Сравнение однофазного и двухфазного погружного охлаждения

Введение: необходимость иммерсионного охлаждения для вычислений высокой плотности

Цифровой мир основан на центрах обработки данных, и по мере того, как наша зависимость от данных растет в геометрической прогрессии, растет и потребляемая мощность (и тепло, выделяемое) этими критически важными объектами. Развитие искусственного интеллекта (ИИ), высокопроизводительных вычислений (HPC) и все более плотной серверной аппаратуры довело традиционные методы воздушного охлаждения до предела. Плотность тепла внутри серверных стоек стремительно растет, поэтому эффективное управление температурным режимом имеет первостепенное значение для операционной стабильности, долговечности оборудования и экологической устойчивости.  

Используйте иммерсионное охлаждение, преобразующий подход, который выходит за рамки воздуха и обеспечивает прямой контакт жидкости с тепловыделяющими компонентами. Погружая ИТ-оборудование в специализированные диэлектрические (непроводящие) жидкости, иммерсионное охлаждение обеспечивает значительно превосходящие возможности теплопередачи. Однако «погружное охлаждение» не является монолитным; в основном он включает в себя две отдельные технологии: однофазное иммерсионное охлаждение (1-PIC) и двухфазное иммерсионное охлаждение (2-PIC) . Понимание фундаментальных различий, преимуществ и компромиссов между этими двумя подходами имеет решающее значение для принятия обоснованных решений об охлаждении центров обработки данных следующего поколения. В этой статье представлено всестороннее сравнение, которое поможет вам сделать правильный выбор.  

Демистификация однофазного погружного охлаждения (1-PIC)

Как это работает: подход конвекции и циркуляции 

В однофазной системе погружного охлаждения ИТ-оборудование (серверы, графические процессоры, ASIC) вертикально или горизонтально погружается в резервуар, заполненный диэлектрической охлаждающей жидкостью. Тепло, генерируемое компонентами, передается непосредственно окружающей жидкости преимущественно за счет конвекции. Важно отметить, что охлаждающая жидкость остается в жидком состоянии на протяжении всего процесса первичного охлаждения – следовательно, «однофазная».  

Для отвода поглощенного тепла нагретая диэлектрическая жидкость активно циркулирует насосами из погружной емкости. Он поступает во внешний блок отвода тепла, обычно в блок распределения охлаждающей жидкости (CDU), который содержит теплообменник (часто жидкость-жидкость). Здесь тепло передается от диэлектрического теплоносителя во второй контур, обычно в водопроводную воду. Остывший диэлектрик затем закачивается обратно в погружной резервуар для продолжения цикла охлаждения.  

Ключевые характеристики и компоненты

• Жидкости: Обычно используются технические жидкости на углеводородной основе (например, минеральные или синтетические масла), характеризующиеся относительно высокими температурами кипения, низкой летучестью (снижение потерь на испарение), хорошей термической стабильностью и часто более низкой стоимостью по сравнению с двухфазными жидкостями.  

• Аппаратное обеспечение: требуются резервуары (которые могут быть выполнены в виде открытых ванн или герметичных блоков), надежные насосы, способные работать с вязкостью и расходом диэлектрической жидкости, а также внешние CDU или теплообменники для взаимодействия с системой отвода тепла объекта.

Демистификация двухфазного погружного охлаждения (2-PIC)

Как это работает: цикл кипения и конденсации 

Двухфазное иммерсионное охлаждение также предполагает погружение оборудования в диэлектрическую жидкость, но с ключевым отличием: жидкость специально разработана так, чтобы иметь очень низкую температуру кипения (часто около 50–60°C или 120–140°F при рабочем давлении).  

Когда компоненты нагреваются, окружающая жидкость закипает непосредственно на их поверхности. Этот фазовый переход от жидкости к пару поглощает большое количество энергии (скрытой теплоты испарения) очень эффективно и при почти постоянной температуре. Образующийся пар, будучи менее плотным, естественным образом поднимается в верхнюю часть резервуара. Там он сталкивается с конденсатором (обычно змеевиком, охлаждаемым технической водой или другим вторичным контуром), встроенным в крышку резервуара или верхнюю часть. Пар отдает свое скрытое тепло конденсатору, снова превращается в жидкость, а затем под действием силы тяжести стекает обратно в основную ванну с жидкостью. Этот внутренний цикл кипения/конденсации обеспечивает основной механизм охлаждения, в значительной степени устраняя необходимость в насосах для циркуляции первичной диэлектрической жидкости внутри самого резервуара.  

Ключевые характеристики и компоненты

• Жидкости:   Используются специализированные фторхимические диэлектрические жидкости с низкой температурой кипения. Однако в нынешней нормативной среде устаревшие жидкости, такие как серия 3M Novec, столкнулись с глобальным прекращением использования из-за строгих экологических норм PFAS (пер- и полифторалкильных веществ)..

• Современные системы 2-PIC должны преодолевать эти узкие места в области химического соответствия путем перехода к составам нового поколения с нулевым содержанием PFAS и низким ПГП (потенциалом глобального потепления). Поскольку эти совместимые жидкости очень летучи и чрезвычайно дороги, поддержание абсолютно герметичной среды резервуара с нулевыми утечками имеет первостепенное значение для предотвращения катастрофических потерь жидкости и перерасхода эксплуатационных расходов.

• Аппаратное обеспечение: Требуются тщательно спроектированные резервуары, которые обычно герметичны или полугерметизированы, чтобы контролировать давление паров и минимизировать потери дорогих и летучих жидкостей. Встроенные конденсаторы являются важнейшими компонентами. Хотя перекачивание первичной жидкости внутри резервуара часто исключается, насосы для внешнего контура, охлаждающего конденсатор, по-прежнему необходимы.

Прямое сравнение: ключевые различия между 1-PIC и 2-PIC

Понимание нюансов между этими технологиями требует прямого сравнения по нескольким ключевым областям:

Механизм теплопередачи и эффективность

• 1-PIC: основан на разумной теплопередаче посредством конвекции. Эффективность зависит от свойств жидкости (теплопроводность, удельная теплоемкость, вязкость) и скорости потока, создаваемого насосами. Эффективен, но менее эффективен при поглощении тепла, чем при кипячении.

• 2-PIC: основан главным образом на скрытой теплопередаче посредством пузырькового кипения . Этот механизм имеет более высокие коэффициенты теплопередачи, что позволяет более эффективно отводить тепло непосредственно от поверхностей компонентов.

Максимальная плотность мощности

• 1-PIC: Способен работать с высокой плотностью стоек, часто доходящей до 100 кВт или даже приближающейся до 200 кВт на стойку, в зависимости от конкретной реализации и используемой жидкости.

• 2-PIC: обычно считается способным выдерживать более высокую максимальную плотность мощности, часто превышающую 200–250 кВт на стойку и потенциально намного выше, из-за более высокой эффективности теплопередачи при кипении. Это делает его привлекательным для самых ресурсоемких приложений.

Тепловые характеристики и однородность

• 1-PIC: Можно обеспечить хороший контроль температуры, но при протекании мимо компонентов будет наблюдаться повышение температуры жидкости, а также температурный градиент по всей системе.

• 2-PIC: Процесс кипения происходит при практически постоянной температуре насыщения (зависящей от давления). Обычно это приводит к превосходной однородности температуры на поверхностях погруженных компонентов, снижению теплового напряжения и более эффективному уменьшению количества горячих точек.

Рабочие жидкости

• 1-PIC: используются масла/синтетика с более высокой температурой кипения. Как правило, более низкая стоимость, гораздо более низкая летучесть (минимальные потери на испарение), более простое обращение и часто меньше проблем с окружающей средой (в зависимости от конкретной жидкости).  

• 2-PIC: используются фторсодержащие вещества с низкой температурой кипения. Значительно более высокая стоимость, высокая летучесть (требуются герметичные системы для предотвращения дорогостоящих потерь), потенциально более высокий ПГП для некоторых жидкостей (хотя новые варианты улучшаются), а также нормативные соображения в отношении химикатов PFAS. Отличные диэлектрические свойства являются обязательными.

Системное оборудование и инфраструктура

• 1-PIC: более простая концепция – требуются надежные насосы первичного контура и внешние блоки CDU. Конструкция резервуара может быть менее сложной (обычно используются открытые ванны, что упрощает доступ).  

• 2-PIC: исключает насосы первичного контура, но требует эффективных встроенных конденсаторов и герметичных/полугерметичных резервуаров, что усложняет и потенциально увеличивает стоимость самой конструкции резервуара. По-прежнему требуется внешний контур для охлаждения конденсатора.  

Энергоэффективность (PUE — Эффективность использования энергии)

• Как 1-PIC, так и 2-PIC обеспечивают значительное улучшение PUE по сравнению с традиционным воздушным охлаждением, часто достигая показателей, очень близких к идеальным (1,0).  

• 2-PIC часто претендует на небольшое преимущество (например, PUE потенциально может достигать 1,01–1,02) из-за исключения энергии первичной накачки и высокоэффективной теплопередачи.  

• 1-PIC PUE также превосходен (например, 1,02-1,03 или выше), при этом основные накладные расходы на охлаждение поступают от первичных циркуляционных насосов и внешней системы отвода тепла (общей для обеих). Реальный PUE во многом зависит от конкретной конструкции, масштаба и интеграции с охлаждением объекта.

Техническое обслуживание и удобство эксплуатации

• 1-PIC: часто воспринимается как более простой в обслуживании. Открытая конструкция ванны обеспечивает прямой доступ к оборудованию (хотя необходимо контролировать капание жидкости). Жидкости менее летучие, и с ними, как правило, легче обращаться.

• 2-PIC: Техническое обслуживание может быть более сложным. Закрытые резервуары, возможно, придется открывать осторожно, чтобы свести к минимуму потери паров. Обращение с летучими жидкостями требует особых процедур. Некоторые источники заявляют об упрощении обслуживания, поскольку при замене компонентов не требуется слив жидкости, но ключевым фактором остается управление парами.

Подведение итогов за и против: сбалансированный взгляд

Однофазное погружное охлаждение (1-PIC)

• Плюсы:

• Более простая механика системы и потенциально более низкая сложность аппаратного обеспечения.  

• Меньшая стоимость и гораздо меньшая испаряемость рабочих жидкостей.

• Упрощенное обращение с жидкостями и потенциально более легкий доступ к оборудованию (открытая ванна).

• Зрелая и широко распространенная технология.

• Минусы:

• Меньшая максимальная тепловая плотность по сравнению с 2-PIC.

• Требует значительных затрат энергии для перекачки первичной жидкости.

• Меньшая однородность температуры по сравнению с кипением.

Двухфазное погружное охлаждение (2-PIC)

• Плюсы:

• Высочайшая эффективность теплопередачи и возможность работы с экстремальной плотностью мощности.

• Отличная однородность температуры благодаря изотермическому кипению.

• Устраняет затраты энергии на перекачку первичной жидкости (хотя контур конденсатора по-прежнему нуждается в охлаждении).

• Потенциально самый низкий достижимый PUE.

• Минусы:

• Более высокая сложность системы (герметичные резервуары, конденсаторы, управление парами).

• Значительно более высокая стоимость жидкости и высокая летучесть (требует герметизации, риск потери).

• Экологические/нормативные проблемы, связанные с некоторыми фторированными жидкостями (GWP, PFAS).

• Потенциально более сложные процедуры обслуживания.

Сильные стороны приложений: соответствие технологий потребностям

Выбор между 1-PIC и 2-PIC не всегда однозначен и во многом зависит от конкретных требований:

• 1-PIC часто отдается предпочтение для приложений, требующих значительного улучшения плотности по сравнению с воздушным охлаждением (до диапазона ~ 100–200 кВт/стойка), где простота, более низкие первоначальные затраты и простота эксплуатации являются высокими приоритетами. Это надежное и проверенное решение для многих центров обработки данных HPC, AI и корпоративных центров обработки данных.

• 2-PIC обычно рассматривается для приложений, расширяющих абсолютные границы плотности мощности (> 200 кВт/стойку), таких как передовые суперкомпьютеры, экстремальные обучающие кластеры AI/ML или специализированная электроника с высоким потоком, где максимальные тепловые характеристики и минимально возможный PUE имеют первостепенное значение, а более высокая сложность/стоимость могут быть оправданы.

Такие факторы, как первоначальные капитальные затраты, долгосрочные эксплуатационные расходы, соблюдение местных экологических требований и перспективная масштабируемость, определяют окончательный архитектурный путь.

Чтобы преодолеть разрыв между более простой инфраструктурой 1-PIC и чрезвычайной тепловой плотностью 2-PIC, Winshare Thermal сотрудничает с мировыми архитекторами центров обработки данных для развертывания гибридных решений высокой мощности с жидкостным охлаждением..

Используя наши жидкостные охлаждающие пластины со сверхнизким термическим сопротивлением непосредственно на кристалле (D2C) для самых мощных ASIC/GPU, а также масштабируемую однофазную масляную иммерсию для вторичных компонентов, мы помогаем предприятиям достичь почти идеального PUE без нормативных рисков и высоких затрат на испаряемость жидкости, связанных с системами с полным двухфазным погружением.

Управление подвижными дебатами и будущими тенденциями

Разработка иммерсионных охлаждающих жидкостей продолжается. Для 2-PIC значительные исследования сосредоточены на создании новых жидкостей с более низким ПГП, улучшенной совместимостью материалов и более низкими затратами, сохраняя при этом превосходные тепловые и диэлектрические свойства. Правила, касающиеся химикатов PFAS, могут повлиять на будущий выбор жидкостей. Что касается 1-PIC, продолжаются работы по оптимизации свойств жидкости для улучшения теплопроводности и снижения вязкости. Мы также можем стать свидетелями появления гибридных подходов, пытающихся объединить преимущества обеих технологий.  

Заключение: правильный выбор погружного охлаждения для вашего предприятия

Как однофазное, так и двухфазное погружное охлаждение представляют собой новаторские достижения в области управления температурным режимом в центрах обработки данных, предлагая существенные улучшения в эффективности, плотности и устойчивости по сравнению с традиционным воздушным охлаждением. 1-PIC обеспечивает более простой и часто более экономичный путь к жидкостному охлаждению высокой плотности с использованием менее летучих жидкостей. 2-PIC обеспечивает максимальную производительность теплопередачи, обеспечивая экстремальную плотность мощности, но имеет большую сложность и требует учета стоимости жидкости, нестабильности и воздействия на окружающую среду.  

Оптимальный выбор не является универсальным. Это требует тщательной оценки текущих и будущих потребностей в удельной мощности, капитальных и эксплуатационных бюджетов, технических знаний, терпимости к риску и целей устойчивого развития. Тщательная оценка и часто консультации со специалистами по охлаждению необходимы для выбора стратегии погружного охлаждения, которая лучше всего соответствует конкретным целям предприятия.

Winshare Thermal: опыт в области передовых решений жидкостного охлаждения

Поскольку спрос на сложные решения для охлаждения в центрах обработки данных и других мощных электронных приложениях возрастает, глубокие знания в области теплотехники становятся незаменимыми. В Компания Winshare Thermal , основанная в 2009 году, занимается разработкой, моделированием и производством высокопроизводительных решений по управлению температурным режимом, способных решить эти постоянно меняющиеся задачи.  

Наш обширный опыт в Передовые системы жидкостного охлаждения дают нам прочную основу для основных принципов, имеющих решающее значение для внедрения эффективного погружного охлаждения, будь то однофазного или двухфазного. Это включает в себя экспертные знания в:

• Проектирование высокоэффективных теплообменников , жизненно важных компонентов в CDU (для 1-PIC) и конденсаторов (для 2-PIC).

• Оптимизация гидродинамики и теплопередачи в сложных тепловых сборках.

• Проведение детального теплового моделирования (CFD) для прогнозирования и проверки производительности системы.

• Прецизионное производство сложных термических компонентов и узлов.

Winshare Thermal: партнер по промышленному производству систем жидкостного охлаждения AI-класса

Для внедрения системы охлаждения центра обработки данных нового поколения требуется нечто большее, чем просто покупка жидкости; для этого требуется партнер-производитель, способный создавать высокоточное термическое оборудование с нулевой утечкой, которое выдерживает десятилетия непрерывной работы.

Компания Guangdong Winshare Thermal Technology Co., Ltd. предоставляет комплексные инженерные и полномасштабные производственные услуги для инфраструктуры жидкостного охлаждения высокой плотности. Наши основные производственные возможности, сертифицированные по стандартам IATF 16949, ISO 9001:2015 и ISO 14001:2015 , напрямую поддерживают развертывания с погружным и жидкостным охлаждением посредством:

• Высокопроизводительные CDU и теплообменники: прецизионное производство теплообменников жидкость-жидкость промышленного класса, оптимизированных для гидродинамики и вязкости однофазных углеводородных масел.

• Герметичные двухфазные конденсаторные модули: создание усовершенствованных многоканальных конденсаторных сборок с безупречной структурной целостностью, гарантирующих нулевую утечку паров в герметичных средах.

• Двойная безопасность цепочки поставок: благодаря передовым лабораториям теплового моделирования и крупным производственным предприятиям в Китае и Таиланде мы предоставляем глобальным гиперскейлерам и OEM-производителям серверов беспошлинные варианты доставки и строгое международное соответствие.

Готовы подготовить инфраструктуру своего центра обработки данных к будущему? Не позволяйте узким местам, связанным с перегревом, ограничивать вашу вычислительную мощность.

Отправьте ниже компоновку стойки, целевые тепловые плотности или файлы корпуса САПР. Наша старшая группа инженеров по жидкостному охлаждению в течение 24 часов предоставит комплексный технический анализ, CFD-оптимизацию потока жидкости и коммерческое предложение для завода-изготовителя.