Hot Chips 2024 | 數(shù)據(jù)中心固態(tài)冷卻技術(shù)應(yīng)對爆炸性增長的熱管理創(chuàng)新

逍遙設(shè)計自動化

引言
高性能計算，尤其是人工智能和機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的功率密度和熱量產(chǎn)生顯著增加。本文探討現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心面臨的熱管理難題，并介紹創(chuàng)新解決方案：固態(tài)冷卻技術(shù)[1]。
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熱管理難題
數(shù)據(jù)中心正經(jīng)歷指數(shù)級增長，預(yù)計全球市場規(guī)模將從2024年的3018億美元增長到2030年的6224億美元，年復(fù)合增長率為10%。這種增長由帶寬、計算密度和數(shù)據(jù)管理能力的不斷提高所驅(qū)動。然而，這些進步也帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是在熱管理方面。
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4 Z9 V1 `) a# y( Z圖1展示2024年到2030年數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模的預(yù)計增長，突顯了該行業(yè)的爆炸性增長。

隨著計算能力的提升，處理器產(chǎn)生的熱量也隨之增加。當(dāng)前一代機架通常消耗約40千瓦，而下一代系統(tǒng)預(yù)計每個機架將需要高達(dá)120千瓦。這種三倍的功耗增加帶來了重大的冷卻挑戰(zhàn)，因為即使是目前最好的解決方案，考慮到冷卻限制，也只能管理約66千瓦每機架。
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2 \& A. ]% k1 K! Q7 u0 |/ B有效的熱管理對數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。熱管理約占數(shù)據(jù)中心功耗的40%，是這些設(shè)施總擁有成本（TCO）的關(guān)鍵因素。
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圖2說明了數(shù)據(jù)中心功耗的細(xì)分，強調(diào)了熱管理所占的顯著部分。
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5 U. e  v* G6 W; m6 n傳統(tǒng)冷卻解決方案的局限性
傳統(tǒng)冷卻方法難以跟上現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心不斷增加的熱流密度。被動冷卻技術(shù)，如散熱器和熱管，本質(zhì)上受到環(huán)境溫度的限制，對高性能計算需求往往不足。主動冷卻解決方案，如蒸汽壓縮系統(tǒng)，雖然有效但通常缺乏設(shè)備級所需的精確度，并可能消耗過多電力。
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圖3描述了傳統(tǒng)冷卻解決方案，包括被動和主動方法，強調(diào)了這些方法在解決現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心冷卻需求方面的局限性。

4 A, q+ P( U, _' y# W  x隨著熱設(shè)計功耗（TDP）值的增加，業(yè)界逐漸轉(zhuǎn)向液體冷卻。然而，這種轉(zhuǎn)變也帶來了自身的一系列挑戰(zhàn)，包括基礎(chǔ)設(shè)施改造和潛在的可靠性問題。
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圖4展示了XPU功率與冷卻方法之間的關(guān)系，指出了高TDP值向液體冷卻轉(zhuǎn)變的趨勢。

固態(tài)冷卻技術(shù)簡介
+ H; W5 Q- ?9 K" l4 i固態(tài)冷卻技術(shù)作為一種有前景的解決方案，可以應(yīng)對數(shù)據(jù)中心面臨的熱管理挑戰(zhàn)。這種創(chuàng)新技術(shù)彌合了被動和主動冷卻方法之間的差距，為熱管理提供了動態(tài)方法。

. d# M7 ^) j, D" J8 F: n固態(tài)冷卻的主要優(yōu)勢包括：

動態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)可以根據(jù)實時熱需求，在被動和主動冷卻模式之間無縫切換。

性能提升：通過防止熱降頻，固態(tài)冷卻允許處理器長時間保持峰值性能。

能源效率：能夠在可能的情況下以被動模式運行，僅在必要時啟動主動冷卻，從而實現(xiàn)整體節(jié)能。

靈活性：固態(tài)冷卻解決方案可以集成到現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中，減少資本支出和部署時間。
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圖5展示了固態(tài)動態(tài)冷卻的概念，說明了如何在被動和主動模式下運行以滿足不同的散熱需求。
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% R8 A1 I% y  [0 r實際應(yīng)用：Hex 2.0 CPU冷卻器
3 u* X" _( c" Y- Q3 s& r4 W( X為了說明固態(tài)冷卻的實際應(yīng)用，讓我們來看看Phononic公司開發(fā)的Hex 2.0 CPU冷卻器。這種創(chuàng)新的冷卻器在緊湊的92毫米外形中結(jié)合了被動和主動冷卻技術(shù)。
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圖6展示了Hex 2.0 CPU冷卻器，展示了其緊湊設(shè)計以及被動和主動冷卻元件的集成。

Hex 2.0有兩種運行模式：

被動模式：在正常條件下，冷卻器作為傳統(tǒng)散熱器運行，通過主散熱器有效散熱。

導(dǎo)熱模式：當(dāng)CPU處于壓力下并產(chǎn)生更多熱量時，熱電元件激活，通過輔助散熱器提供額外的冷卻能力。
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這種動態(tài)方法使Hex 2.0的性能超過了許多傳統(tǒng)冷卻解決方案，包括一些外形更大的液體冷卻系統(tǒng)。
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圖7展示了Hex 2.0與其他冷卻解決方案的性能對比，展示了其優(yōu)越的冷卻效率。
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數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛應(yīng)用
固態(tài)冷卻的原理可以應(yīng)用于單個CPU冷卻器之外的領(lǐng)域。這項技術(shù)有潛力徹底改變數(shù)據(jù)中心各種組件的冷卻方式，包括：
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機架頂部交換機

計算核心

后門冷卻系統(tǒng)

' D; O' T; R7 `% Z通過在整個數(shù)據(jù)中心實施固態(tài)冷卻解決方案，運營商可以：

穩(wěn)定光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的頻率

消除CPU/GPU的降頻

提高現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的潛力

延長組件的使用壽命

平滑熱點

提高機架和數(shù)據(jù)中心層面的功率密度



圖8展示了如何在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的各個元素中部署固態(tài)冷卻解決方案。

結(jié)論
* e; _; a$ Y' k5 V/ B. f$ D, c隨著數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展以滿足高性能計算和人工智能應(yīng)用的需求，熱管理仍然是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。固態(tài)冷卻提供了一種有前景的解決方案，具備應(yīng)對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心復(fù)雜熱景觀所需的靈活性和效率。

( j7 o* D$ f! L% W通過在動態(tài)、響應(yīng)式系統(tǒng)中結(jié)合被動和主動冷卻的優(yōu)勢，固態(tài)冷卻技術(shù)使數(shù)據(jù)中心能夠：
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最大化計算性能

提高能源效率

延長現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的壽命

為未來功率密度的增加做好準(zhǔn)備
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隨著行業(yè)的發(fā)展，采用固態(tài)冷卻等創(chuàng)新冷卻解決方案將對釋放下一代計算技術(shù)的全部潛力起重要作用，同時保持可持續(xù)和高效的數(shù)據(jù)中心運營。
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參考文獻
[1] J. Edwards, "Datacenters: Explosive Growth Meets Thermal Consequences Power & Potential of Solid State Cooling," Phononic, Aug. 25, 2024.
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