haberler

Veri Merkezleri için İki Fazlı Soğutmadaki En Son Trendler Nelerdir?

Doğrudan cevap: İki fazlı soğutma teknolojileri, özellikle daldırma soğutma ve doğrudan çipe (soğuk plaka) soğutma, geleneksel hava soğutması için imkansız olan 1.000 W/cm²'yi aşan ısı yoğunluklarını yönetebilme yetenekleri sayesinde niş araştırma konseptlerinden ana akım dağıtıma geçiş yapıyor. Daldırma soğutma, toplam tesis ısı geri kazanımı ve aşırı yoğunluk için tercih edilirken, doğrudan çipe soğutma, daha düşük sıvı maliyetleri ve daha basit servis kolaylığı nedeniyle mevcut yapay zeka kümeleri için şu anda tercih edilen yenileme (retrofit) çözümüdür. 2027 yılına kadar yeni veri merkezi kapasitesinin %20'sinden fazlasının bir tür iki fazlı sıvı soğutma kullanması bekleniyor; bu oran 2023'te %5'in altındaydı.

İki Fazlı Daldırma ve Doğrudan Çipe Soğutma Sistemleri Çalışma Şekli Bakımından Nasıl Farklılık Gösterir?

Daldırma soğutma, tüm sunucuları (anakartlar, CPU'lar, GPU'lar, güç kaynakları) dielektrik bir sıvı banyosuna batırır. Sıvı, düşük bir sıcaklıkta (mühendislik ürünü sıvılar için tipik olarak 50-60°C) kaynar ve sıvıdan buhara geçerken ısıyı doğrudan emer. Buhar yükselir, tank kapağındaki kondenser serpantinine çarpar ve sıvı forma geri döner. Bu, tank içinde pompa gerektirmeyen pasif, termosifon tahrikli bir süreçtir.

Doğrudan çipe soğutma ise bunun aksine, CPU veya GPU kalıbının üzerine doğrudan monte edilmiş sızdırmaz bir soğuk plaka kullanır. Dielektrik bir çalışma sıvısı (genellikle bir floroketon veya özel bir soğutucu akışkan) plakanın içindeki mikro kanallardan akar. Isı, termal arayüz malzemesinden (TIM) iletilir, plakaya girer ve sıvıyı buharlaştırır. Buhar daha sonra, ısıyı tesis suyuna aktaran ayrı bir rafa monte ısı eşanjörü olan uzak bir kondenser ünitesine taşınır.

Kritik operasyonel fark, termal yoldur. Daldırma soğutmanın daha kısa bir termal yolu vardır (sıvı karta temas eder) ancak raf başına 500-1.000 litre gibi büyük bir tank hacmi gerektirir. Doğrudan çipe soğutma, TIM ve plaka boyunca daha uzun bir yola sahiptir ancak çok daha az sıvı kullanır (raf başına 10-20 litre) ve tankı boşaltmadan tek tek sunucuların çıkarılmasına olanak tanır.

Gerçek Termal Performans Sınırları ve Sıcaklıklar Nelerdir?

İki fazlı sistemlerin termal performansı, kaynama ısı transfer katsayısı ve sistemin termal direnci ile tanımlanır. Doğrudan çipe soğutmada soğuk plaka, 0,01°C·cm²/W veya daha düşük bir termal direnç elde edebilir. Bu, 60°C'lik bir sıvı doyma sıcaklığı ile 500W'lık bir GPU'nun 75°C'lik bir bağlantı sıcaklığında tutulabileceği anlamına gelir.

Daldırma soğutma, sıvı havuz konveksiyonu nedeniyle tipik olarak 0,02-0,04°C·cm²/W olan biraz daha yüksek bir termal dirence sahiptir. Bununla birlikte, kartın tamamı suya daldırıldığından, sistem voltaj regülatörlerinden, bellekten ve ağ anahtarlarından aynı anda ısıyı uzaklaştırır; bu önemli bir avantajdır. Pratikte, daldırma sistemleri 1U eşdeğeri şasi başına 2.000-4.000W sunucu ısı yükünü kaldırabilirken, doğrudan çipe soğutma kalıp alanıyla sınırlıdır ve soket başına 1.000-2.000W işler.

Sıvı doyma sıcaklığı birincil kontrol değişkenidir. Tipik bir tek fazlı dielektrik sıvı için kaynama noktası, sıvı kimyası tarafından sabitlenir. Örneğin, 3M Novec 649'un kaynama noktası 49°C iken, R1233zd(E) gibi özel bir soğutucu akışkan 18°C'de kaynar. Çalışma sıcaklığı, sunucu bileşen limitleriyle eşleştirilmelidir; çoğu modern CPU, 85°C'lik bir kasa sıcaklığında çalışabilir; bu, sıvının kaynama noktasının 25-30°C üzerinde bir marj sağlar. Bu marj, kalıbın aşırı ısınmadan sıvının buharlaşması için gereklidir.

Hangi Endüstriler İki Fazlı Soğutmayı İlk Benimsiyor?

Birincil benimseyenler, hiper ölçekli bulut sağlayıcıları, yapay zeka eğitim tesisleri ve yüksek frekanslı ticaret (HFT) firmalarıdır. Nedeni basit: güç yoğunluğu. Hava soğutmalı standart bir 42U raf 10-15kW dağıtabilir. 8x H100 GPU'lu bir yapay zeka eğitim rafı 70-100kW çekebilir. Hava soğutma, akustik gürültüye ve titreşime neden olan büyük hava akış hızları olmadan bu kadar ısıyı fiziksel olarak taşıyamaz.

HFT endüstrisi, ultra düşük gecikme süresi (mikrosaniyeler) için CPU'ları hız aşırtmaları gerektiğinden ve soğutma marjı daha yüksek saat hızlarına izin verdiğinden, 2010'ların başında daldırma soğutmayı benimseyen ilk sektör oldu. Bugün, petrol ve gaz süper bilgi işlem sektörü sismik işleme için daldırma soğutmayı kullanıyor. En hızlı büyüme, NVIDIA gibi şirketlerin A100 ve H100 GPU'larını hem doğrudan çipe hem de daldırma soğutmaya sertifikalandırdığı yapay zeka sektöründe. Devlet laboratuvarları ve ulusal süper bilgi işlem merkezleri (ör. EuroHPC JU) da 30-60MW soğutma kapasitesi gerektiren exascale makineleri için iki fazlı sistemler belirliyor.

Neden Doğrudan Çipe Soğutma Yerine Daldırma Soğutmayı Seçmelisiniz?

Birincil hedefiniz maksimum ısı geri kazanımı veya maksimum raf yoğunluğu ise ve tesisiniz yeni inşaat veya büyük bir kahverengi alan yenilemesi ise daldırma soğutmayı seçin. Daldırma soğutma, tank başına 100-150kW raf yoğunluğuna olanak tanır. Ayrıca sunucu fanlarının %100'ünü ortadan kaldırır, bu da sunucu güç tüketiminde %15-20 tasarruf sağlar. Dielektrik sıvı ayrıca korozyona ve toza karşı koruma sağlayarak sunucu ömrünü 2-3 yıl uzatır.

Operasyonel avantaj, kondenser döngüsündedir. Buharlaşan sıvı, 50-60°C sıcaklıkta yoğunlaştırılır; bu, tesis suyu dönüşünün 45-50°C'de olabileceği anlamına gelir. Bu yüksek dereceli ısı, doğrudan bina ısıtması, absorpsiyonlu soğutucular veya bölgesel ısıtma ağları için kullanılabilir ve 1,02-1,05 Güç Kullanım Etkinliği (PUE) elde edilebilir.

Dezavantajları sıvı maliyeti ve ağırlığıdır. Tek bir 42U daldırma tankı 800-1.200 litre dielektrik sıvı gerektirir. Litre başına 15-25 $ maliyetle, yalnızca sıvı raf başına 12.000-30.000 $'a mal olur. Tankın kendisi, güçlendirilmiş zemin gerektiren 500-800 kg ağırlık ekler.

Neden Daldırma Yerine Doğrudan Çipe Soğutmayı Seçmelisiniz?

Mevcut hava soğutmalı bir veri merkeziniz varsa ve tüm tesis mimarisini değiştirmeden yapay zeka sunucularını yenilemek istiyorsanız doğrudan çipe soğutmayı seçin. Doğrudan çipe soğutma, sunucu kasasında yalnızca yeni bir soğuk plaka ve sıvı bağlantıları gerektiren minimum değişiklik gerektirir. Sıvı hacmi küçüktür (raf başına 10-20 litre), bu nedenle sermaye harcaması önemli ölçüde daha düşüktür.

Servis kolaylığı üstündür. Bir GPU arızalanırsa, rafı kapatabilir, sıvı hatlarını ayırabilir, tek sunucuyu çıkarabilir ve 15 dakikadan kısa sürede değiştirebilirsiniz. Daldırmada, tüm sunucuyu sıvıdan kaldırmanız, süzülmesine izin vermeniz (20-30 dakika sürer) ve ardından servis yapmanız gerekir. Doğrudan çipe soğutma ayrıca hibrit çalışmaya izin verir: bellek ve depolama için hava soğutmasını koruyabilir ve yalnızca yüksek güçlü CPU'lar ve GPU'lar için iki fazlı soğutma kullanabilirsiniz.

Ana dezavantaj, kartın geri kalan bileşenleri için hala hava soğutmalı bir ortama ihtiyaç duymanızdır. Bu, hala CRAC ünitelerine ihtiyacınız olduğu anlamına gelir, ancak bunlar %60-70 oranında küçültülebilir. Sistem PUE'si tipik olarak 1,10-1,15'tir; bu daldırmadan daha yüksektir ancak geleneksel hava soğutmasının 1,3-1,5'inden çok daha iyidir.

Sistem Bileşenleri ve Sıvılar İçin Maliyet Farkları Nelerdir?

Maliyet yapısına dielektrik sıvı ve ısı eşanjörü hakimdir. Aşağıdaki tablo, 10 raflı bir dağıtım ile 200kW BT yükü için gerçek maliyet tahminlerini sağlar.

Veriler, daldırma soğutmanın sıvı hacmi nedeniyle başlangıçta 2-3 kat daha pahalı olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, daldırma soğutma, soğutma enerjisinde kWh başına $0,01-0,02 tasarruf sağlar ve fan gücünü ortadan kaldırır; bu da daha yüksek sermaye maliyetini 3-5 yıl içinde dengeleyebilir.

Sıvı Yönetimi ve Bakım Operasyonları Nasıl Etkiler?

Sıvı yönetimi, en çok gözden kaçan operasyonel zorluktur. Daldırmada, sıvı zamanla metal iyonu sızıntısı ve termal bozunma nedeniyle bozulur. Sıvının asitliğini (pH), dielektrik dayanımını (>40 kV/mm olmalıdır) ve nem içeriğini üç ayda bir test etmelisiniz. Dielektrik dayanım 30 kV/mm'nin altına düşerse, sıvıyı değiştirmeniz veya aktif karbonlu bir filtrasyon sistemi kullanmanız gerekir.

Doğrudan çipe soğutmada sıvı sızdırmaz bir döngüdedir ancak basınç altındadır. Her 6 ayda bir soğutucu sızıntılarını (elektronik bir sızıntı dedektörü kullanarak) kontrol etmelisiniz. Kalıp ile soğuk plaka arasındaki termal arayüz malzemesi (TIM) de termal döngü ile bozulur; 0,01°C·cm²/W direncini korumak için TIM'i her 2-3 yılda bir değiştirmelisiniz.

Bakım maliyeti, ilk sistem maliyetinin yılda kabaca %5-8'i kadardır. Bu, hava soğutmasından (%3-4) daha yüksektir ancak saatte 500-1.000 $ kayıp bilgi işlem süresine mal olabilen aşırı ısınmış bir GPU'nun kesinti maliyetinden daha düşüktür.

İki Fazlı Soğutma Mevcut Hava Soğutmalı Tesislerle Çalışabilir mi?

Evet, ancak belirli kısıtlamalarla. Doğrudan çipe soğutma, tesisinizde bir soğutulmuş su döngüsü (7-12°C) veya bir kondenser suyu döngüsü (30-35°C) olması koşuluyla mevcut raflar için tak-çalıştır bir yenilemedir. Uzak kondenser, ısıyı 40-50°C'de tesis suyuna atabilir. Tesis suyunuz 35°C'nin üzerindeyse ikincil bir pompa skidi ve bir kuru soğutucu kurmanız gerekecektir.

Daldırma soğutmanın yenilenmesi daha zordur çünkü tanklar ağırdır ve güçlendirilmiş yük kapasiteli (en az 1.500 kg/m²) yükseltilmiş bir zemin gerektirir. Ayrıca dökülmeleri yakalamak için tankların etrafında bir muhafaza seti gerekir. Çoğu mevcut veri merkezi 600-800 kg/m² zemin yükü derecesine sahiptir, bu nedenle tankları yük dağıtıcı çelik bir çerçeve üzerine yerleştirmeniz gerekir.

En pratik yenileme yolu, yapay zeka raflarına (raflarınızın %20-30'u) doğrudan çipe soğutma uygulamak ve geri kalanı için hava soğutmasını korumaktır. Bu, yeni bir tesis inşa etmeden 50-100kW yapay zeka bilgi işlem kapasitesi eklemenizi sağlar.

SSS

İki Fazlı Soğutmanın Kaldırabileceği Maksimum Isı Akısı Nedir?

Doğrudan çipe soğuk plakalar, tek bir kalıp için 1.000 W/cm²'ye kadar işleyebilir. Daldırma soğutma daha düşük akıyı (100 W/cm²'ye kadar) işler ancak daha geniş bir yüzey alanından ısıyı uzaklaştırır. 700W'lık bir GPU için doğrudan çipe soğutma gereklidir; daldırma soğutma, 300-500W CPU'lar ve yüksek yoğunluklu bellek için daha uygundur.

Dielektrik Sıvı Elektronik Bileşenler İçin Güvenli midir?

Evet, floroketonlar ve özel hidrofloroeterler gibi mühendislik ürünü sıvılar iletken değildir (dielektrik dayanımı >40 kV/mm) ve lehim, PCB laminatları ve kapasit

İlgili Makaleler

• Isı Emici Kanat Aralığı: 2025'te Doğal ve Zorlanmış Hava Soğutması için Optimum Kanat Adımını Hesaplama
• Bölgesel Pazar Yarışması: Asya Pasifik, Kuzey Amerika ve Avrupa 'nın Isı Emici Ekolojisindeki Farklılıklar ve Fırsatlar
• Daha Küçük Daha Sert: Tüketici Elektroniğinde Ultra İnce Isı Emicilerinin Teknik Sınırları ve Yenilikleri