Comment fonctionne le refroidissement liquide dans les centres de données AI?

Les serveurs AI changent la façon dont les centres de données pensent à la chaleur.

À mesure que les systèmes GPU et accélérateur deviennent plus puissants, plus de chaleur est concentrée à l'intérieur du même support. Le refroidissement de l'air traditionnel peut encore supporter de nombreuses charges de travail, mais l'infrastructure d'IA haute densité nécessite de plus en plus un moyen plus direct de déplacer la chaleur loin de l'électronique.

Le refroidissement liquide permet de résoudre ce problème en utilisant un liquide de refroidissement circulant pour recueillir de la chaleur près de la source et le transporter à travers une boucle de refroidissement dédiée.

Au niveau de base, le processus est simple :

Le défi d'ingénierie réside dans la fiabilité de chaque partie de cette boucle.

Pour la partie flexible du système, le tuyau de refroidissement liquide est un petit composant avec un travail très important. Il doit transporter le liquide de refroidissement tout en traitant la pression, les changements de température, l'acheminement serré, les vibrations et l'entretien répété.

1. Qu'est-ce que le refroidissement liquide dans un centre de données AI?

Le refroidissement liquide est une méthode de gestion thermique qui utilise un liquide de refroidissement pour transporter la chaleur loin de l'équipement électronique.

Dans un serveur AI, les sources de chaleur primaires sont souvent des GPU, des CPU ou d'autres accélérateurs à haute performance.

Au lieu de transférer la majeure partie de cette chaleur dans l'air ambiant, un système de refroidissement liquide place une interface de refroidissement à proximité du composant générateur de chaleur.

Dans le refroidissement direct à la puce, cette interface est généralement une plaque froide.

Le liquide de refroidissement traverse la plaque froide, absorbe la chaleur et quitte ensuite le serveur par le côté de retour du circuit de refroidissement.

2. Pourquoi le refroidissement liquide est-il important pour les serveurs AI?

La principale raison est la densité de chaleur.

Les systèmes informatiques d'IA peuvent placer une capacité de traitement importante dans un espace physique relativement petit, ce qui crée un problème thermique différent du simple refroidissement d'un serveur conventionnel.

Au fur et à mesure que la puissance du rack augmente, le système de refroidissement doit éliminer plus de chaleur sans permettre aux températures des composants de se déplacer en dehors de la plage de fonctionnement prévue.

Le liquide est attrayant car les réfrigérants à base d'eau peuvent transporter beaucoup plus de chaleur par unité de volume que l'air.

Cela signifie que le système de refroidissement peut déplacer une grande quantité d'énergie thermique par des voies fluides relativement compactes.

3. La boucle de refroidissement de base directe à la puce

Un système simplifié de refroidissement des liquides à puces peut être représenté comme suit:

L'architecture exacte varie d'un centre de données à l'autre, mais le principe reste le même : le liquide de refroidissement circule à travers le chemin thermique et transporte la chaleur loin du matériel informatique.

4. Que fait la CDU?

CDU signifie Unité de distribution du liquide de refroidissement.

Le CDU est une interface importante entre l'infrastructure de refroidissement des installations et la boucle de refroidissement technologique.

Selon l'architecture du système, le CDU peut fournir des fonctions telles que :

• Circulation du liquide de refroidissement
• Gestion de la température
• Gestion de la pression
• Distribution des flux
• Échange de chaleur
• Surveillance du système

Dans certaines installations, l'eau de l'installation et le liquide de refroidissement côté TI sont conservés dans des circuits séparés.

Cet arrangement donne à la boucle de refroidissement informatique un environnement contrôlé adapté aux besoins des serveurs.

5. Que fait une plaque froide?

La plaque froide est placée directement à ou très près du composant générateur de chaleur.

Pour le refroidissement GPU, la plaque froide est conçue pour recevoir l'énergie thermique du GPU et la transférer dans le liquide de refroidissement qui traverse ses canaux internes.

La plaque froide représente donc le point où la chaleur entre dans la boucle de refroidissement liquide.

Sa performance dépend de sa conception interne, de son débit de liquide de refroidissement, de son interface thermique et de ses conditions de fonctionnement.

6. Où s'adapte le tuyau de refroidissement liquide?

Le tuyau relie les différentes parties du circuit de refroidissement.

Selon l'architecture, des tuyaux peuvent être utilisés entre:

• CDU et collecteur
• Manifold et serveur
• Serveur et plaque froide
• Plaque froide et collecteur de retour

Cela fait du tuyau un lien flexible entre des composants par ailleurs rigides.

Dans un rack d'IA dense, cette flexibilité peut être précieuse parce que l'espace de routage disponible est limité.

7. Pourquoi le routage flexible compte

À l'intérieur d'un porte-serveur AI, les composants de refroidissement partagent l'espace avec l'infrastructure électrique et mécanique.

Un tuyau peut devoir circuler autour:

• Plateaus GPU
• Plaques froides
• Feuilles
• Structures des racks
• Composants électriques
• Câbles électriques
• Autres lignes de refroidissement

Un tuyau doit donc être suffisamment souple pour être installé tout en restant dans son rayon de courbure minimal spécifié.

Un bon routage ne consiste pas simplement à faire plier le tuyau.

Il s'agit de maintenir la trajectoire d'écoulement prévue sans créer de contraintes mécaniques inutiles.

8. Qu'arrive-t-il à l'intérieur d'un tuyau de refroidissement liquide?

Un tuyau de refroidissement liquide renforcé peut contenir plusieurs couches fonctionnelles.

Le tube intérieur contacte le liquide de refroidissement.

Le renforcement fournit un support mécanique et peut augmenter la capacité de pression.

La couche externe protège le tuyau de l'environnement environnant.

La construction réelle dépend de la conception du tuyau et de l'application prévue.

9. Pourquoi la matière du tuyau?

Le matériau du tuyau intérieur est en contact direct avec le liquide de refroidissement pendant de longues périodes.

Le choix du matériau devrait donc tenir compte de la formulation du liquide de refroidissement plutôt que de s'appuyer uniquement sur une description générale telle que le « liquide de refroidissement à base d'eau ».

Les matériaux flexibles communs considérés pour le refroidissement liquide comprennent:

• EPDM
• Silicone
• PTFE et autres fluoropolymères
• Autres élastomères spécifiques à l'application

EPDM peut être une option pratique pour de nombreuses applications de refroidissement à base d'eau où la flexibilité et la durabilité mécanique sont importantes.

La silicone peut être considérée lorsque la flexibilité et la capacité de température sont des exigences essentielles.

Les tuyaux en fluoropolymère peuvent être considérés lorsque la compatibilité chimique ou les exigences spécifiques de propreté sont plus exigeantes.

10. Comment le liquide de refroidissement transporte-t-il la chaleur?

Le principe est simple : le liquide de refroidissement entre dans la plaque froide, absorbe la chaleur et part à une température plus élevée.

La relation peut être décrite à l'aide de l'équation de base du transfert de chaleur:

Cp × ΔT

où:

• Q = chaleur enlevée
• ṁ = débit massique du liquide de refroidissement
• Cp = capacité thermique spécifique du liquide de refroidissement
• ΔT = augmentation de la température du liquide de refroidissement

C'est pourquoi le débit et les propriétés du liquide sont au centre de la conception du refroidissement.

Le calcul du système réel doit utiliser les propriétés du liquide de refroidissement sélectionné et les exigences thermiques de l'équipement.

11. Pourquoi le débit de liquide de refroidissement est-il important?

Un débit insuffisant peut limiter la quantité de chaleur que le liquide de refroidissement peut emporter pour une élévation de température donnée.

Cependant, l'augmentation du débit n'est pas libre.

Un débit plus élevé peut augmenter la résistance hydraulique et les exigences de la pompe.

Le système de refroidissement a donc besoin d'un équilibre approprié entre:

• Élimination de la chaleur
• Augmentation de la température du liquide de refroidissement
• Débit
• Perte de pression
• Puissance de pompage

C'est une des raisons pour lesquelles le choix du tuyau de refroidissement liquide doit être considéré comme faisant partie du système hydraulique complet.

12. Comment le diamètre du tuyau affecte-t-il la boucle de refroidissement?

Le diamètre intérieur du tuyau affecte directement le passage du flux.

Pour un débit donné, la réduction du diamètre interne augmente généralement la vitesse du fluide et la résistance hydraulique.

Le choix d'un tuyau n'est donc pas simplement une question de rapporter le diamètre extérieur à un raccord disponible.

Le diamètre intérieur doit être pris en compte à partir des prescriptions hydrauliques du système.

13. Qu'est-ce que la chute de pression?

La chute de pression est la pression perdue lorsque le liquide de refroidissement traverse un composant.

Dans une boucle de refroidissement liquide, la perte de pression peut provenir:

• Oiseaux
• Accessoires
• UQD
• Feuilles
• Plaques froides
• Valves et autres restrictions

La pompe doit fournir une pression suffisante pour maintenir le débit requis à travers le circuit complet.

Pour cette raison, les données de chute de pression du tuyau sont plus utiles lorsqu'elles sont fournies avec un débit défini et une condition d'essai.

14. Qu'est-ce qu'un QU dans le refroidissement liquide?

L'UQD se réfère à une Débranchement rapide universel utilisé pour simplifier la connexion et la déconnexion des conduites de refroidissement liquide.

Les QUQ peuvent être utiles lorsque des serveurs, des plaques froides ou d'autres composants de refroidissement doivent être entretenus ou remplacés.

Une connexion typique peut être représentée par:

L'UQD est donc à la fois une connexion mécanique et une partie du circuit de refroidissement.

15. Est-ce qu'un QU affecte la performance de refroidissement liquide?

Oui.

La géométrie interne d'un UQD peut créer une résistance hydraulique.

Lors de la sélection d'un QU, les ingénieurs peuvent avoir à considérer:

• Capacité de débit
• Perte de pression
• Pression de travail
• Plage de température
• Compatibilité du liquide de refroidissement
• Performance de fuite
• Cycles de connexion
• Espace d'installation disponible

Un URQD doit donc être considéré comme faisant partie de la conception hydraulique plutôt que simplement comme un connecteur qui s'adapte au tuyau.

16. Côté alimentation et côté retour

Un système de refroidissement liquide contient normalement un chemin d'alimentation et un chemin de retour.

Le côté d'alimentation fournit un liquide de refroidissement relativement frais vers la source de chaleur.

Le côté retour transporte un liquide de refroidissement plus chaud loin de la plaque froide.

Les deux côtés sont importants pour la performance du système.

Le tuyau de retour ne doit pas être traité comme un composant secondaire simplement parce que le liquide de refroidissement transporte déjà de la chaleur.

17. Pourquoi la longueur du tuyau est - elle importante?

Les tuyaux plus longs créent généralement plus de résistance au frottement.

Cependant, faire un tuyau inutilement court peut créer une contrainte d'installation.

Une longueur pratique du tuyau devrait prévoir une marge suffisante pour:

• Rayon de virage requis
• Mouvement du matériel
• Tolérance d'installation
• Accès à l'entretien
• Alignement des connexions

L'objectif n'est pas le tuyau le plus court possible.

L'objectif est un tuyau correctement orienté avec une longueur appropriée.

18. Pourquoi le rayon de courbure minimal est - il important?

Une flexion excessive peut déformer le tuyau et limiter potentiellement le débit du liquide de refroidissement.

Il peut également placer une contrainte mécanique supplémentaire près du raccord ou de l'UQD.

Dans un rack d'IA dense, le rayon de virage minimal devrait donc être traité comme un paramètre d'installation réel plutôt qu'une valeur qui n'existe que sur la feuille de données.

Lors de la conception du système, les ingénieurs devraient tenir compte de l'itinéraire tridimensionnel réel du tuyau.

19. Qu'en est - il des changements de température?

Les systèmes de refroidissement liquide ne fonctionnent pas nécessairement à une température fixe.

La température peut changer avec:

• Charge de travail informatique
• Débit du liquide de refroidissement
• Conditions d'installation
• Démarrage et arrêt du système
• Cycles d'entretien

Le matériau du tuyau, le renforcement, les raccords et les joints doivent tous être adaptés à la plage de température de fonctionnement prévue.

Pour les applications à long terme, le cycle de température peut également être pertinent.

20. Le contrôle des fuites est une exigence du système

L'une des différences évidentes entre le refroidissement par air et le refroidissement par liquide est la présence d'un fluide circulant à l'intérieur de l'infrastructure de l'équipement.

L'objectif est simple:

Conserver le liquide de refroidissement à l'intérieur du circuit d'écoulement prévu.

Les points de fuite potentiels comprennent :

• Corps du tuyau
• Connexion encastrée
• Montage
• Interface UQD
• Raccordement à froid
• Connexion manifold

C'est pourquoi l'ensemble complet du tuyau doit être pris en compte lors de la validation.

21. Pourquoi la construction est-elle importante?

Deux tuyaux fabriqués à partir de matériaux de base similaires peuvent se comporter différemment parce que leurs constructions sont différentes.

La construction peut influencer :

• Pression de travail
• Flexibilité
• Rayon de courbure
• Durabilité mécanique
• Stabilité dimensionnelle
• Efficacité de la température

Pour les systèmes de refroidissement liquide sous pression, le renforcement peut être particulièrement important.

La construction correcte dépend de l'application plutôt que simplement du nom de l'élastomère.

22. Pourquoi l'installation de l'espace est-elle importante?

Les racks de serveur AI sont des environnements très limités.

Un tuyau peut satisfaire à ses spécifications de pression et de température et être encore difficile à installer si son diamètre extérieur, sa longueur de montage ou son rayon de courbure ne conviennent pas.

Les ingénieurs doivent vérifier :

• Diamètre extérieur du tuyau
• Rayon de virage minimal
• Dimensions de montage
• Dimensions UQD
• Orientation de la connexion
• Liquidation
• Accès à l'entretien

Dans un rack densément emballé, la géométrie de l'installation peut être tout aussi importante que les spécifications du tuyau nominal.

23. Comment la maintenance affecte-t-elle la conception du tuyau?

Les serveurs AI ne sont pas des composants inaccessibles en permanence.

Les serveurs, les GPU et les composants de refroidissement peuvent devoir être entretenus ou remplacés.

Pendant l'entretien, le tuyau peut subir des mouvements qui ne se produisent pas pendant le fonctionnement normal.

Cela rend les facteurs suivants importants :

• Flexibilité
• Rayon de courbure
• Fiabilité de la connexion
• Cycles de connexion UQD
• Longueur du tuyau
• Protection mécanique

Un tuyau de refroidissement devrait donc être évalué non seulement pour le fonctionnement en conditions stabilisées, mais aussi pour les conditions d'entretien qu'il devrait connaître.

24. Le refroidissement liquide est un système, pas un seul composant

La performance de refroidissement d'un serveur AI dépend de l'interaction entre plusieurs composants.

Optimiser un composant sans tenir compte des autres peut produire une solution incomplète.

25. Qu'arrive - t - il quand le tuyau est sous - dimensionné?

Un tuyau sous-dimensionné peut augmenter la vitesse du liquide de refroidissement et la perte de pression.

Selon le système, cela peut augmenter les exigences de la pompe ou réduire le débit disponible pour la plaque froide.

À l'échelle du rack, ces effets peuvent devenir plus importants parce que plusieurs branches de refroidissement peuvent fonctionner simultanément.

Il convient donc de choisir l'identifiant de tuyau à partir du débit requis et du budget de chute de pression du système.

26. Qu'arrive - t - il quand le tuyau est surdimensionné?

Plus grand n'est pas automatiquement mieux.

Un tuyau inutilement gros peut augmenter:

• Espace d'installation
• Poids du tuyau
• Rayon de courbure
• Consommation de matériaux
• Dimensions de connexion
• Coût global du système

Le tuyau approprié est celui qui répond aux exigences hydrauliques et mécaniques sans créer de problèmes d'installation inutiles.

27. Comment doit-on valider un tuyau de refroidissement liquide?

Pour les applications exigeantes, la validation doit tenir compte de l'assemblage du tuyau fini.

Selon le projet, les essais pertinents peuvent comprendre:

• Essai de pression – Vérifier l'intégrité de la pression.
• Essais de fuite – Vérifier les performances d'étanchéité.
• Essai de débit – Confirmer les performances hydrauliques.
• Essai de chute de pression – Mesurer la résistance hydraulique dans des conditions d'écoulement définies.
• Essai de température – Évaluer les performances dans toute la gamme d'exploitation.
• Essais de flexibilité – Confirmer l'aptitude pour le routage requis.
• Essais de cycle – Évaluer les connexions ou les mouvements répétés au besoin.

Le programme d'essai requis devrait être défini en fonction de la demande réelle.

28. Une architecture typique de refroidissement liquide AI

Cette architecture illustre pourquoi le tuyau devient une partie importante de l'infrastructure globale à mesure que le nombre de branches de refroidissement augmente.

29. Pourquoi la fiabilité du tuyau compte-t-elle à l'échelle du rack

Une seule boucle de refroidissement peut contenir plusieurs flexibles.

Un rack peut contenir de nombreux serveurs.

Un centre de données peut contenir de nombreux racks.

Il en résulte un grand nombre de tuyaux individuels et de points de raccordement.

La cohérence est donc importante.

Une solution pratique de tuyau de refroidissement liquide doit être adaptée à la fabrication, à l'installation et à l'entretien répétables.

30. Où CJAN s'adapte-t-il au système de refroidissement liquide?

CJAN se concentre sur la partie flexible des systèmes de refroidissement liquide.

Le portefeuille de refroidissement liquide actuel comprend:

• LCH
• LCH-SD
• LCH-SDS

Ces produits peuvent être évalués pour différentes applications de refroidissement liquide selon les exigences réelles du système.

La sélection appropriée devrait tenir compte:

• Refroidisseur
• Débit
• Pression de travail
• Température
• Identification du tuyau
• Rayon de courbure
• Configuration de connexion
• Environnement d'installation

Le portefeuille de tuyaux de refroidissement liquide de CJAN est donc mieux compris comme faisant partie d'une solution d'ingénierie au niveau du système que comme un groupe de produits de tuyaux autonomes.

31. LCH, LCH-SD et LCH-SDS dans les applications de refroidissement liquide

La sélection finale des produits doit toujours être confirmée en fonction des dernières spécifications du produit CJAN et des conditions d'exploitation réelles du client.

32. Que devrait fournir un ingénieur pour choisir un tuyau?

Une enquête utile sur les tuyaux de refroidissement liquide devrait comprendre les renseignements suivants :

Ces paramètres permettent au fournisseur de tuyaux de faire une recommandation technique plus significative.

33. La séquence pratique de refroidissement liquide

Une séquence d'ingénierie utile est:

Ce procédé relie les exigences thermiques aux exigences mécaniques du tuyau.

34. Le tuyau est petit, mais l'exigence n'est pas

Un tuyau de refroidissement liquide peut sembler être un composant relativement simple par rapport à un GPU, une plaque froide ou un CDU.

Mais il fonctionne à l'intersection de plusieurs exigences techniques.

Il doit transporter le liquide de refroidissement de manière fiable tout en s'installant dans un environnement mécanique très serré.

Il doit également travailler avec les raccords, les UQD, les collecteurs et les plaques froides autour.

Cela fait de la sélection des tuyaux une décision d'ingénierie plutôt qu'une simple décision d'achat.

35. Prise en charge des clés

Le refroidissement liquide du centre de données AI fonctionne en créant un chemin contrôlé pour le liquide de refroidissement afin de recueillir la chaleur des composants informatiques de haute puissance et de transporter cette chaleur loin du serveur.

Le processus de base est :

Dans cette boucle, le tuyau de refroidissement liquide assure la connexion flexible entre les composants du système.

Sa performance dépend de plus que le matériau du tuyau seul.

Le débit, le diamètre intérieur, la chute de pression, la température, la compatibilité du liquide de refroidissement, le rayon de courbure, le renforcement, les raccords et les UQD doivent tous être considérés ensemble.

La conception de refroidissement liquide la plus fiable n'est pas construite autour d'un composant "meilleur".

Pour les centres de données AI, cette approche au niveau du système fournit une base pratique pour concevoir une infrastructure de refroidissement liquide fiable.

Conclusion

Le refroidissement liquide devient de plus en plus pertinent à mesure que le calcul de l'IA pousse les exigences thermiques au niveau du rack.

Le concept de base est simple : déplacer la chaleur dans un liquide et la transporter.

La mise en œuvre est plus détaillée.

Les CDU gèrent la boucle de refroidissement. Les plaques froides collectent la chaleur des processeurs. Les Manifolds distribuent le liquide de refroidissement. Les UQD fournissent des connexions utilisables.

Pour cette raison, la conception du tuyau de refroidissement liquide doit être envisagée du point de vue hydraulique et mécanique.

Les gammes de tuyaux de refroidissement liquide LCH, LCH-SD et LCH-SDS de CJAN peuvent être évaluées en fonction du liquide de refroidissement, du débit, de la pression, de la température, de l'acheminement et du raccordement requis par l'application.

Pour le refroidissement du centre de données AI, le tuyau droit n'est pas simplement celui qui convient.