4 технологии жидкостного охлаждения ЦОД: кейсы и сравнение цен, КПД и применимости

Эра искусственного интеллекта (ИИ) сделала охлаждение серверов стратегической задачей. Энергопотребление графических процессоров выросло с 300 Вт (Nvidia V100, 2017) до 1200 Вт (Blackwell, 2024). И это не предел. Плотность мощности IT-оборудования уже доходит до 100 кВт из расчета на стойку.

Традиционные вентиляторы не справляются. Вода и диэлектрические жидкости, тысячекратно превосходя воздух по теплоёмкости и теплопроводности, становятся главным инструментом охлаждения серверов. Наиболее перспективными сегодня считаются 4 типа жидкостного охлаждения.

Однофазное прямое охлаждение чипов (Single-Phase Direct-to-Chip; 1-PDC)

Как это работает?

Металлические охлаждающие пластины (Cold Plates) устанавливаются на CPU и GPU. По каналам в пластинах циркулирует смесь воды и гликоля, перемещая лишнее тепло к теплообменникам. От теплообменников тепло передается во второй контур. Последний охлаждается чиллером или драйкулером – в зависимости от климата.

Вендоры и кейсы

Компания Mikros Technologies (США) производит микроканальные охлаждающие пластины, рассчитанные на чипы мощностью до 2 кВт. В работе решения, которые будут справляться с нагрузкой до 5 кВт. Вендор Marvell Technology интегрирует контуры водяного охлаждения в серверные стойки, повышая эффективность компоновки.

Плюсы, минусы и особенности

Технология подходит для гибридных систем, где жидкость удаляет до 80% тепла, а воздух — оставшиеся 20%. Главный недостаток в том, что охлаждаются только основные микросхемы. Чипы памяти, БП и другие компоненты не охлаждаются.

Двухфазное прямое охлаждение чипов (Two-Phase Direct-to-Chip; 2-PDC)

Как это работает?

Диэлектрическая жидкость кипит прямо на охлаждающей пластине. Пар конденсируется в теплообменнике и возвращается в контур. Система не требует чиллера и может работать на тёплой воде (до 40 °C).

Поставщики и примеры реализации

Компания Accelsius из США представила 2-PDC-решения, оптимизированные под IT-нагрузки с высокой плотностью мощности. В тестах экономия электроэнергии составила до 20–25% по сравнению с водяными системами.

Базирующийся в Израиле вендор ZutaCore предлагает решения класса Two-Phase Direct-to-Chip на основе жидкости с температурой кипения 18–25 °C. Расход жидкости в 5 раз ниже, чем в однофазных системах.

Преимущества, недостатки и особенности

К плюсам технологии эксперты относят следующее:

• постоянная температура жидкости и равномерный тепловой профиль;
• снижение давления в контурах;
• уменьшение риска повреждения компонентов;
• эксплуатация без чиллера даже в тёплом климате.

Исследование, проведенное в 2024 году в четырёх странах (США, ОАЭ, Дании, Сингапуре) компаниями Syska Hennessy Group и Chemours, показало, что при внедрении таких систем экономия электроэнергии достигает 17% относительно 1-PDC-решений, работающих в тандеме с чиллерами.

Однофазное иммерсионное охлаждение (Single-Phase Immersion; 1-PI)

Принципы работы

Серверы полностью погружаются в резервуар с диэлектрическим минеральным маслом. Жидкость циркулирует через встроенный теплообменник, передавая тепло во внешний контур ЦОД.

Вендоры и примеры реализации

Компания Sustainable Metal Cloud (Сингапур) строит дата-центры без вентиляторов, где серверы работают в резервуарах с контролируемой циркуляцией диэлектрического масла. Вендор Baltimore Aircoil из США разработал интегрированный теплообменник с поддержкой 1-PI, снижающий энергопотребление на 51% по сравнению с воздушными системами. Airedale by Modine внедряет гибридные решения, совмещающие иммерсионное охлаждение и охлаждающие пластины.

Преимущества, недостатки и особенности

Система требует модификации серверов (замена термоматериалов, защита контактов). Минеральное масло плохо справляется с пиковыми тепловыми нагрузками (свыше 3 кВт на чип), что ограничивает применение в ИИ-дата-центрах.

Двухфазное иммерсионное охлаждение (Two-Phase Immersion; 2-PI)

Как это работает?

Сервер погружается в жидкость, которая закипает при заданной температуре (например, 49 °C). Пар конденсируется на охлаждённой поверхности и стекает обратно. Резервуар полностью герметичный, а жидкость — диэлектрическая и безопасная.

Ключевые вендоры и кейсы

Компания Chemours (США) разработала диэлектрическую жидкость Opteon 2P50, предназначенную специально для 2-PI-систем. Эксперименты в США, ОАЭ, Дании и Сингапуре показали снижение ключевых показателей по сравнению с однофазными системами:

• PUE на 17%;
• OPEX на 88%;
• CAPEX на 16%;
• TCO на 40%.

Вендор Airedale by Modine внедряет модульные решения для периферийных вычислений (Edge Computing), в которых слой пара удерживается внизу резервуара, предотвращая потери жидкости при открытии.

Преимущества, недостатки и особенности

Теплоотвод в случае 2-PI в 10–100 раз выше, чем у однофазных систем. Таким решениям не требуются чиллеры: достаточно воды при температуре на 6 °C ниже точки кипения рабочей жидкости (~43 °C). Исследования показывают, что совокупная стоимость владения в случае 2-PI минимальна среди всех рассмотренных решений. В частности, они обеспечивают снижение PUE и эксплуатационных расходов (OPEX) на 15% и 84% относительно однофазного прямого охлаждения чипов.

Сравнение технологий

Параметр	1-PDC	2-PDC	1-PI	2-PI
Охлаждающая среда	Вода + гликоль	Диэлектрическая жидкость (18–25 °C)	Минеральное масло	Диэлектрическая жидкость (≈ 49 °C)
Нужен чиллер	Да	Нет	Желателен (внешний контур)	Нет
Плотность нагрузки	До 5 кВт/чип	До 5 кВт/чип	До 3 кВт/чип	5–10 кВт+
Применение	Гибридные ЦОД, где используется воздушное и жидкостное охлаждение	Высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект	ЦОД со средней плотностью мощности IT-нагрузки	Высокопроизводительные и периферийные вычисления
Плюсы	Простота, модульность	Высокий КПД, без чиллера	Без вентиляторов	Максимальный КПД, низкие затраты
Минусы	Не охлаждает всё оборудование	Требует спецжидкости	Нужна модификация серверов	Сравнительно высокая цена рабочей жидкости

Выводы

Двухфазное иммерсионное охлаждение (особенно 2-PI) показывает наилучшие результаты по энергоэффективности, себестоимости и универсальности применения в ИИ-ЦОД. Технологии 1-PDC и 2-PDC — компромиссные решения для модернизации существующих стоек.

Ожидается, что популяризация этих технологий подстегнет развитие рынка диэлектрических жидкостей с акцентом на экологичные составы. Эксперты также прогнозируют, что иммерсионные системы со временем изменят саму компоновку машзалов, делая их менее шумными и более компактными.