المقدمة
إن صناعة المشتتات الحرارية ، وهي صناعة لم تكن تحظى بالاهتمام في الماضي، تنتقل تدريجياً من وراء الكواليس إلى مقدمة المشهد بسبب النمو الهائل في كمية البيانات والحسابات التي أحدثها الذكاء الاصطناعي.
زيادة كثافة الطاقة في مراكز البيانات في الصين
مصدر البيانات: مركز أبحاث الأوراق المالية والبورصات الأمريكية (CDCC)
استخدم صناعة المشتتات الحرارية يواجه نقطة الألم المتمثلة في التحول التكنولوجي والتحديث
إن تحويل الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة سوف يصاحبه عملية القيام بالعمل؛ والقيام بالعمل سوف يطلق الحرارة، وارتفاع درجة الحرارة سوف يحرق وحدة معالجة الرسوميات.
في السابق، كان يتم استخدام التبريد بالهواء بشكل عام لتقليل الحرارة، ولكن التبريد بالهواء يصل إلى الحد الأعلى من انخفاض فعالية التكلفة للطاقة.
لتطبيقات مراكز البيانات في الصين، هناك متطلب واضح: يجب أن تحتوي مراكز البيانات على نظام تبريد سائل. ومن المؤكد على الأقل أن نسبة انتشار التبريد السائل سترتفع من أقل من 10% حاليًا إلى 20% بحلول عام 2025.
بالنظر إلى التخطيط الشامل وتخطيط [العد الشرقي والعد الغربي]، سيتم إضافة المزيد من الخزانات الجديدة في عقد المحور في المستقبل، وقد لا يكون الحل المبرد بالهواء قادرًا على تلبية المتطلبات بدقة في بعض المناطق، ومن المتوقع أن يزداد معدل انتشار الحل المبرد بالسائل بوتيرة متسارعة.
إذا كان فقط في تكنولوجيا هندسة تبديد الحرارة نسعى جاهدين لتحسين البرنامج الأصلي للقيام ببعض الضبط الدقيق أو التحسين، ثم تقدم ترقية السرعة سيكون أبطأ، لتوفير قدرة التبريد والأداء العالي والحساب العالي وما إلى ذلك الفجوة بين احتياجات الفجوة بين الطلب ستكون أكبر فأكبر.
من خلال بعض التقنيات الإبداعية والمبتكرة لتبديد الحرارة، من الممكن تحقيق قدر كبير من القدرة على التحسين بأضعاف مضاعفة، ومن الممكن حل مشكلة تبديد الحرارة التي تواجهها رقاقة الأداء الحالية للتكنولوجيا التقليدية في سد الفجوة المتزايدة بين العرض والطلب.
ونتيجة للزيادة السريعة في الطلب على العمليات الحسابية الخاصة بالذكاء الاصطناعي، فإن زيادة طاقة وحدة المعالجة المركزية/وحدة معالجة الرسومات المرتبطة بها تظهر اتجاهاً متسارعاً، مما يتطلب حلول تبريد أكثر قوة وفعالية للحفاظ على تشغيل الأجهزة بشكل صحيح.
المصدر: شركة Zheshang للأوراق المالية المحدودة.
الشركات المصنعة الكبرى تأخذ زمام المبادرة في تعزيز تكنولوجيا تبديد الحرارة
بعد عصر قانون مور، زاد أداء شريحة الذكاء الاصطناعي ومزامنة استهلاك الطاقة بشكل كبير، ووصل سقف استهلاك الطاقة في تبريد مستوى الشريحة المبردة بالهواء إلى حوالي 800 وات، وتم تبريد الهواء للوصول إلى الحد الأعلى للطاقة بعد الانخفاض الفعال من حيث التكلفة.
باعتبارها وحدة معالجة الرسومات الأكثر تقدمًا وإنتاجًا بكميات كبيرة في العالم اليوم، تصل قوة NVIDIA H100 إلى 700-800 وات. هذه هي القوة المطلوبة لوحدة معالجة الرسومات، والتي تفوق بالفعل قوة مكيف الهواء العادي الذي يعمل بمحرك واحد.
وبحسب صحيفة Economic Daily News التايوانية، تعمل NVIDIA وTSMC مع مصنعي الأجهزة لتطوير تقنية تبديد الحرارة.
وفقًا لمصادر سلسلة توريد الذكاء الاصطناعي، فإن مزود تقنية المعالجة الحرارية Golik يعمل بشكل نشط مع TSMC وNVIDIA لتطوير أنظمة تبريد سائلة مغمورة بالذكاء الاصطناعي.
مع استمرار زيادة القدرة الحسابية، فإن أداء الشريحة يحتاج إلى تحسين كبير لدعمها، وهذا يبرز تحديًا رئيسيًا آخر، وهو استهلاك الطاقة الحرارية للتصميم (TDP) للشريحة.
تم الكشف مؤخرًا عن أن شركة Golik، وهي شركة مزودة لتكنولوجيا المعالجة الحرارية من مقاطعة تايوان الصينية، قد حصلت على طلب لشراء 150 موزعًا للتبريد السائل من شركة TSMC وتعمل مع TSMC وNVIDIA لتطوير أنظمة تبريد سائلة غامرة لوحدات معالجة الرسوميات AI.
وتدعم شركة Intel أيضًا تقنية التبريد بالغمر السائل، وفي عام 2022، صرحت شركة Intel أن "الوقت المناسب للتبريد بالغمر السائل هو الآن".
ستصبح تقنية التبريد بالغمر السائل هي تقنية التبريد السائدة
حاليًا، أول حل شائع للتبريد السائل هو تدوير الماء، عبر مضخة وأنابيب إلى الجسم لسحب الحرارة. أما الحل الآخر فهو تقنية الغمر، حيث يوضع مصدر الحرارة (مثل الرقائق) في سائل غير موصل، مما يسحب الطاقة الحرارية.
لذلك، ولزيادة كثافة الطاقة في وحدة تخزين واحدة، بدأت مراكز البيانات في السنوات الأخيرة باستخدام حلول التبريد السائل على نطاق واسع. ويمكن تقسيمها عمومًا إلى مسارين تقنيين: التبريد بالصفائح الباردة والتبريد بالغمر.
الطريقة الأولى هي من خلال اللوحة الباردة التي ستقوم بتسخين الجهاز عن طريق نقل الحرارة بشكل غير مباشر إلى السائل المبرد في خط الأنابيب المغلق؛ الطريقة الثانية ستقوم بتسخين الجهاز بشكل مباشر بالإضافة إلى لوحة الدائرة ككل مباشرة في السائل.
بالمقارنة مع وسط الهواء، تتميز السوائل بموصلية حرارية أعلى، وسعة حرارية نوعية أكبر، وقدرة امتصاص حرارة أقوى. بالإضافة إلى ذلك، تتميز أنظمة التبريد السائل بتكاليف تشغيل أقل، مما يجعلها أكثر فعالية.
تتميز تقنية تغليف تبديد الحرارة هذه بدورة تبريد سائل ثلاثية لتقنية جهاز الخادم. تُغني هذه التقنية عن أنظمة التبريد الثانوية والثالثية لمراكز البيانات. ما عليك سوى إدخال الخادم المُغمر ذاتيًا في الخزانة، ثم توصيله بأنبوب الماء، ليتمكن من استخدام أنبوب التبريد غير الموصل مباشرةً.
| طرق تبديد الحرارة | مبدأ تبديد الحرارة | المزايا | عيوب |
| تبريد الهواء | يتم نقل الحرارة التي تولدها وحدة المعالجة المركزية/وحدة معالجة الرسومات أثناء العمل إلى المشتت الحراري، ويتم نقل الحرارة مع الهواء المحيط تحت تأثير المروحة. | سعر منخفض (السعر الحالي لـ Leemin IBE المبرد بالهواء ثنائي البرج، على سبيل المثال، هو 600 يوان فقط)، وأمان عالي | صاخب، كبير الحجم، كفاءة تبريد محدودة، يعتمد على تهوية الهيكل |
تبريد الهواء
| طرق تبديد الحرارة | مبدأ تبديد الحرارة | المزايا | المزايا |
| تبريد المياه | يتم امتصاص حرارة وحدة المعالجة المركزية بواسطة السائل الموجود في خط الأنابيب تحت تأثير مضخة المياه، ثم يتم تبريدها وتوزيعها بشكل متكرر | ضوضاء منخفضة، قدرة التبريد النهائية أعلى من تبريد الهواء، ولا تعتمد على قنوات هواء الهيكل | سعر مرتفع، سعر مواصفات 360 مم في حدود 800-1000 دولار، الصيانة المغلقة بالكامل صعبة، وهناك خطر تسرب المياه |
محلول التبريد السائل
من حيث تقنية تبديد الحرارة، تعتمد وحدة تبديد الحرارة الحالية على تقنية تبديد الحرارة الهجينة النشطة والسلبية مع تقنية الأنابيب الحرارية.
حاليًا، يتم تصنيف الوحدات الحرارية إلى "تبريد هوائي" و"تبريد سائل":
تعتمد عملية تبديد الحرارة بالتبريد الهوائي على استخدام الهواء كوسيط، من خلال مواد التوصيل الحراري، أو صفيحة معادلة الحرارة (VC) أو الأنابيب الحرارية وغيرها من المواد الوسيطة، بواسطة المشتت الحراري أو المروحة وحمل الهواء لتبديد الحرارة.
يتم تبديد الحرارة المبردة بالسائل من خلال تبديد الحرارة المغمورة، وذلك أساسا من خلال تبديد الحرارة بالحمل الحراري السائل، ومن ثم جعل الشريحة تبرد، ولكن مع زيادة الحرارة التي تولدها الشريحة وتقلص حجم الشريحة، وزيادة استهلاك الطاقة الحرارية للتصميم (TDP)، تبديد الحرارة المبردة بالهواء تدريجيا غير كافية للاستخدام.
| 2023E | 2024E | 2025E | 2026E | 2027E | |
| إجمالي متطلبات التبريد (كيلوواط) | 3.9E + 05 | 6.0E + 05 | 9.5E + 0.5 | 1.5E + 06 | 2.4E + 06 |
| نسبة تبريد السائل للوحة الباردة | 80% | 70% | 60% | 50% | 40% |
| نسبة تبريد السائل الغاطس | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% |
| سعر وحدة التبريد السائل باللوحة الباردة (دولار/كيلوواط) | 967 | 870 | 783 | 705 | 644 |
| سعر وحدة تبريد السائل بالغمر (دولار/كيلوواط) | 3455 | 3109 | 2798 | 2519 | 2268 |
| حجم سوق التبريد السائل (مليار دولار) | 6 | 9 | 15 | 23 | 37 |
يتطور سوق تبديد الحرارة إلى مستوى التبريد السائل + الشريحة
يتكون جوهر نظام التبريد على مستوى الشريحة من وحدة المشتت الحراري المكونة من أنابيب حرارية ولوحات معادلة الحرارة.
مبدأ وحدة تبريد الشريحة هو توصيل الحرارة من الشريحة عبر أنابيب الحرارة ولوحات معادلة الحرارة وغيرها من المواد الموصلة للحرارة، ثم على طول الرابط الموصل للحرارة إلى موقع زعانف التبريد.
تتكون زعانف المشتت الحراري من النحاس الخالص، مع بنية متعددة الطيات ومنطقة اتصال كبيرة مع الهواء، والتي يتم توصيلها إلى المشتت الحراري عن طريق بدء تشغيل المروحة لتبديد الحرارة النشطة.
يتم ضبط سرعة المروحة تلقائيًا وفقًا لكمية الحرارة المتبددة، وبالتالي إكمال عملية توصيل الحرارة إلى تبديد الحرارة.
تتميز تقنية التبريد السائل بالصفائح الباردة الحالية بمستوى عالٍ من النضج، وهي تُعدّ من التقنيات الرائدة في هذا المجال، بافتراض أن نسبتها الحالية تبلغ 80%. وتشير التقديرات الشاملة إلى أن تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة والتفكير المنطقي سيجلبان 4 مليارات يوان من سوق التبريد السائل. ومع زيادة معايير النماذج، واستخدام الترويج، سيشهد سوق التبريد السائل نموًا سنويًا مركبًا يتجاوز 60% خلال السنوات الأربع المقبلة.
وبحسب الحسابات، فمن المتوقع أن يتمكن حجم وحدة تبريد الخادم من الحفاظ على معدل نمو مركب يبلغ نحو 30% حتى عام 2026.
فرص الاستثمار في تكنولوجيا التبريد السائل في ثلاثة خطوط رئيسية
① هواوي إلكتريك - قسم إيمرسون من مصنعي التحكم في درجة الحرارة المحترفين: أول من شارك في تصميم البحث والتطوير لتكييف الهواء الدقيق، مع سنوات عديدة من الرؤية الصناعية، والبحث والتطوير التكنولوجي مع التبصر، وتشكيل منصة لتخطيط التبريد، وتمكين التطبيقات متعددة الصناعات؛
② تخطيط مصنعي خوادم تقنية التبريد السائل: تقنية التبريد من مستوى الغرفة إلى مستوى الخط وحتى تمديد مستوى الشريحة الداخلية للخادم، يمكن أن تشارك في برنامج مصنعي خوادم تقنية التبريد السائل، ومن المتوقع أن تفتح الفرصة لترقية الطاقة الحسابية بشكل أسرع، وتعزيز القدرة التنافسية للمنتج؛
③ البائعون الذين يقدمون حلولاً كاملة تتضمن تبديد الحرارة على مستوى الشريحة: تعمل الشريحة كمصدر حرارة أساسي للخادم، ومع زيادة طاقة الشريحة، يتم ترقية برنامج تبديد الحرارة إلى مستوى الشريحة الداخلية للخادم.
الخلاصة:
إن وراء شعبية سوق رأس المال، تكمن تقنية تبديد الحرارة التي أصبحت تشكل بشكل متزايد قيداً على الرقاقة والمنتجات الإلكترونية الأخرى لترقية أداء كعب أخيل.
باعتبارها صناعة نشأت جنبًا إلى جنب مع علوم الكمبيوتر، فقد شهد مصنعو وحدات تبديد الحرارة العديد من ثورة المعلومات الإلكترونية، ولكن الآن يبدو أن انتشار الذكاء الاصطناعي جعل هذه الصناعة تدرك حقًا التطور.
وبسبب هذا، تحتاج الصناعة إلى أن تكون مرتبطة بإدارة الحرارة، وتكنولوجيا تبديد الحرارة لتحسينها بسرعة من أجل تلبية متطلبات الرقاقة وغيرها من منتجات المعلومات الإلكترونية ومواصلة التكرار والترقية.
