ΤΝ & Υγρή ψύξη: Πώς τα νέα συστήματα ψύξης αλλάζουν τους κανόνες στα data centers

Η εκρηκτική αύξηση ισχύος/πυκνότητας των AI επιταχυντών μεταφέρει τα παραδοσιακά, "αερόψυκτα" data centers στα όριά τους. Σε λιγότερο από μια δεκαετία, τα κορυφαία GPU της Nvidia ανέβηκαν από 300W (V100) σε 700W (H100) και έως 1.200W στη γενιά Blackwell, ενώ το τυπικό φορτίο ανά rack για AI ανεβαίνει από ~8kW σε ~100kW, καθιστώντας την υγρή ψύξη αναγκαία για τα σύγχρονα «εργοστάσια AI». 

Η πρώτη, και πιο ώριμη, λύση είναι η άμεση ψύξη με νερό πάνω στο chip (single-phase direct-to-chip). Ψυχρό υγρό κυκλοφορεί σε «cold plates» επάνω σε GPUs/CPUs, απομακρύνοντας τη θερμότητα σε κλειστό κύκλωμα προς εναλλάκτες. Το μειονέκτημα είναι ότι μικρότερα θερμά εξαρτήματα (μνήμες, τροφοδοσίες) παραμένουν στην αερόψυξη, άρα η συνολική διάταξη μένει υβριδική.

Η δεύτερη προσέγγιση, two-phase direct-to-chip, αντικαθιστά το νερό με διηλεκτρικό υγρό που βράζει μέσα στο cold plate. Καθώς η φάση αλλάζει σε ατμό, η θερμοκρασία του ρευστού παραμένει σχεδόν σταθερή, επιτρέποντας υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας στο «facility water», μικρότερους ρυθμούς ροής και σημαντική μείωση ενέργειας—συχνά χωρίς ανάγκη για chiller σε εύκρατα κλίματα.

Η τρίτη διαδρομή είναι η εμβάπτιση single-phase (immersion), όπου ολόκληρος ο server βυθίζεται σε διηλεκτρικό υγρό (συνήθως «oil-like»). Το όφελος είναι ομοιόμορφη ψύξη και απουσία ανεμιστήρων/κραδασμών, με πραγματικές μετρήσεις να δείχνουν ως και ~51% χαμηλότερη κατανάλωση έναντι κλασικών σχεδιάσεων. Σε ακραίες πυκνότητες, όμως, συχνά απαιτείται προσθήκη cold plates, αυξάνοντας την πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων.

Τέταρτη και πιο «φιλόδοξη» είναι η εμβάπτιση two-phase (boiling). Διηλεκτρικό υγρό βράζει πάνω στα καυτά εξαρτήματα και υγροποιείται σε εναλλάκτη στο καπάκι/πλάτη της δεξαμενής. Χάρη στη λανθάνουσα θερμότητα, η ωφέλιμη ικανότητα ψύξης μπορεί να είναι 10–100× έναντι single-phase, ενώ μελέτες κόστους δείχνουν ότι σε τοποθεσίες όπως το Ashburn (VA) η 10ετής TCO μπορεί να είναι χαμηλότερη από εναλλακτικές, λόγω μειωμένης πολυπλοκότητας μηχανολογικών υποδομών. Παραμένουν, ωστόσο, ζητήματα συντήρησης και διαφυγής/εξαέρωσης ρευστών που απαιτούν προσεκτικό σχεδιασμό.

Πέρα από τη θερμική φυσική, το νερό είναι κρίσιμη παράμετρος βιωσιμότητας: το άμεσο (on-site) και έμμεσο (από την παραγωγή ρεύματος) υδατικό αποτύπωμα των AI υποδομών γίνεται αντικείμενο στενής παρακολούθησης. Στρατηγικές όπως λειτουργία σε υψηλότερες θερμοκρασίες νερού, κλειστοί βρόχοι και ανάκτηση θερμότητας μειώνουν δραστικά την κατανάλωση.

Οι απαιτήσεις τυποποίησης ωριμάζουν επίσης. Η ASHRAE εμπλουτίζει τις «Thermal Guidelines» και το corpus τεχνικών οδηγιών για υγρή ψύξη ώστε να καλυφθούν νέες ισχείς-στόχοι και να καθοδηγηθούν conversions/greenfield έργα με ελεγχόμενους κινδύνους.

Στο πεδίο των hyperscalers βλέπουμε διαφορετικές αρχιτεκτονικές: από κλασικά direct-to-chip μέχρι ιδιοταγείς in-row εναλλάκτες και co-designed cold plates για Blackwell racks, με στόχο εύκολα retrofits και μικρότερη εξάρτηση από μεγάλες υδραυλικές αναβαθμίσεις. Παράλληλα, ο οικοσύστημας GPU πιέζει για υγρόψυκτες διαμορφώσεις με βελτιωμένη υδατική απόδοση.

Τι σημαίνουν όλα αυτά για την αγορά

Βραχυπρόθεσμα, οι φορείς εκμετάλλευσης που θέλουν ταχύτερα κέρδη/μικρότερο ρίσκο τείνουν προς single-phase direct-to-chip, ειδικά σε μεικτά (AI+γενικής χρήσης) data halls. Μεσοπρόθεσμα, η αύξηση πυκνοτήτων/φορτίων θα ωθεί σε two-phase (direct-to-chip ή immersion) σε νέα κτίρια ή ειδικές «AI πτέρυγες», όπου η απόσβεση προκύπτει από μικρότερη PUE, λιγότερο μηχανολογικό αποτύπωμα και καλύτερη ενεργειακή/υδατική αποδοτικότητα. 

-----

Σημείωση: Χρησιμοποιείται ο όρος "Υγρή Ψύξη" και όχι "Υδρόψυξη", γιατί στον χώρο των data centers και ειδικά στην ευρύτερη τεχνολογική κοινότητα, ο όρος "υγρή ψύξη" (liquid cooling) χρησιμοποιείται συχνά για να συμπεριλάβει και άλλες μορφές ψύξης με υγρά πέρα από απλή υδρόψυξη (π.χ. διηλεκτρικά υγρά, immersion cooling κ.λπ.).