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(jì)自動(dòng)化

引言
高性能計(jì)算，尤其是人工智能和機(jī)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(jì)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(jì)算密度和數(shù)據(jù)管理能力的不斷提高所驅(qū)動(dòng)。然而，這些進(jìn)步也帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是在熱管理方面。
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- k% ]2 h' H* d7 Y圖1展示2024年到2030年數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模的預(yù)計(jì)增長，突顯了該行業(yè)的爆炸性增長。

/ B' N8 [8 {9 |, C/ L) ]隨著計(jì)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(jī)架通常消耗約40千瓦，而下一代系統(tǒng)預(yù)計(jì)每個(gè)機(jī)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?yàn)榧词故悄壳白詈玫慕鉀Q方案，考慮到冷卻限制，也只能管理約66千瓦每機(jī)架。

9 `6 O& c/ X" {9 t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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: d9 `! V; p+ s" i# k2 f圖2說明了數(shù)據(jù)中心功耗的細(xì)分，強(qiáng)調(diào)了熱管理所占的顯著部分。
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3 M' c' |; q6 ]! 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(dòng)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(jì)算需求往往不足。主動(dòng)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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# E( v: g; t, r* L圖3描述了傳統(tǒng)冷卻解決方案，包括被動(dòng)和主動(dòng)方法，強(qiáng)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。

隨著熱設(shè)計(jì)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。
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固態(tài)冷卻技術(shù)簡介
' B8 n& n/ o9 z+ Z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(dòng)和主動(dòng)冷卻方法之間的差距，為熱管理提供了動(dòng)態(tài)方法。
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! W! f9 G3 L: R: k. ?& A( C: F固態(tài)冷卻的主要優(yōu)勢包括：

動(dòng)態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)熱需求，在被動(dòng)和主動(dòng)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(shí)間保持峰值性能。

能源效率：能夠在可能的情況下以被動(dòng)模式運(yùn)行，僅在必要時(shí)啟動(dòng)主動(dòng)冷卻，從而實(shí)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(shí)間。
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7 k% U* l7 @) A6 t7 F# m圖5展示了固態(tài)動(dòng)態(tài)冷卻的概念，說明了如何在被動(dòng)和主動(dòng)模式下運(yùn)行以滿足不同的散熱需求。
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$ l$ E! D; D2 D- d# d/ }實(shí)際應(yīng)用：Hex 2.0 CPU冷卻器
6 m9 C( D  K% P- I* ]- I. _4 h為了說明固態(tài)冷卻的實(shí)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(dòng)和主動(dòng)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(jì)以及被動(dòng)和主動(dòng)冷卻元件的集成。

Hex 2.0有兩種運(yùn)行模式：

被動(dòng)模式：在正常條件下，冷卻器作為傳統(tǒng)散熱器運(yùn)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(shí)，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(dòng)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
. p; Y: F" w* n固態(tài)冷卻的原理可以應(yīng)用于單個(gè)CPU冷卻器之外的領(lǐng)域。這項(xiàng)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(jī)架頂部交換機(jī)

計(jì)算核心

后門冷卻系統(tǒng)
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6 f7 |; Y. r) s1 K' v: F$ c1 m! W0 [通過在整個(gè)數(shù)據(jù)中心實(shí)施固態(tài)冷卻解決方案，運(yùn)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(diǎn)

提高機(jī)架和數(shù)據(jù)中心層面的功率密度
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3 w! `' R! I" f; Z0 [+ ^圖8展示了如何在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的各個(gè)元素中部署固態(tài)冷卻解決方案。
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結(jié)論
1 I+ P  X$ h$ _隨著數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展以滿足高性能計(jì)算和人工智能應(yīng)用的需求，熱管理仍然是一個(gè)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。
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5 g: w$ n( e0 i" Q8 w6 ~- j( F通過在動(dòng)態(tài)、響應(yīng)式系統(tǒng)中結(jié)合被動(dòng)和主動(dòng)冷卻的優(yōu)勢，固態(tài)冷卻技術(shù)使數(shù)據(jù)中心能夠：

最大化計(jì)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

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(jì)算技術(shù)的全部潛力起重要作用，同時(shí)保持可持續(xù)和高效的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營。

7 U  @& Q1 n0 h# S8 Q: ^2 x參考文獻(xiàn)
[1] J. Edwards, "Datacenters: Explosive Growth Meets Thermal Consequences Power & Potential of Solid State Cooling," Phononic, Aug. 25, 2024.
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