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
" L1 r/ C  X: a" I+ Z- g7 @5 c' ?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]。
) w. {! ?9 h" n; _5 s! l. ?! |
3 s6 G& I% c7 s7 s% q熱管理難題
4 N6 f( m9 |1 l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)步也帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是在熱管理方面。
/ v) D' K9 z! h+ _
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)。
( W) l& e  j, B* E0 V; b: j
1 x8 ^% k; U* b( [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。

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。
% s0 c% M/ z6 p+ ~: a/ `4 }
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。
1 O: l8 l; t; I2 b$ z
傳統(tǒng)冷卻解決方案的局限性
7 T  m- L! I! \+ i1 ?9 C! }6 ~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，并可能消耗過多電力。


) i4 Q5 F) {) s! T7 h, c8 e" n. i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。
! Y& ~+ X% {: e
1 g; i, j; q# R8 K8 d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。
/ a4 k" H  z8 g! o$ C- N$ W+ m

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)。
" R+ x; J. |2 A+ ^
固態(tài)冷卻技術(shù)簡(jiǎn)介
; a$ c" s/ z: _. q0 S9 _% K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。

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(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。
* ^: _6 c1 e' P- ^3 _) j! v[/ol]
- K  l5 B; s2 Q7 E+ x  e
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。

' o. i; V( o* S: F實(shí)際應(yīng)用：Hex 2.0 CPU冷卻器
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)。


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。
[/ol]
1 I$ l  A4 d- }8 n! q9 d2 w* V/ k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)。

5 F1 k2 \8 R% S% H" ?
8 J1 M, }& ~( E* r9 ^! _: r# `" V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。
2 Z! k: e6 _% Y+ Y3 Z. `( B. }
數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛應(yīng)用
9 j6 j1 e* ~/ c8 d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：
/ ?3 w8 }" P, _  |# }

機(jī)架頂部交換機(jī)

計(jì)算核心

后門冷卻系統(tǒng)
+ w, Y) G; m$ a* ]+ }; y- }
4 w1 j  S+ }* O% t$ w1 l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(yíng)商可以：
; t* G$ m# ]6 V; m+ |5 d& U, W

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
+ t  V' o' e3 e# W
6 b  Z  ~4 E8 @3 M
+ |* A9 C; C% k& v! A2 H! E( T
: c% v1 d8 H/ w. [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。
+ h  W  H/ V+ j+ X- V+ `
2 q  z1 [0 s# q- m8 r結(jié)論
/ s+ Q% g& M4 L- d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。
, H1 J( b# i5 \9 A
% K, a0 l& a! Y1 x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(shì)，固態(tài)冷卻技術(shù)使數(shù)據(jù)中心能夠：
+ G1 t4 n: w7 Q$ a

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)。

5 l5 o% `$ F  m8 [7 I# W  d參考文獻(xiàn)
; N' `) Z" Z8 B) h2 o[1] J. Edwards, "Datacenters: Explosive Growth Meets Thermal Consequences Power & Potential of Solid State Cooling," Phononic, Aug. 25, 2024.
/ y6 Y* s2 d- GEND
6 P3 C7 N0 g7 J, j; U" k% k

/ J" B% f1 B" v: D軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
" J: A+ b$ l1 C1 A2 a* f6 J
! t. _$ y* i6 c歡迎轉(zhuǎn)載
3 j% [) g$ g" [" U+ a8 D' k
2 T# ~7 J9 p7 s( \. b2 B轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

6 e- o9 @; k7 w# Y- W
" @3 R* s6 m' w- e8 M4 L


& k+ ^% Q0 D$ R: B! P' n關(guān)注我們
& \: v2 E! @/ u! ]  F+ a

5 [( U, n% _9 S+ S6 q

/ o. p% Y1 j. ?) G' e . [. w1 @, Y) Y

                     

% Z0 R5 v& S5 `1 c1 M( `

關(guān)于我們：
: P( ^* V( e, e+ W8 ^- D. q1 ]  i深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
2 ^+ e( J. \0 r( {5 i
: h- p$ G% r* `& D$ g* ?# g  [http://www.latitudeda.com/
  J5 F& q0 K: g' a* F% N（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）