Hot Chips 2024 | 數(shù)據(jù)中心固態(tài)冷卻技術(shù)應(yīng)對(duì)爆炸性增長(zhǎng)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(jí)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)全球市場(chǎng)規(guī)模將從2024年的3018億美元增長(zhǎng)到2030年的6224億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為10%。這種增長(zhǎng)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(lái)了新的挑戰(zhàn)，特別是在熱管理方面。

5 l$ W6 d, k! c/ z) H2 X# U圖1展示2024年到2030年數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模的預(yù)計(jì)增長(zhǎng)，突顯了該行業(yè)的爆炸性增長(zhǎng)。

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(lái)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。
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有效的熱管理對(duì)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。

% r* K% I5 B( B0 A6 A; I/ a圖2說(shuō)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 a- P4 L- @/ W/ B4 |2 _0 D傳統(tǒng)冷卻解決方案的局限性
& j( \' K3 {: i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(duì)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(jí)所需的精確度，并可能消耗過(guò)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(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。
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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(lái)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(wèn)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(shì)。

, u- X1 O5 m- `, Y  X3 Z4 f固態(tài)冷卻技術(shù)簡(jiǎn)介
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(duì)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。

" e" Q, ~: o* Z) i固態(tài)冷卻的主要優(yōu)勢(shì)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(wú)縫切換。

性能提升：通過(guò)防止熱降頻，固態(tài)冷卻允許處理器長(zhǎng)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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圖5展示了固態(tài)動(dòng)態(tài)冷卻的概念，說(shuō)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。

實(shí)際應(yīng)用：Hex 2.0 CPU冷卻器
1 K, n: k/ m/ d- [4 T" I為了說(shuō)明固態(tài)冷卻的實(shí)際應(yīng)用，讓我們來(lái)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。
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) z' S4 A; Z0 S8 ^) q& \- ?! oHex 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(guò)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(guò)輔助散熱器提供額外的冷卻能力。
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0 C* `4 u0 `2 K3 o' `9 b0 y- E6 W這種動(dòng)態(tài)方法使Hex 2.0的性能超過(guò)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(duì)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(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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通過(guò)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(yíng)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(zhǎng)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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2 k+ u1 ?3 j/ E! P2 U$ N( K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
+ v/ k9 p& s; h# `) _) {7 l( q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(duì)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心復(fù)雜熱景觀所需的靈活性和效率。

* j; F2 _1 [0 y通過(guò)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(shì)，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(jì)算性能

提高能源效率

延長(zhǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的壽命

為未來(lái)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(duì)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(yíng)。

/ |6 y( x: k6 g) C* H5 l4 Y& ?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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