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在人工智能飞速发展的当下AI 服务器作为核心支撑作用重大。从互联网智能推荐到医疗疾病诊断辅助从金融风险预测到教育个性化学习AI 服务器广泛应用为各类复杂人工智能应用提供强大算力。
然而AI 服务器在运行时面临着严峻的散热挑战。随着人工智能技术的不断发展对 AI 服务器的计算能力要求越来越高这使得服务器的功率密度急剧增加 。以 GPT-4 的训练为例它需要大量的 GPU 芯片协同工作而这些芯片在运行过程中会产生巨大的热量。据相关数据显示一块英伟达 A100 GPU 功耗为 400 瓦GPT-3 训练用到了 1024 块 A100 芯片而 GPT-4 更攀升至 25000 块 如此庞大的芯片数量和高功耗使得散热问题成为了 AI 服务器运行的关键难题。
传统散热方式难以满足 AI 服务器高散热需求以风冷散热为例靠风扇吹冷空气散热随着 AI 服务器功率密度提升其效率不足还存在噪音大、散热不均等问题。此时散热黑科技至关重要成为保障 AI 服务器稳定运行与提升性能的关键。 风冷技术的局限
在了解 AI 服务器的散热黑科技前先看传统散热方式及其困境。风冷是常见散热方式广泛用于电子设备。其系统由散热器、风扇、散热风道和温度传感器等组成。设备运行产热传导到散热器风扇引入外界空气空气流经散热器吸热后排出实现设备冷却。
AI 服务器发展早期风冷因结构简单、成本低、维护方便能满足一定散热需求。但随着 AI 技术发展AI 服务器功率密度剧增风冷局限性凸显。如主流 AI 服务器内 GPU 芯片多单颗芯片功耗攀升像英伟达 H100 芯片热设计功耗达 700W高功率密度产热多风冷散热能力有限。
风冷散热能耗也高风扇高速运转耗电传统风冷散热数据中心中冷却系统电力能耗占比达 40%仅次于 IT 设备能耗且风机转速超 4000 转时转速增加对散热改善不明显还会增能耗和噪音。
此外风冷散热易在服务器机架和内部产生局部热点。因缺乏合适空气流量控制系统空气流动不均导致部分区域热量难散发形成局部高温影响服务器硬件性能加速硬件老化损坏降低可靠性和稳定性。
对 AI 服务器性能的制约
过热对 AI 服务器性能有多方面制约。硬件性能会下降芯片过热自动降频像深度学习训练时 GPU 芯片过热降频会使计算速度大降拖慢工作效率和项目进度还会影响硬件寿命高温加速芯片内电子元件老化内存、硬盘等硬件性能和寿命也受影响有数据读写错误、数据丢失风险甚至可能引发硬件故障导致数据丢失给依赖 AI 服务器运营关键业务的企业造成巨大经济损失和客户信任危机。 液冷技术散热新宠
面对 AI 服务器散热挑战液冷技术成为散热新宠。它用液体替代空气作冷媒为发热部件换热散热。与传统风冷比液冷有散热效率高、控温精准、温度均匀、噪音低、兼容性强等优势。目前主要有冷板式、浸没式、喷淋式三种液冷类型各有独特工作原理和应用场景。
冷板式液冷兼容性与维护性的优势
冷板式液冷是常见液冷技术工作原理是将液冷冷板固定在 CPU、GPU 等主要发热器件上液体流经冷板带走热量冷板由铜、铝等高导热金属构成冷却液在封闭管路循环将热量散发到外部环境。
冷板式液冷在兼容性和维护性上优势明显。兼容性方面改造成本低无需大规模改造机房及机柜适用服务器部件与风冷一致运维模式、机房承重也和风冷场景基本一致能快速应用于 AI 服务器散热。维护性方面易开展维护设计可在线维护冷却液不与设备直接接触降低液体泄漏损坏设备风险风机转速降低噪声约 70dB比传统风冷噪音明显降低。
在标准高密度数据中心冷板式液冷应用广泛解决了服务器散热问题提高运行效率和可靠性。2021 - 2022 年冷板式液冷数据中心市场占液冷数据中心市场比例超 90%预计 2027 年占比约 89% 未来五年仍将是行业主流。
浸没式液冷超高密度数据中心的首选
浸没式液冷将服务器发热元器件浸没在冷却液中借冷却液对流或相变带走热量按冷却介质是否相变分为单相和双相。单相常用高沸点液体如碳氢化合物、硅基油吸热后保持液态无需气密封装。双相冷却液受热会相变能利用相变潜热高效散热常用氟化液。
浸没式液冷散热效率高能满足超高密度数据中心需求像英伟达 DGX A100 服务器传统风冷难散热浸没式液冷成 “必选”可全方位散热提升服务器性能和可靠性。
不过它也有潜在风险冷却液质量不佳或泄漏会损坏电子元件维护维修较复杂。但随着技术发展问题正逐步解决如研发优质冷却液优化系统设计提升可维护性。
喷淋式液冷特定场景下的应用前景
喷淋式液冷是将冷却液通过喷淋的方式淋在服务器的散热元件上带走服务器产生的热量 。它的原理类似于人工降雨在发热元件上方储液、开孔通过动力设备对发热元件全体喷淋有些沸点低的液体甚至会 “自我牺牲”蒸发带走热量没有被蒸发的液体则顺流回到外部冷却系统降温后准备再次施招 。
喷淋式液冷在特定场景下具有一定的应用前景。它能够实现对服务器所有元件的全面散热散热效果明显提升具有 “AOE 伤害范围散热” 的特点所有元件都能 “雨露均沾” 。在一些对散热要求较高且空间相对较大的场景中喷淋式液冷可以发挥其优势有效地降低服务器的温度。然而喷淋式液冷也面临着一些挑战。目前喷淋式液冷技术的成本相对较高需要投入较大的资金用于设备购置和维护。而且要实现均匀喷淋对设备的设计和调试要求较高需要考验各家的技术功力 。此外喷淋式液冷还可能会出现冷却液飘溢问题影响机房及设备环境需要采取相应的措施加以解决。
数据中心的节能与性能提升 散热黑科技对数据中心节能与性能提升效果显著。该图是我们自主研发的服务器就采用了液冷技术搭载了英伟达4090 24G 显卡和一颗英特尔至强 8352V CPU以及定制的全塔式液冷机箱能耗上传统风冷散热的数据中心冷却系统电力能耗占比达 40%采用这款液冷服务器的数据中心冷却系统能耗大幅降低价格也不贵实现了绿色节能。算力密度上液冷技术使数据中心能容纳更高功率密度服务器超算中心采用液冷技术后单机柜功率密度从 20KW 提升至 40KW 以上满足更多复杂计算任务需求为相关领域发展提供强大算力支持。经济效益上液冷技术等初期投入高但长期运营成本低可减少冷却能耗和服务器硬件损坏率降低维修成本采用液冷技术的数据中心在服务器使用寿命周期内可节省约 30% 运营成本 提升企业竞争力。
