قادر على تبريد ما يصل إلى 1200 وات إلى 1500 وات تقريبًا لكل حزمة باستخدام تصميمات القنوات الدقيقة المتقدمة ومعدلات التدفق العالية. ومع ذلك، عندما يمر السائل عبر ASIC ضخم بقدرة 1500 واط، يسخن السائل بشكل كبير من المدخل إلى المخرج، مما يخلق تدرجًا في درجة الحرارة عبر السيليكون.

التبريد على مرحلتين يلغي هذا التدرج. نظرًا لأن تغير الطور يحدث عند درجة حرارة ثابتة، فإن الحافة الأمامية والحافة الخلفية لقالب السيليكون تظل عند درجات حرارة شبه متطابقة. يقلل هذا المظهر الحراري المتساوي من الضغط الحراري على العبوة ويسمح للمعالج بتعزيز الساعات بقوة أكبر.

4.2 ضغط النظام ومخاطر التسرب

تعمل حلقات الماء أحادية الطور عند ضغوط معتدلة وتتطلب وحدات ضخمة لتوزيع سائل التبريد (CDUs) لدفع السوائل الثقيلة من خلال ألواح التبريد المقيدة. لفهم كيفية تفاعل المياه المبردة في المنشأة مع هذه الحلقات الثانوية، قم بمراجعة تفاصيلنا النظام البيئي للوحة الباردة للمبادل الحراري لمركز البيانات  .

تتطلب الحلقات ثنائية الطور طاقة ضخ أقل بكثير. ونظرًا لأن الحرارة الكامنة تمتص قدرًا كبيرًا من الطاقة، فأنت تحتاج فقط إلى ضخ جزء صغير من معدل التدفق الكتلي مقارنة بالمياه. قد تتطلب شريحة بقوة 1000 واط 1 لتر في الدقيقة (LPM) من تدفق الماء، ولكن فقط 0.15 لتر في الدقيقة من السائل العازل في حلقة ثنائية الطور.

 

5. متطلبات البنية التحتية والصيانة

يؤدي نشر خزانات التبريد أو الغمر بالغليان إلى تقديم تحديات تشغيلية فريدة يجب تدريب فنيي مراكز البيانات على التعامل معها.

5.1 تعديلات المرافق

غالبًا ما تحمل المبردات العازلة تصنيفات إمكانية الاحتباس الحراري (GWP) أو تواجه تدقيقًا تنظيميًا متزايدًا (مثل قيود PFAS). يجب عليك التأكد من أن السائل المختار يتوافق مع اللوائح البيئية المحلية على مدار عمر المنشأة البالغ 10 سنوات. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب خزانات الغمر ذات المرحلتين أرضيات معززة للتعامل مع الوزن الهائل للحاويات المملوءة بالسوائل، بالإضافة إلى الرافعات العلوية أو الرافعات لرفع شفرات الخادم فعليًا خارج حوض السباحة.

5.2 تحديات إمكانية الخدمة

تتطلب خدمة حلقة الضخ على مرحلتين معدات متخصصة. على عكس حلقة الماء أحادية الطور، لا يمكنك ببساطة فتح صمام وإخراج الهواء من نظام عازل ثنائي الطور.

يؤدي تلوث الهواء والرطوبة إلى تدهور أداء غليان المبردات بشكل كبير. يجب إخلاء الحلقة ذات الطورين بالكامل باستخدام مضخة تفريغ وإغلاقها بإحكام قبل التشغيل. إذا احتاج الفني إلى استبدال عقدة الخادم، فيجب عليه استخدام عمليات قطع الاتصال السريعة المتخصصة التي تضمن عدم دخول الهواء. إذا دخلت غازات غير قابلة للتكثيف (مثل هواء الغرفة) إلى الحلقة، فإنها تهاجر إلى المكثف، وتحجب سطح التبادل الحراري، وتتسبب في ارتفاع ضغط النظام بشكل كارثي.

6. إطار الاختيار: متى يتم اختيار التبريد على مرحلتين

لا تعتمد على التبريد على مرحلتين فقط بسبب أدائه. ويفرض التعقيد الهندسي وتكاليف السوائل ضرورة نشره بشكل صارم عندما تقتضيه الفيزياء.

استخدم التبريد السائل أحادي الطور عندما:

·  السيليكون TDP الخاص بك أقل من 1200 واط.

·  تتطلب ميزانية منشأتك حلقات مياه/جلايكول قياسية.

·  لم يتم تدريب الفنيين لديك على التعامل مع غاز التبريد وإجراءات تفريغ الغاز.

استخدم الألواح الباردة المضخوخة ذات الطورين عندما:

·  تتجاوز شريحة TDP الخاصة بك 1500 وات، وتؤدي الألواح الباردة أحادية الطور إلى حدوث انخفاضات غير مقبولة في الضغط في مشعب الحامل الخاص بك.

·  عبوة السيليكون الخاصة بك ضخمة، وتتسبب تدرجات درجة الحرارة عبر القالب في اختناق موضعي.

·  أنت ترغب في استخدام الماء الدافئ (35 درجة مئوية +) للتبريد المجاني مع الحفاظ على درجات حرارة الوصلات الآمنة على وحدات معالجة الرسومات عالية الكثافة.

استخدم التبريد الغمر على مرحلتين عندما:

·  أنت تقوم ببناء مجموعة جديدة عالية الكثافة من الذكاء الاصطناعي وتريد التخلص من جميع معجبي الخادم بالكامل.

·  تتميز أجهزتك بمئات المكونات الصغيرة عالية الطاقة (مثل وحدات الذاكرة ومصفوفات توصيل الطاقة) والتي تعتبر معقدة جدًا بحيث لا يمكن تغطيتها بألواح باردة فردية.

 

7. الاستنتاج

يمثل التبريد على مرحلتين السقف الحراري النهائي لهندسة مراكز البيانات الحديثة. من خلال الاستفادة من غليان التدفق والحرارة الكامنة، يمكن لمشغلي الذكاء الاصطناعي دعم بنيات السيليكون التي تعمل بشكل جيد بما يتجاوز 1500 واط دون المعاناة من تدرجات شديدة في درجات الحرارة أو متطلبات طاقة المضخة الباهظة. ومع ذلك، يتطلب هذا الأداء الفائق التنقل في احتواء السوائل المتطايرة، والسباكة المعقدة محكمة الغلق بالفراغ، وبروتوكولات الصيانة الصارمة. قبل إلزام منشأتك ببنية تغيير الطور، يجب عليك الموازنة بين الضرورة الحرارية لجهاز ASIC الخاص بك مقابل الحقائق التشغيلية لحلقات التبريد.

يتطلب الانتقال من الهواء إلى أحادي الطور، أو أحادي الطور إلى ثنائي الطور، وضع نماذج دقيقة لهندسة أجهزتك الدقيقة وقيود المنشأة. اتصل بفريق الهندسة الحرارية لدينا  لتقييم ما إذا كانت الحلقة المضخوخة ثنائية الطور أو اللوحة الباردة أحادية الطور المحسنة للغاية هي الاختيار المعماري الصحيح للنشر عالي الكثافة التالي.

 

الأسئلة المتداولة

ماذا يحدث إذا تسربت لوحة التبريد ثنائية الطور داخل الخادم؟

على عكس الماء، فإن السوائل العازلة الهندسية لا تقوم بتوصيل الكهرباء. إذا تمزق خط ثنائي الطور داخل الهيكل، فسوف يغلي السائل على الفور ويتحول إلى بخار غير ضار عند اصطدامه بمكونات في درجة حرارة الغرفة، مما لا يسبب أي قصور كهربائي في اللوحة الأم.

هل نظام التبريد ثنائي الطور أعلى أم أكثر هدوءًا من نظام التبريد أحادي الطور؟

تعتبر أنظمة الألواح الباردة ثنائية الطور هادئة بشكل استثنائي لأنها تتطلب سرعات ضخ ومعدلات تدفق أقل بكثير. تعتبر أنظمة الغمر ثنائية المرحلتين صامتة فعليًا لأنها تقضي على مراوح هيكل الخادم تمامًا.

هل تتطلب الأنظمة ثنائية الطور مكثفات متخصصة؟

نعم. يجب أن يكون المبادل الحراري (المكثف) في نظام ثنائي الطور مصممًا خصيصًا للتعامل مع تغيير الطور. يتطلب الأمر مساحات سطحية أكبر وهندسة داخلية محددة لضمان تكثيف البخار بكفاءة مرة أخرى إلى سائل قبل العودة إلى المضخة.

لماذا تعتبر نقطة الغليان مهمة في اختيار السوائل العازلة؟

تحدد نقطة الغليان درجة الحرارة الأساسية لحلقة التبريد. إذا كانت نقطة الغليان مرتفعة جدًا، فسوف تسخن الرقاقة بشكل زائد قبل أن يبدأ نقل الحرارة مع تغير الطور. إذا كان منخفضًا جدًا، فسيواجه المكثف صعوبة في رفض الحرارة إلى مياه المنشأة القياسية، مما يتطلب مبردات كثيفة الاستهلاك للطاقة.

هل يمكنني تشغيل التبريد على مرحلتين في حامل قياسي مقاس 19 بوصة؟

نعم، تتناسب الألواح الباردة ثنائية الطور المضخوخة بسهولة مع الرفوف القياسية مقاس 19 بوصة. تتمثل الاختلافات الأساسية في المتشعبات الموجودة داخل الحامل ووحدة توزيع سائل التبريد (CDU)، والتي يجب تصميمها لإدارة المبردات وخطوط البخار وضغوط الحلقة المحددة.

كيف يؤثر تحلل السوائل على الأنظمة ثنائية الطور؟

تكون السوائل العازلة مستقرة بشكل عام، ولكنها يمكن أن تتحلل إذا تعرضت للبقع الساخنة الشديدة أو الرطوبة أو اللدائن غير المتوافقة في الأنابيب والأختام. مع مرور الوقت، يؤدي التحلل إلى تغيير نقطة الغليان وتقليل الكفاءة الحرارية، مما يتطلب تحليل واستبدال السوائل بشكل دوري.