浸入式冷卻（第1部分）：重新定義可靠性標準

由于 AI 和高性能計算 （HPC） 的興起，數據中心工作負載繼續激增，反過(guò)來(lái)，傳統的風(fēng)冷方法正在達到其實(shí)際極限。隨著(zhù)熱負荷的增加和密度要求的擴大，數據中心運營(yíng)商正在尋找新的熱量管理方法。浸入式冷卻已成為一條前景廣闊的發(fā)展道路。

然而，這種轉變暴露了該行業(yè)在定義和測試組件可靠性方面的巨大差距。為風(fēng)冷環(huán)境制定的標準從來(lái)都不是為了預測材料在完全浸沒(méi)在介電流體中時(shí)的行為。鑒于架構設計和性能的新要求，老化模型、故障模式，甚至有關(guān)組件耐用性的基本假設等關(guān)鍵因素都需要重新思考。

這種演變正在重塑數據中心運營(yíng)商評估組件可靠性的方式。為支持風(fēng)冷系統而制定的標準達到了其目的。但它們必須不斷發(fā)展，以應對沉浸式環(huán)境帶來(lái)的新挑戰。

雖然空氣冷卻標準長(cháng)期以來(lái)一直指導系統規劃，但浸入式冷卻引入了一組不同的老化機制和材料挑戰。為了跟上步伐，工程師和開(kāi)放計算項目 （OCP） 等行業(yè)團體正在合作，根據真實(shí)世界的浸入條件構建測試框架。這種轉變在風(fēng)冷和浸入式冷卻系統之間帶來(lái)了不同的設計和可靠性挑戰（見(jiàn)圖）。

該圖表列出了風(fēng)冷和浸入式冷卻系統之間的設計和可靠性差異。

浸入式冷卻如何解決系統設計挑戰

浸入式冷卻消除了氣流限制，但需要從根本上重新考慮基礎設施、材料選擇和系統設計。傳統的風(fēng)冷系統依賴(lài)于風(fēng)扇和散熱器，在管理組件熱設計功耗 （TDP） 方面面臨著(zhù)越來(lái)越大的挑戰，這些功耗現在通常超過(guò) 300 W，甚至在許多下一代 GPU 和 AI 加速器中超過(guò)了關(guān)鍵的 400 W 閾值。超過(guò)這一點(diǎn)，氣流通常不足以維持安全的工作溫度。

為了彌合這一差距，許多數據中心運營(yíng)商最初轉向冷板冷卻，它通過(guò)將液體直接循環(huán)到最熱的組件來(lái)改善熱傳遞。然而，雖然這種方法比空氣冷卻更好地解決了更高的芯片密度問(wèn)題，但冷板解決方案引入了廣泛的歧管、復雜的機架級熱交換器集成，并增加了機械故障點(diǎn)，包括管道和連接泄漏的風(fēng)險。

隨著(zhù)計算負載的不斷攀升，完全浸沒(méi)（無(wú)論是單相還是雙相）正在成為克服空氣和冷板系統的結構和熱限制的下一步。通過(guò)將服務(wù)器完全浸沒(méi)在介電流體中，浸入式冷卻完全避免了氣流限制。

與傳統的風(fēng)冷部署相比，潛在的節能通常高達 30%，這取決于幾個(gè)因素。這些因素可能包括使用的特定浸入式技術(shù)、基線(xiàn)風(fēng)冷系統的電源使用效率 （PUE）、氣候條件以及 IT 負載的性質(zhì)，從而在最佳條件下提供可能有意義的能源效率提升。盡管如此，實(shí)現這些收益需要的不僅僅是改造現有硬件。

浸入式冷卻改造的挑戰

棕地改造通常面臨嚴重的障礙。許多傳統數據中心使用高架地板，這些地板的設計無(wú)法支撐浸入式槽的重量和密度。升級這些站點(diǎn)通常需要昂貴的結構加固以及添加浸泡所需的系統，例如熱交換器、流體管路和維護通道。

鑒于這些結構和基礎設施挑戰，大多數新的沉浸式擴建都部署在專(zhuān)門(mén)構建的“AI 工廠(chǎng)”環(huán)境中，其中地板支撐、冷卻基礎設施和空間布局專(zhuān)為沉浸式架構而設計。

在新建項目中，浸入式冷卻可以提高機架密度和更好的熱控制，但前提是基礎設施是專(zhuān)為浸沒(méi)式系統構建的。

空氣標準品的局限性

浸入式冷卻具有明顯的熱優(yōu)勢，但也暴露了傳統可靠性框架的局限性。大多數現有標準都是為了模擬材料在空氣中的老化而構建的，在這些條件下，氧化（而不是化學(xué)相互作用）是主要的故障驅動(dòng)因素。

在介電流體內部，氧化速度會(huì )顯著(zhù)減慢。

取而代之的是熱化學(xué)降解（包括潛在的水解、材料膨脹和逐漸浸出到流體中的添加劑）成為主要風(fēng)險。隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些化學(xué)變化會(huì )削弱機械性能并損害長(cháng)期可靠性?；炝鳉怏w老化等測試方法最初設計用于模擬通過(guò)暴露于二氧化硫和二氧化氮等反應性氣體而產(chǎn)生的空氣腐蝕，但不再與流體環(huán)境中起作用的真實(shí)失效機制保持一致。