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Visitas:10 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2025-04-30 Origen:Sitio
El mundo digital se ejecuta en los centros de datos, y a medida que nuestra dependencia de los datos crece exponencialmente, también lo hace la potencia y generada por el calor por estas instalaciones críticas. El aumento de la inteligencia artificial (IA), la computación de alto rendimiento (HPC) y el hardware de servidor cada vez más denso han llevado los métodos tradicionales de enfriamiento de aire a su punto de ruptura. Las densidades de calor dentro de los bastidores de servidores se están alzando, lo que hace que la gestión térmica eficiente sea primordial para la estabilidad operativa, la longevidad del hardware y la sostenibilidad ambiental.
Ingrese el enfriamiento de la inmersión , Un enfoque transformador que se mueve más allá del aire y pone el líquido directamente en contacto con componentes generadores de calor. Al sumergir el hardware de TI en fluidos dieléctricos especializados (no conductores), el enfriamiento de inmersión ofrece capacidades de transferencia de calor muy superiores. Sin embargo, 'Inmersion Cooling ' no es monolítico; Principalmente abarca dos tecnologías distintas: enfriamiento de inmersión monofásica (1-PIC) y enfriamiento de inmersión en dos fases (2-PIC) . Comprender las diferencias fundamentales, las ventajas y las compensaciones entre estos dos enfoques es crucial para tomar decisiones informadas sobre el enfriamiento del centro de datos de próxima generación. Este artículo proporciona una comparación completa para guiar esa elección.
En un sistema de enfriamiento de inmersión monofásica, el equipo de TI (servidores, GPU, ASIC) está sumergido vertical o horizontalmente en un tanque lleno de un refrigerante dieléctrico. El calor generado por los componentes se transfiere directamente al fluido circundante principalmente a través de la convección. De manera crucial, el refrigerante permanece en su estado líquido a lo largo de este proceso de enfriamiento primario, por lo tanto, 'monofásica. '
Para eliminar el calor absorbido, el fluido dieléctrico calentado se distribuye activamente por bombas fuera del tanque de inmersión. Fluye a una unidad externa de rechazo de calor, típicamente una unidad de distribución de refrigerante (CDU), que contiene un intercambiador de calor (a menudo líquido a líquido). Aquí, el calor se transfiere del refrigerante dieléctrico a un circuito secundario, generalmente agua de la instalación. El fluido dieléctrico ahora refrigerado se bombea nuevamente al tanque de inmersión para continuar el ciclo de enfriamiento.
Fluidos: típicamente utilizan fluidos de ingeniería a base de hidrocarburos (como aceites minerales o aceites sintéticos) caracterizados por puntos de ebullición relativamente altos, baja volatilidad (reduciendo la pérdida evaporativa), buena estabilidad térmica y, a menudo, un costo más bajo en comparación con los fluidos de dos fases.
Hardware: requiere tanques (que se pueden diseñar como baños abiertos o unidades selladas), bombas robustas capaces de manejar la viscosidad y las tasas de flujo del fluido dieléctrico y CDU externos o intercambiadores de calor para interactuar con el sistema de rechazo de calor de la instalación.
El enfriamiento por inmersión en dos fases también implica hardware sumergente en un fluido dieléctrico, pero con una diferencia clave: el fluido está específicamente diseñado para tener un punto de ebullición muy bajo (a menudo alrededor de 50-60 ° C o 120-140 ° F a la presión de funcionamiento).
A medida que los componentes se calientan, hacen que el líquido circundante hierva directamente sobre sus superficies. Este cambio de fase de líquido a vapor absorbe una gran cantidad de energía (calor latente de vaporización) de manera muy eficiente y a una temperatura casi constante. El vapor generado, siendo menos denso, se eleva naturalmente a la parte superior del tanque. Allí, se encuentra con un condensador (típicamente bobinas enfriadas por agua de la instalación u otro circuito secundario) integrado en la tapa del tanque o la sección superior. El vapor libera su calor latente al condensador, vuelve al líquido y luego gotea hacia abajo en el baño principal de fluido por gravedad. Este ciclo interno de ebullición/condensación proporciona el mecanismo de enfriamiento primario, eliminando en gran medida la necesidad de que las bombas circulen el fluido dieléctrico primario dentro del tanque.
Fluidos: emplea fluidos de ingeniería especializados, predominantemente fluorocemicales (históricamente PFCS, ahora más comúnmente HFES, FKS o nuevas formulaciones patentadas de bajo GWP como 3M ™ Novec ™/Fluorinert ™ o Chemours ™ Opteon ™). Estos tienen puntos de ebullición bajos, altos valores de calor latente, excelente resistencia dieléctrica, pero generalmente son mucho más caras y volátiles que los fluidos de 1 pic. El impacto ambiental (GWP) y el posible escrutinio regulatorio (PFAS) son consideraciones significativas para ciertos tipos de fluidos.
Hardware: requiere tanques cuidadosamente diseñados que generalmente están sellados o semi-sellados para manejar la presión del vapor y minimizar la pérdida de fluidos caros y volátiles. Los condensadores integrados son componentes críticos. Si bien el bombeo de fluido primario dentro del tanque a menudo se elimina, todavía se necesitan bombas para el bucle externo que enfría el condensador.
Comprender los matices entre estas tecnologías requiere una comparación directa en varias áreas clave:
1-Pic: se basa en la transferencia de calor sensible a través de la convección. La eficiencia depende de las propiedades de fluido (conductividad térmica, calor específico, viscosidad) y caudal generado por bombas. Efectivo, pero menos eficiente en el punto de absorción de calor que la ebullición.
2-PIC: se basa principalmente en la transferencia de calor latente a través de la ebullición de nucleado . Este mecanismo tiene coeficientes de transferencia de calor inherentemente más altos, lo que permite una eliminación de calor más eficiente directamente de las superficies de los componentes.
1-PIC: capaz de manejar densidades de bastidores altos, a menudo citados de hasta 100 kW o incluso acercarse a 200 kW por bastidor, dependiendo de la implementación específica y el líquido utilizado.
2-PIC: generalmente considerado capaz de manejar densidades máximas de potencia más altas, a menudo superiores a 200-250 kW por bastidor y potencialmente mucho mayor, debido a la eficiencia superior de la transferencia de calor hirviendo. Esto lo hace atractivo para las aplicaciones de cómputo más extremas.
1-PIC: puede lograr un buen control de temperatura, pero inherentemente habrá un aumento de temperatura en el fluido a medida que fluya más allá de los componentes y un gradiente de temperatura en todo el sistema.
2-PIC: El proceso de ebullición ocurre a una temperatura de saturación casi constante (dependiente de la presión). Esto generalmente da como resultado una excelente uniformidad de temperatura en las superficies de los componentes inmersos, reduciendo el estrés térmico y mitigando los puntos calientes de manera más efectiva.
1-Pic: utiliza aceites/sintéticos de mayor punto de ebullición. Generalmente, menor costo, una volatilidad mucho menor (pérdida de evaporación mínima), un manejo más simple y, a menudo, menos preocupaciones ambientales (dependiendo del fluido específico).
2-PIC: utiliza fluorocemicals de bajo punto de ebullición. Costo significativamente más alto, alta volatilidad (requiere sistemas sellados para prevenir pérdidas costosas), GWP potencialmente más alto para algunos fluidos (aunque las opciones más nuevas están mejorando) y consideraciones regulatorias alrededor de los productos químicos PFA. Excelentes propiedades dieléctricas son imprescindibles.
1-PIC: concepto más simple: requiere bombas de bucle primarias robustas y CDU externos. El diseño del tanque puede ser menos complejo (los baños abiertos son comunes, simplificando el acceso).
2-PIC: elimina las bombas de bucle primarias, pero requiere condensadores integrados eficientes y tanques sellados/semiseleados, agregando complejidad y potencialmente costo para el diseño del tanque en sí. Todavía requiere un bucle externo para enfriar el condensador.
Tanto 1-PIC como 2-PIC ofrecen mejoras de pue dramáticas sobre el enfriamiento del aire tradicional, a menudo logrando cifras muy cercanas al ideal (1.0).
2-PIC a menudo reclama un borde ligero (p. Ej., Pue potencialmente tan bajo como 1.01-1.02) debido a la eliminación de la energía de bombeo primaria y la transferencia de calor altamente eficiente.
El PUE 1-PIC también es excelente (por ejemplo, 1.02-1.03 o mejor), con la sobrecarga principal de energía de enfriamiento proveniente de las bombas de circulación primaria y el sistema de rechazo de calor externo (común a ambos). El PUE del mundo real depende en gran medida del diseño, la escala y la integración específicos con el enfriamiento de las instalaciones.
1-Pic: a menudo se percibe como más fácil de dar servicio. Los diseños de baño abiertos permiten el acceso directo al hardware (aunque el goteo de fluidos necesita gestión). Los fluidos son menos volátiles y generalmente más fáciles de manejar.
2-PIC: el mantenimiento puede ser más complejo. Es posible que los tanques sellados necesiten abrirse cuidadosamente para minimizar la pérdida de vapor. El manejo de fluidos volátiles requiere procedimientos específicos. Algunas fuentes reclaman un mantenimiento más simple, ya que el drenaje de fluidos no es necesario para los swaps de componentes, pero el manejo del vapor sigue siendo una consideración clave.
Pros:
Mecánica del sistema más simple y complejidad de hardware potencialmente más baja.
Un costo más bajo y una volatilidad mucho más baja de los fluidos de trabajo.
Manejo de fluidos más fácil y acceso de hardware potencialmente más fácil (baño abierto).
Tecnología madura y ampliamente desplegada.
Contras:
Capacidad de densidad de calor máxima más baja en comparación con 2-PIC.
Requiere energía significativa para el bombeo de fluido primario.
Uniformidad de temperatura menos inherente en comparación con la ebullición.
Pros:
La mayor eficiencia de transferencia de calor y capacidad para densidades de potencia extremas.
Excelente uniformidad de temperatura debido a la ebullición isotérmica.
Elimina la energía de bombeo de fluido primario (aunque el bucle del condensador todavía necesita enfriamiento).
Potencialmente el pue más bajo alcanzable.
Contras:
Mayor complejidad del sistema (tanques sellados, condensadores, gestión de vapor).
Costo de líquido significativamente mayor y alta volatilidad (requiere sellado, riesgo de pérdida).
Preocupaciones ambientales/regulatorias asociadas con algunos fluidos fluorados (GWP, PFA).
Procedimientos de mantenimiento potencialmente más complejos.
La elección entre 1-PIC y 2-PIC no siempre está clara y depende en gran medida de los requisitos específicos:
A menudo se favorece 1-PIC para aplicaciones que requieren mejoras de densidad significativas sobre el enfriamiento por aire (hasta el rango de ~ 100-200 kW/bastidor) donde la simplicidad, el costo inicial más bajo y la facilidad de operación son altas prioridades. Es una solución robusta y probada para muchos centros de datos HPC, AI y Enterprise.
El 2-PIC se considera típicamente para aplicaciones que empujan los límites absolutos de la densidad de potencia (> 200 kW/bastidor), como las supercomputadoras de vanguardia, los grupos de entrenamiento de IA/ML extremos o la electrónica especializada de alto flujo donde se puede justificar el rendimiento térmico máximo y el PUE más bajo posible, y se puede justificar la mayor complejidad/costo.
Factores como las limitaciones presupuestarias, la experiencia operativa, la tolerancia a la complejidad de la gestión de fluidos, las regulaciones ambientales locales y los objetivos de TCO a largo plazo juegan un papel fundamental en la decisión.
El desarrollo de fluidos de enfriamiento de inmersión está en curso. Para 2-PIC, una investigación significativa se centra en crear nuevos fluidos con GWP más bajas, una mejor compatibilidad de material y menores costos, al tiempo que conserva excelentes propiedades térmicas y dieléctricas. Las regulaciones que rodean los productos químicos PFA pueden influir en las opciones futuras de líquidos. Para 1-PIC, los avances continúan optimizando las propiedades de fluido para una mejor conductividad térmica y una menor viscosidad. También podemos ver que surgen enfoques híbridos, intentando combinar los beneficios de ambas tecnologías.
El enfriamiento de inmersión monofásica y de dos fases representan avances innovadores en la gestión térmica del centro de datos, ofreciendo mejoras sustanciales en la eficiencia, la densidad y la sostenibilidad en comparación con el enfriamiento del aire tradicional. 1-PIC proporciona una ruta más simple, a menudo más rentable para el enfriamiento de líquidos de alta densidad, utilizando fluidos menos volátiles. 2-PIC ofrece el pináculo del rendimiento de la transferencia de calor, lo que permite densidades extremas de potencia, pero viene con una mayor complejidad y consideraciones sobre el costo de los fluidos, la volatilidad y el impacto ambiental.
La elección óptima no es universal. Exige una evaluación exhaustiva de las necesidades de densidad de energía actuales y futuras, los presupuestos de capital y operaciones, experiencia técnica, tolerancia al riesgo y objetivos de sostenibilidad. La evaluación cuidadosa y, a menudo, la consulta con expertos en enfriamiento es esencial para seleccionar la estrategia de enfriamiento de inmersión que mejor se alinea con los objetivos específicos de una instalación.
A medida que la demanda de soluciones de enfriamiento sofisticadas se intensifica en los centros de datos y otras aplicaciones electrónicas de alta potencia, la experiencia profunda de ingeniería térmica se vuelve indispensable. En Winasshare Thermal , fundada en 2009, estamos dedicados a diseñar, simular y fabricar soluciones de gestión térmica de alto rendimiento capaces de enfrentar estos desafíos en evolución.
Nuestro amplio fondo en sistemas avanzados de enfriamiento de líquidos nos proporciona una base sólida en los principios básicos críticos para implementar un enfriamiento de inmersión efectivo, ya sea monofásica o dos fases. Esto incluye experiencia en:
Diseño de de alta eficiencia intercambiadores de calor , componentes vitales en CDU (para 1-PIC) y condensadores (para 2-PIC).
Optimización de la dinámica de fluidos y la transferencia de calor dentro de los conjuntos térmicos complejos.
Realización de simulaciones térmicas detalladas (CFD) para predecir y validar el rendimiento del sistema.
Fabricación de precisión de componentes y conjuntos térmicos intrincados.
Si bien nuestro enfoque central puede estar en las soluciones a nivel de componentes y del sistema, como módulos de tuberías de calor, cámaras de vapor y placas frías personalizadas, nuestra comprensión de la física de transferencia de calor, la ciencia de los materiales y los procesos de fabricación de calidad (certificados a ISO9001, ISO14001, IATF 16949) nos permite contribuir de manera efectiva al desarrollo e implementación de estrategias de enfriamiento líquido de recorte. Nos asociamos con innovadores en las nuevas industrias de energía, TIC, electrónica de energía y centros de datos para ofrecer un rendimiento térmico confiable y optimizado.
Póngase en contacto con Winasshare Thermal para discutir cómo nuestros conocimientos de ingeniería térmica y capacidades de fabricación pueden soportar su próximo proyecto de enfriamiento avanzado.
