Wie funktioniert flüssige Kühlung in KI-Rechenzentren?

KI-Server verändern die Art und Weise, wie Rechenzentren über Wärme denken.

Da GPU- und Beschleunigersysteme leistungsstärker werden, konzentriert sich mehr Wärme auf die gleiche Rack-Fußabdruckfläche. Traditionelle Luftkühlung kann immer noch viele Arbeitslasten bewältigen, aber eine KI-Infrastruktur mit hoher Dichte erfordert zunehmend eine direktere Möglichkeit, Wärme von der Elektronik zu entfernen.

Die Flüssigkeitskühlung löst dieses Problem, indem sie ein zirkulierendes Kühlmittel verwendet, um Wärme in der Nähe der Quelle zu sammeln und durch einen speziellen Kühlkreislauf zu transportieren.

Auf einer grundlegenden Ebene ist der Prozess einfach:

Die technische Herausforderung besteht darin, dass jeder Teil dieser Schleife zuverlässig zusammenarbeitet.

Für den flexiblen Verbindungsabschnitt des Systems ist der flüssige Kühlschlauch eine kleine Komponente mit einer sehr wichtigen Aufgabe, er muss Kühlmittel transportieren, während er mit Druck, Temperaturänderungen, engem Routing, Vibrationen und wiederholter Wartung zu tun hat.

1. Was ist flüssige Kühlung in einem KI-Rechenzentrum?

Flüssigkeitskühlung ist eine Wärmemanagementmethode, die ein flüssiges Kühlmittel verwendet, um Wärme von elektronischen Geräten zu transportieren.

In einem KI-Server sind die primären Wärmequellen oft GPUs, CPUs oder andere Hochleistungsbeschleuniger.

Anstatt den größten Teil dieser Wärme in die Umgebungsluft zu übertragen, platziert ein Flüssigkeitskühlsystem eine Kühlschnittstelle in der Nähe der wärmeerzeugenden Komponente.

Bei der Direktkühlung ist diese Schnittstelle typischerweise eine Kühlplatte.

Das Kühlmittel fließt durch die Kühlplatte, nimmt Wärme auf und verlässt dann den Server durch die Rücklaufseite des Kühlkreislaufs.

2. Warum ist flüssige Kühlung wichtig für KI-Server?

Der Hauptgrund ist die Wärmedichte.

KI-Computing-Systeme können erhebliche Verarbeitungskapazitäten in einen relativ kleinen physischen Raum bringen, was zu einem thermischen Problem führt, das sich von der einfachen Kühlung eines herkömmlichen Servers unterscheidet.

Mit zunehmender Rackleistung muss das Kühlsystem mehr Wärme abführen, ohne dass sich die Bauteiltemperaturen außerhalb ihres vorgesehenen Betriebsbereichs bewegen können.

Flüssigkeit ist attraktiv, weil wasserbasierte Kühlmittel deutlich mehr Wärme pro Volumeneinheit transportieren können als Luft.

Dies bedeutet, dass das Kühlsystem eine große Menge an thermischer Energie durch relativ kompakte Fluidwege bewegen kann.

3. Die grundlegende Direct-to-Chip Kühlschleife

Ein vereinfachtes Direct-to-Chip Flüssigkeitskühlsystem kann wie folgt dargestellt werden:

Die genaue Architektur variiert von einem Rechenzentrum zum anderen, aber das Prinzip bleibt das gleiche: Kühlmittel zirkuliert durch den Wärmeweg und leitet Wärme von der Computerhardware ab.

4. Was macht die CDU?

CDU steht für Kühlmittelverteilungseinheit.

Die CDU ist eine wichtige Schnittstelle zwischen der Anlagenkühlinfrastruktur und dem Technologiekühlkreislauf.

Abhängig von der Systemarchitektur kann die CDU Funktionen wie:

• Kühlkreislauf
• Temperaturmanagement
• Druckmanagement
• Flussverteilung
• Wärmeaustausch
• Systemüberwachung

In manchen Anlagen werden die Anlagenwasser- und IT-seitige Kühlmittel in getrennten Kreisläufen gehalten, wobei die CDU die thermische Schnittstelle zwischen diesen Kreisläufen bildet.

Diese Anordnung gibt dem IT-Kühlkreislauf eine kontrollierte Umgebung, die den Anforderungen der Server entspricht.

5. Was macht eine kalte Platte?

Die Kühlplatte ist direkt an oder sehr nahe an der wärmeerzeugenden Komponente positioniert.

Für die GPU-Kühlung ist die Kühlplatte so ausgelegt, dass sie Wärmeenergie von der GPU erhält und in das Kühlmittel überträgt, das durch seine internen Kanäle fließt.

Die Kühlplatte stellt somit den Punkt dar, an dem Wärme in den Flüssigkeitskühlkreislauf eintritt.

Seine Leistung hängt von seinem internen Design, dem Kühlmittelfluss, der thermischen Schnittstelle und den Betriebsbedingungen ab.

6. Wo passt der flüssige Kühlschlauch?

Der Schlauch verbindet die verschiedenen Teile des Kühlkreislaufs.

Je nach Architektur können Schläuche verwendet werden zwischen:

• CDU und Mannigfaltigkeit
• Manifold und Server
• Server und Kühlplatte
• Kühlplatte und Rücklaufverteiler

Dies macht den Schlauch zu einer flexiblen Verbindung zwischen ansonsten starren Komponenten.

In einem dichten KI-Rack kann diese Flexibilität wertvoll sein, da der verfügbare Routing-Raum begrenzt ist.

7. Warum flexibles Routing wichtig ist

Innerhalb eines AI-Server-Racks teilen sich Kühlkomponenten den Raum mit der elektrischen und mechanischen Infrastruktur.

Ein Schlauch muss möglicherweise herumführen:

• GPU-Trays
• Kalte Platten
• Manifolds
• Rackstrukturen
• Leistungskomponenten
• Elektrische Kabel
• Sonstige Kühlleitungen

Ein Schlauch muss daher flexibel genug für die Installation sein, während er innerhalb seines angegebenen Mindestbiegeradius bleibt.

Bei einem guten Routing geht es nicht nur darum, den Schlauch zu biegen.

Es geht darum, den beabsichtigten Strömungsweg beizubehalten, ohne unnötige mechanische Spannungen zu erzeugen.

8. Was passiert in einem flüssigen Kühlschlauch?

Ein verstärkter Flüssigkeitskühlschlauch kann mehrere Funktionsschichten enthalten.

Das Innenrohr kontaktiert das Kühlmittel.

Die Verstärkung bietet mechanische Unterstützung und kann die Druckfähigkeit erhöhen.

Die äußere Schicht schützt den Schlauch vor der Umgebung.

Die tatsächliche Konstruktion hängt von der Schlauchkonstruktion und der beabsichtigten Anwendung ab.

9. Warum ist Schlauchmaterial wichtig?

Das innere Schlauchmaterial steht über längere Zeit in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel.

Die Materialauswahl sollte daher die tatsächliche Kühlmittelformulierung berücksichtigen und sich nicht nur auf eine allgemeine Beschreibung wie "wasserbasiertes Kühlmittel" verlassen.

Übliche flexible Schlauchmaterialien, die für die Flüssigkeitskühlung in Betracht gezogen werden, umfassen:

• EPDM
• Silikon
• PTFE und andere Fluorpolymere
• Andere anwendungsspezifische Elastomere

EPDM kann eine praktische Option für viele wasserbasierte Kühlanwendungen sein, bei denen Flexibilität und mechanische Haltbarkeit wichtig sind.

Silikon kann in Betracht gezogen werden, wo Flexibilität und Temperaturfähigkeit Schlüsselanforderungen sind.

Fluorpolymerschläuche können in Betracht gezogen werden, wenn chemische Verträglichkeit oder spezifische Reinheitsanforderungen anspruchsvoller sind.

10. Wie trägt das Kühlmittel Wärme?

Das Prinzip ist einfach: Das Kühlmittel tritt in die Kühlplatte ein, nimmt Wärme auf und verlässt sie bei höherer Temperatur.

Die Beziehung kann mit der grundlegenden Wärmeübertragungsgleichung beschrieben werden:

Q = ṁ × Cp × ΔT

wobei:

• Q = Wärmeabfuhr
• ṁ = Kühlmittelmassendurchsatz
• Cp = spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels
• ΔT = Kühlmitteltemperaturanstieg

Aus diesem Grund sind Durchflussrate und Kühlmitteleigenschaften für das flüssige Kühldesign von zentraler Bedeutung.

Die tatsächliche Systemberechnung sollte die Eigenschaften des ausgewählten Kühlmittels und die thermischen Anforderungen der Ausrüstung verwenden.

11. Warum ist der Kühlmittelfluss wichtig?

Eine unzureichende Strömung kann die Wärmemenge begrenzen, die das Kühlmittel bei einem gegebenen Temperaturanstieg abführen kann.

Die zunehmende Strömung ist jedoch nicht frei.

Ein höherer Durchfluss kann den hydraulischen Widerstand und die Pumpenanforderungen erhöhen.

Das Kühlsystem benötigt daher ein angemessenes Gleichgewicht zwischen:

• Wärmeabfuhr
• Temperaturanstieg des Kühlmittels
• Durchflussrate
• Druckabfall
• Pumpleistung

Dies ist ein Grund, warum die Auswahl von Flüssigkeitskühlschlauch als Teil des gesamten Hydrauliksystems betrachtet werden muss.

12. Wie beeinflusst der Schlauchdurchmesser den Kühlkreislauf?

Der Innendurchmesser des Schlauches wirkt sich unmittelbar auf den Strömungskanal aus.

Bei gegebener Durchflussmenge erhöht die Verringerung des Innendurchmessers im Allgemeinen die Fluidgeschwindigkeit und den hydraulischen Widerstand.

Bei der Wahl eines Schlauches geht es also nicht nur darum, den Außendurchmesser an eine vorhandene Armatur anzupassen.

Der Innendurchmesser muss aus den hydraulischen Anforderungen des Systems betrachtet werden.

13. Was ist Druckabfall?

Druckabfall ist der Druck, der verloren geht, wenn sich das Kühlmittel durch eine Komponente bewegt.

In einem Flüssigkeitskühlkreislauf kann der Druckverlust von:

• Schläuche
• Armaturen
• UQD
• Manifolds
• Kalte Platten
• Ventile und andere Beschränkungen

Die Pumpe muss genügend Druck bereitstellen, um den erforderlichen Durchfluss durch den gesamten Kreislauf aufrechtzuerhalten.

Aus diesem Grund sind Schlauchdruck-Drop-Daten nützlicher, wenn sie zusammen mit einer definierten Durchflussrate und Testbedingung bereitgestellt werden.

14. Was ist ein UQD in flüssiger Kühlung?

UQD bezeichnet eine Universal Quick Disconnect zur Vereinfachung des An- und Abschaltens von Flüssigkeitskühlleitungen verwendet werden.

UQDs können nützlich sein, wenn Server, Kühlplatten oder andere Kühlkomponenten gewartet oder ersetzt werden müssen.

Eine typische Verbindung kann dargestellt werden als:

Die UQD ist somit sowohl eine mechanische Verbindung als auch Teil des Kühlmittelströmungspfades.

15. Beeinflusst eine UQD die Leistung der flüssigen Kühlung?

Ja.

Die interne Geometrie einer UQD kann hydraulischen Widerstand erzeugen.

Bei der Auswahl einer UQD müssen Ingenieure möglicherweise Folgendes berücksichtigen:

• Durchflusskapazität
• Druckabfall
• Arbeitsdruck
• Temperaturbereich
• Kühlmittelverträglichkeit
• Leckageleistung
• Anschlusszyklen
• Verfügbarer Bauraum

Eine UQD sollte daher als Teil des hydraulischen Designs betrachtet werden und nicht einfach als Anschlussstück, das zufällig in den Schlauch passt.

16. Versorgungsseite und Rückkehrseite

Ein Flüssigkeitskühlsystem enthält normalerweise einen Zufuhrpfad und einen Rückführpfad.

Die Zufuhrseite fördert relativ kühleres Kühlmittel zur Wärmequelle hin.

Die Rücklaufseite führt wärmeres Kühlmittel von der Kühlplatte weg.

Beide Seiten sind wichtig für die Systemleistung.

Der Rücklaufschlauch sollte nicht als Sekundärkomponente behandelt werden, nur weil das Kühlmittel bereits Wärme trägt.

17. Warum ist die Länge des Schlauches wichtig?

Längere Schläuche erzeugen im Allgemeinen mehr Reibungswiderstand.

Wenn Sie einen Schlauch jedoch unnötig kurz machen, kann dies zu Installationsstress führen.

Eine praktikable Schlauchlänge sollte ausreichend sein für:

• Erforderlicher Kurvenradius
• Ausrüstungsbewegung
• Einbautoleranz
• Zugang zur Instandhaltung
• Verbindungsausrichtung

Das Ziel ist nicht der kürzeste mögliche Schlauch.

Das Ziel ist ein richtig geführter Schlauch mit einer angemessenen Länge.

18. Warum ist minimaler Beugungsradius wichtig?

Übermäßiges Biegen kann den Schlauch verformen und den Kühlmittelfluss möglicherweise einschränken.

Es kann auch zusätzliche mechanische Belastung in der Nähe der Armatur oder UQD setzen.

In einem dichten KI-Rack sollte daher der minimale Biegeradius als realer Installationsparameter und nicht als Wert behandelt werden, der nur auf dem Datenblatt existiert.

Beim Systemdesign sollten Ingenieure das tatsächliche dreidimensionale Routing des Schlauchs berücksichtigen.

19. Was ist mit Temperaturänderungen?

Flüssigkeitskühlsysteme arbeiten nicht unbedingt bei einer festen Temperatur.

Die Temperatur kann sich ändern mit:

• IT-Workload
• Kühlmittelstrom
• Anlagenbedingungen
• Systemstart und -abschaltung
• Instandhaltungszyklen

Schlauchmaterial, Verstärkung, Armaturen und Dichtungen sollten alle für den erwarteten Betriebstemperaturbereich geeignet sein.

Für Langzeitanwendungen kann auch Temperaturzyklus relevant sein.

20. Leckagekontrolle ist eine Systemanforderung

Einer der offensichtlichen Unterschiede zwischen Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung ist das Vorhandensein einer zirkulierenden Flüssigkeit innerhalb der Ausrüstungsinfrastruktur.

Das Ziel ist einfach:

Halten Sie das Kühlmittel im entworfenen Strömungsweg.

Zu den potenziellen Leckstellen gehören:

• Schlauchkörper
• Crimped-Verbindung
• Montage
• UQD-Schnittstelle
• Kaltplattenverbindung
• Manifoldverbindung

Aus diesem Grund sollte die komplette Schlauchbaugruppe bei der Validierung berücksichtigt werden.

21. Warum ist Schlauchbau wichtig?

Zwei Schläuche aus ähnlichen Grundmaterialien können sich unterschiedlich verhalten, da ihre Konstruktionen unterschiedlich sind.

Bau kann beeinflussen:

• Arbeitsdruck
• Flexibilität
• Biegeradius
• Mechanische Haltbarkeit
• Formstabilität
• Temperaturverhalten

Für Druckflüssigkeitskühlsysteme kann Verstärkung besonders wichtig sein.

Die richtige Konstruktion hängt von der Anwendung und nicht nur von der Bezeichnung des Elastomers ab.

22. Warum ist der Installationsraum wichtig?

AI Server Racks sind stark eingeschränkte Umgebungen.

Ein Schlauch kann seine Druck- und Temperaturvorgaben erfüllen und dennoch schwierig zu installieren sein, wenn sein Außendurchmesser, seine Einbaulänge oder sein Biegeradius ungeeignet sind.

Ingenieure sollten überprüfen:

• Schlauchaußendurchmesser
• Mindestbogenhalbmesser
• Einbaumaße
• UQD-Abmessungen
• Verbindungsorientierung
• Clearance
• Zugang zur Instandhaltung

In einem dicht gepackten Rack kann die Einbaugeometrie genauso wichtig sein wie die nominalen Schlauchspezifikationen.

23. Wie beeinflusst die Wartung das Schlauchdesign?

KI-Server sind keine dauerhaft unzugänglichen Komponenten.

Server, GPUs und Kühlkomponenten müssen möglicherweise gewartet oder ersetzt werden.

Während der Wartung kann der Schlauch eine Bewegung erfahren, die während des normalen Betriebs nicht auftritt.

Dies macht die folgenden Faktoren wichtig:

• Flexibilität
• Biegeradius
• Zuverlässigkeit der Verbindung
• UQD-Verbindungszyklen
• Länge des Schlauchs
• Mechanischer Schutz

Ein Kühlschlauch sollte daher nicht nur für den stationären Betrieb, sondern auch für die erwarteten Wartungsbedingungen bewertet werden.

24. Flüssigkühlung ist ein System, keine einzelne Komponente

Die Kühlleistung eines KI-Servers hängt von der Interaktion zwischen mehreren Komponenten ab.

Die Optimierung einer Komponente ohne Berücksichtigung der anderen kann zu einer unvollständigen Lösung führen.

25. Was passiert, wenn der Schlauch unterdimensioniert ist?

Ein untermaßiger Schlauch kann die Kühlmittelgeschwindigkeit und den Druckverlust erhöhen.

Je nach System kann dies den Pumpenbedarf erhöhen oder den der Kühlplatte zur Verfügung stehenden Durchfluss reduzieren.

Im Regalmaßstab können diese Effekte wichtiger werden, da mehrere Kühlzweige gleichzeitig arbeiten können.

Die Schlauch-ID sollte daher aus dem erforderlichen Durchfluss- und Systemdruck-Drop-Budget ausgewählt werden.

Was passiert, wenn der Schlauch überdimensioniert ist?

Größer ist nicht automatisch besser.

Ein unnötig großer Schlauch kann zunehmen:

• Einbauraum
• Schweinegewicht
• Biegeradius
• Materialverbrauch
• Abmessungen der Verbindung
• Gesamtsystemkosten

Die entsprechende Schlauchgröße ist diejenige, die die hydraulischen und mechanischen Anforderungen erfüllt, ohne unnötige Installationsprobleme zu verursachen.

27. Wie sollte ein flüssiger Kühlschlauch validiert werden?

Für anspruchsvolle Anwendungen sollte die Validierung die fertige Schlauchbaugruppe berücksichtigen.

Je nach Projekt können relevante Tests Folgendes umfassen:

• Druckprüfung Überprüfen Sie die Druckintegrität.
• Leckageprüfung Überprüfen Sie die Dichtleistung.
• Durchflussprüfung Bestätigen Sie die hydraulische Leistung.
• Drucktropfenprüfung Messen Sie den hydraulischen Widerstand bei definierten Durchflussbedingungen.
• Temperaturprüfung Bewerten Sie die Leistung im gesamten Betriebsbereich.
• Flexibilitätsprüfung Bestätigen Sie die Eignung für das erforderliche Routing.
• Zyklusprüfung - Bewerten Sie wiederholte Verbindung oder Bewegung, wenn erforderlich.

Das erforderliche Testprogramm sollte entsprechend der tatsächlichen Anwendung definiert werden.

28. Eine typische AI Liquid Cooling Architektur

Diese Architektur zeigt, warum der Schlauch mit zunehmender Anzahl von Kühlzweigen ein wichtiger Teil der Gesamtinfrastruktur wird.

29. Warum Schlauchzuverlässigkeit bei Rack Scale wichtig ist

Ein einziger Kühlkreislauf kann mehrere Schlauchpakete enthalten.

Ein Rack kann viele Server enthalten.

Ein Rechenzentrum kann viele Racks enthalten.

Das Ergebnis ist eine Vielzahl einzelner Schlauch- und Anschlussstellen.

Konsistenz ist daher wichtig.

Eine praktische flüssige Kühlschlauchlösung sollte für wiederholbare Herstellung, Installation und Wartung geeignet sein.

30. Wo passt CJAN in das flüssige Kühlsystem?

CJAN konzentriert sich auf den flexiblen Schlauchbereich von Flüssigkeitskühlsystemen.

Das aktuelle Liquid Cooling Portfolio umfasst:

• LCH
• LCH-SD
• LCH-SDS

Diese Produkte können für verschiedene Flüssigkeitskühlanwendungen entsprechend den tatsächlichen Systemanforderungen bewertet werden.

Bei der Auswahl sollte berücksichtigt werden:

• Kühlmittel
• Durchflussrate
• Arbeitsdruck
• Temperatur
• Gruppe ID
• Biegeradius
• Anschlusskonfiguration
• Installationsumgebung

Das Portfolio an flüssigen Kühlschläuchen von CJAN wird daher besser als Teil einer System-Level-Engineering-Lösung verstanden als als eine Gruppe von eigenständigen Schlauchprodukten.

31. LCH, LCH-SD und LCH-SDS in flüssigen Kühlanwendungen

Die endgültige Produktauswahl sollte immer anhand der neuesten CJAN-Produktspezifikationen und der tatsächlichen Betriebsbedingungen des Kunden bestätigt werden.

32. Was sollte ein Ingenieur bei der Auswahl eines Schlauches bieten?

Eine nützliche Flüssigkühlschlauchanfrage sollte die folgenden Informationen enthalten:

Die Bereitstellung dieser Parameter ermöglicht es dem Schlauchlieferanten, eine aussagekräftigere technische Empfehlung abzugeben.

33. Die praktische Flüssigkühlungs-Designsequenz

Eine nützliche Engineering-Sequenz ist:

Dieser Prozess verbindet die thermischen Anforderungen mit den mechanischen Anforderungen des Schlauches.

34. Der Schlauch ist klein, aber die Anforderung ist nicht

Ein flüssiger Kühlschlauch kann im Vergleich zu einer GPU, Kühlplatte oder CDU eine relativ einfache Komponente sein.

Aber es arbeitet an der Schnittstelle mehrerer technischer Anforderungen.

Es muss Kühlmittel zuverlässig transportieren, während es sich in eine eng begrenzte mechanische Umgebung einfügt.

Es muss auch mit den Beschlägen, UQDs, Krümmern und Kühlplatten um ihn herum arbeiten.

Das macht die Schlauchauswahl zu einer systemtechnischen Entscheidung und nicht nur zu einer Kaufentscheidung.

35. Key Takeaway

Die Flüssigkeitskühlung von KI-Rechenzentren funktioniert, indem sie einen kontrollierten Weg für Kühlmittel schafft, um Wärme von Hochleistungsrechenkomponenten zu sammeln und diese Wärme vom Server zu transportieren.

Der grundlegende Prozess ist:

Innerhalb dieser Schleife stellt der flüssige Kühlschlauch die flexible Verbindung zwischen den Systemkomponenten bereit.

Seine Leistung hängt von mehr als nur dem Schlauchmaterial ab.

Durchflussrate, Innendurchmesser, Druckabfall, Temperatur, Kühlmittelverträglichkeit, Biegeradius, Bewehrung, Armaturen und UQD müssen alle zusammen betrachtet werden.

Das zuverlässigste Flüssigkühldesign basiert nicht auf einer "besten" Komponente, sondern auf der Kompatibilität zwischen dem gesamten Kühlkreislauf.

Für KI-Rechenzentren bietet dieser System-Level-Ansatz eine praktische Grundlage für die Gestaltung einer zuverlässigen Flüssigkeitskühlinfrastruktur.

Schlussfolgerung

Die Flüssigkeitskühlung wird immer relevanter, da KI-Computing die thermischen Anforderungen auf Rack-Ebene erhöht.

Das Grundkonzept ist einfach: Bewegen Sie Wärme in eine Flüssigkeit und transportieren Sie sie weg.

Die Umsetzung ist detaillierter.

CDUs verwalten den Kühlkreislauf. Kalte Platten sammeln Wärme von den Prozessoren. Manifolds verteilen Kühlmittel. UQDs bieten funktionsfähige Verbindungen. Flüssige Kühlschläuche verbinden diese Komponenten und ermöglichen es dem System, sich in die physikalischen Bedingungen des Server-Racks einzufügen.

Aus diesem Grund sollte die Gestaltung des flüssigen Kühlschlauchs sowohl aus hydraulischer als auch aus mechanischer Sicht betrachtet werden.

Die LCH-, LCH-SD- und LCH-SDS-Flüssigkühlschlauchfamilien von CJAN können entsprechend den Kühlmittel-, Durchfluss-, Druck-, Temperatur-, Routing- und Anschlussanforderungen der Anwendung bewertet werden.

Für die Kühlung von KI-Rechenzentren ist der richtige Schlauch nicht einfach der, der passt, sondern derjenige, der zum Kühlsystem passt.