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

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引言
高性能計算，尤其是人工智能和機器學習領域的飛速發(fā)展，導致數(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[1]。

熱管理難題
數(shù)據(jù)中心正經(jīng)歷指數(shù)級增長，預計全球市場規(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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! d7 e5 }" T5 J) f) R- {8 v圖1展示2024年到2030年數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模的預計增長，突顯了該行業(yè)的爆炸性增長。

; @) u' r: Y& ?6 F/ N$ a隨著計算能力的提升，處理器產(chǎn)生的熱量也隨之增加。當前一代機架通常消耗約40千瓦，而下一代系統(tǒng)預計每個機架將需要高達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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有效的熱管理對數(shù)據(jù)中心至關重要。熱管理約占數(shù)據(jù)中心功耗的40%，是這些設施總擁有成本（TCO）的關鍵因素。
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6 p9 {0 O: y* l3 [/ D/ J圖2說明了數(shù)據(jù)中心功耗的細分，強調(diào)了熱管理所占的顯著部分。

7 @5 c% z; A7 D+ V1 Z傳統(tǒng)冷卻解決方案的局限性
8 m: u- w2 @& G5 w& m# 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。被動冷卻技術，如散熱器和熱管，本質上受到環(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備級所需的精確度，并可能消耗過多電力。
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  ^" i  k5 X+ z8 z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。

* Z8 |2 i2 U& v2 F9 A# k0 T隨著熱設計功耗（TDP）值的增加，業(yè)界逐漸轉向液體冷卻。然而，這種轉變也帶來了自身的一系列挑戰(zhàn)，包括基礎設施改造和潛在的可靠性問題。
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) O% J; m, ?( l0 s4 M; K7 H圖4展示了XPU功率與冷卻方法之間的關系，指出了高TDP值向液體冷卻轉變的趨勢。
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固態(tài)冷卻技術簡介
. n9 \% i2 L+ `7 L& [固態(tài)冷卻技術作為一種有前景的解決方案，可以應對數(shù)據(jù)中心面臨的熱管理挑戰(zhàn)。這種創(chuàng)新技術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。
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固態(tài)冷卻的主要優(yōu)勢包括：

動態(tài)響應：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)中心基礎設施中，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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實際應用：Hex 2.0 CPU冷卻器
8 J5 ^2 ], j% a為了說明固態(tài)冷卻的實際應用，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毫米外形中結合了被動和主動冷卻技術。
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圖6展示了Hex 2.0 CPU冷卻器，展示了其緊湊設計以及被動和主動冷卻元件的集成。
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1 [1 c  ^4 U/ fHex 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。

導熱模式：當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)。


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)中心基礎設施的廣泛應用
固態(tài)冷卻的原理可以應用于單個CPU冷卻器之外的領域。這項技術有潛力徹底改變數(shù)據(jù)中心各種組件的冷卻方式，包括：

機架頂部交換機

計算核心

后門冷卻系統(tǒng)

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)定光學網(wǎng)絡的頻率

消除CPU/GPU的降頻

提高現(xiàn)有基礎設施的潛力

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

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

結論
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用的需求，熱管理仍然是一個關鍵挑戰(zhàn)。固態(tài)冷卻提供了一種有前景的解決方案，具備應對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心復雜熱景觀所需的靈活性和效率。

' O) m' [3 Z/ J& N通過在動態(tài)、響應式系統(tǒng)中結合被動和主動冷卻的優(yōu)勢，固態(tài)冷卻技術使數(shù)據(jù)中心能夠：

最大化計算性能

提高能源效率

延長現(xiàn)有基礎設施的壽命

為未來功率密度的增加做好準備
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1 ?8 N& U. x7 G, l( c0 D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。

參考文獻
) ^& n" E9 \( u* ^" [  b[1] J. Edwards, "Datacenters: Explosive Growth Meets Thermal Consequences Power & Potential of Solid State Cooling," Phononic, Aug. 25, 2024.
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