Lựa chọn vật liệu cho đường ống làm mát bằng chất lỏng trong trung tâm dữ liệu — Phân tích dựa trên kịch bản về kim loại, chất đàn hồi và polyme

Giới thiệu: Thách thức về hệ thống đường ống trong kỷ nguyên AI

Làm mát bằng chất lỏng đang nhanh chóng trở thành giải pháp then chốt để giải quyết các vấn đề về quản lý nhiệt và hiệu quả năng lượng trong điện toán AI mật độ cao. Công suất trên mỗi rack đã tăng từ mức truyền thống 10-20 kW lên hơn 50 kW, với một số trường hợp mật độ cực cao vượt quá 100 kW. Trong các hệ thống làm mát bằng chất lỏng sử dụng tấm làm mát, đường ống đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển và phân phối chất làm mát, và việc lựa chọn vật liệu của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy lâu dài của hệ thống, tiến độ xây dựng và chi phí vận hành.

Sự phức tạp trong việc lựa chọn vật liệu đã tăng lên đáng kể khi các hệ thống làm mát bằng chất lỏng phát triển từ các vòng kín đơn giản đến các kiến ​​trúc đa tầng liên quan đến nhiều loại chất làm mát, phạm vi nhiệt độ và yêu cầu hiệu suất khác nhau. Hướng dẫn ngành cho các hệ thống làm mát bằng chất lỏng hiện nay công nhận một số vật liệu tiên tiến là các thành phần tiếp xúc với chất lỏng phù hợp, hỗ trợ việc áp dụng rộng rãi hơn các giải pháp hiệu suất cao trong các ứng dụng làm mát trung tâm dữ liệu thế hệ tiếp theo.

Bài viết này xem xét ba loại vật liệu chính—kim loại, chất đàn hồi và polyme kỹ thuật—phân tích những ưu điểm, hạn chế và kịch bản ứng dụng tối ưu của chúng dựa trên thực tiễn kỹ thuật hiện hành và các tiêu chuẩn mới nổi.

Thép không gỉ: Vật liệu truyền thống đáng tin cậy

Vì sao thép không gỉ vẫn là tiêu chuẩn cơ bản

Ống thép không gỉ từ lâu đã là lựa chọn mặc định cho cơ sở hạ tầng làm mát trung tâm dữ liệu nhờ độ bền kết cấu cao, khả năng chịu áp lực tốt và nền tảng công nghệ đã được hoàn thiện. Trong hệ thống đường ống bên trong CDU, thép không gỉ 316L được sử dụng làm vật liệu tiêu chuẩn cho hầu hết các ứng dụng thông thường, với khả năng tương thích tốt với nước khử ion và hỗn hợp nước-glycol. Tuổi thọ thiết kế của vật liệu từ 70-100 năm trong điều kiện hoạt động bình thường khiến nó trở nên hấp dẫn đối với cơ sở hạ tầng quan trọng.

Ngành công nghiệp này đã phát triển các tiêu chuẩn và quy trình rộng rãi xung quanh đường ống thép không gỉ. Tiêu chuẩn ASME B31.3 cung cấp khung thiết kế, với các quy trình hàn đạt tiêu chuẩn ASME IX hoặc EN ISO 15614. Đối với các triển khai quy mô siêu lớn, khoảng 90% mối nối được hàn bằng phương pháp hàn quỹ đạo, tạo ra các mối hàn xuyên thấu hoàn toàn, có thể lặp lại và được bảo vệ bằng khí.

304 so với 316L: Quyết định về vật liệu

Việc lựa chọn giữa 304 và 316L là một quyết định kỹ thuật quan trọng với những tác động lâu dài. Đối với chất làm mát gốc nước (nước, dung dịch glycol), 304 (06Cr19Ni10) thường được khuyến nghị là tiêu chuẩn cơ bản. Tuy nhiên, đối với môi trường chứa clorua hoặc chất lỏng flo hóa/dầu khoáng, cần sử dụng 316L (022Cr17Ni12Mo2) hoặc các loại cao hơn.

Sự khác biệt này rất quan trọng vì ngay cả sự không tương thích vật liệu nhỏ cũng có thể dẫn đến suy giảm hiệu suất do sự hình thành kết tủa, sự phát sinh khí hoặc sự ăn mòn bề mặt. Trong các vòng làm mát trực tiếp đến chip, nơi các kênh vi mô rất nhạy cảm với sự nhiễm bẩn dạng hạt, hậu quả của sự suy giảm vật liệu có thể rất nghiêm trọng.

Những chi phí ẩn của hệ thống kim loại

Mặc dù có nhiều ưu điểm, đường ống thép không gỉ vẫn có những hạn chế, và những hạn chế này càng trở nên rõ rệt hơn trong các hệ thống lắp đặt mật độ cao:

Chất đàn hồi: EPDM và PTFE dùng cho các kết nối linh hoạt

EPDM: Loại cao su đàn hồi bền bỉ

Đối với các hệ thống làm mát bằng chất lỏng sử dụng nước và glycol thông thường, EPDM (ethylene propylene diene monomer) là lựa chọn chất đàn hồi chủ đạo. Những ưu điểm cốt lõi của nó bao gồm khả năng chống lão hóa và ăn mòn tuyệt vời, phạm vi nhiệt độ hoạt động điển hình từ -40°C đến +120°C và chi phí tương đối dễ kiểm soát.

EPDM được sử dụng rộng rãi cho các mối nối linh hoạt, gioăng và ống dẫn cần có khả năng co giãn. Thử nghiệm khả năng tương thích vật liệu đã chứng minh tính ổn định của EPDM với các chất làm mát thường dùng, giảm thiểu rủi ro xuống cấp và đảm bảo tính ổn định hóa học trong thời gian hoạt động kéo dài. EPDM được xử lý bằng peroxide đặc biệt được khuyến nghị cho mạng lưới chất lỏng trong trung tâm dữ liệu, mang lại độ bền cao hơn so với các biến thể được xử lý bằng lưu huỳnh.

PTFE: Giải pháp hiệu suất cao

Đối với môi trường chất lỏng flo hóa ngâm, các ứng dụng nhiệt độ cao và yêu cầu tuổi thọ dài trong siêu máy tính và tính toán AI mật độ cao, PTFE (polytetrafluoroethylene) là lựa chọn tiêu chuẩn trong ngành. Ống làm mát dạng sóng PTFE được cải tiến có thể hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng từ -60°C đến +260°C, với sự xuống cấp do lão hóa chậm hơn và tuổi thọ sử dụng lâu hơn.

FEP (ethylene propylene flo hóa), một loại fluoropolymer có liên quan, mang lại những lợi ích bổ sung: độ ổn định hóa học tuyệt vời, điểm nóng chảy cao với nhiệt độ hoạt động từ -85°C đến 200°C và đặc tính cách điện vượt trội. Nó thường được sử dụng cho các kết nối RCM-to-server làm mát bằng chất lỏng dạng tấm.

Ưu điểm chính của polyme flo nằm ở độ ổn định hóa học vượt trội. Ngoại trừ các phản ứng với các nguyên tố flo ở nhiệt độ cao, kim loại kiềm nóng chảy và clo trifluorua, chúng vẫn không bị ăn mòn khi tiếp xúc với các hóa chất khác. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các chất làm mát có tính ăn mòn cao và các yêu cầu về tuổi thọ sử dụng lâu dài.

Polyme kỹ thuật: Con đường thứ ba đang nổi lên

PVDF: Nhận diện lấy cảm hứng từ OCP

Một cột mốc quan trọng trong việc ứng dụng polymer đã diễn ra khi GF nhận được chứng nhận OCP Inspired™ cho bộ phận phân phối dựa trên PVDF dùng để làm mát chất lỏng trực tiếp lên chip - đây là bộ phận phân phối dựa trên polymer đầu tiên nhận được chứng nhận này trong chương trình Open Compute Project.

Bộ chia PVDF được phát triển để hỗ trợ các môi trường quản lý nhiệt khắt khe, nơi độ tinh khiết của chất làm mát, khả năng chống ăn mòn và độ tin cậy lâu dài là rất quan trọng. Không giống như các bộ chia kim loại thông thường, giải pháp này sử dụng thiết kế polymer được chế tạo để hỗ trợ phân phối dòng chảy đồng đều trên tất cả các cổng đầu ra, giúp duy trì hiệu suất làm mát ổn định và lặp lại trong toàn bộ giá đỡ. Cấu trúc PVDF nhẹ cũng cho phép hoạt động không bị ăn mòn và tích hợp đơn giản hơn thông qua các tùy chọn kết nối và lắp đặt linh hoạt.

Mỗi bộ phân phối được thiết kế riêng theo yêu cầu cụ thể của khách hàng về giá đỡ và hệ thống làm mát, và trải qua quá trình kiểm tra áp suất 100% trước khi giao hàng. Khái niệm về bộ phân phối này đã được kiểm chứng thông qua nhiều dự án thử nghiệm và lắp đặt thực tế tại các trung tâm dữ liệu trên khắp châu Mỹ, châu Âu và châu Á - Thái Bình Dương.

Vì sao các hệ thống polymer đang ngày càng được ưa chuộng

Lý do kỹ thuật cho việc sử dụng đường ống polymer không chỉ dừng lại ở việc được công nhận về khả năng chống ăn mòn do oxy hóa (OCP):

Giới hạn ứng dụng

Ống polymer không thể thay thế hoàn toàn ống kim loại. Phạm vi áp dụng cần được xác định bởi điều kiện vận hành:

Nguyên tắc khớp vật liệu nhiều lớp

Thực tiễn hiện nay trong ngành tuân theo phương pháp ghép nối vật liệu theo từng lớp, nhận thấy rằng các cấp độ khác nhau của hệ thống làm mát bằng chất lỏng có điều kiện hoạt động và yêu cầu hiệu suất khác nhau:

Xu hướng ứng dụng polymer được củng cố bởi sự hỗ trợ ngày càng tăng của hệ sinh thái OCP đối với cơ sở hạ tầng làm mát bằng chất lỏng đa nhà cung cấp và có khả năng tương tác thông qua các giao diện tiêu chuẩn hóa và các phương pháp vật liệu đã được kiểm chứng. Hướng dẫn của ngành công nghiệp công nhận một số loại polymer tiên tiến là vật liệu tiếp xúc với chất lỏng phù hợp, hỗ trợ việc áp dụng rộng rãi hơn các công nghệ polymer hiệu suất cao trong hệ thống làm mát trung tâm dữ liệu thế hệ tiếp theo.

Phần kết luận

Việc lựa chọn vật liệu cho đường ống làm mát bằng chất lỏng không còn đơn giản chỉ là sự lựa chọn giữa kim loại và các vật liệu thay thế khác. Sự đa dạng về vật liệu – từ thép không gỉ (304, 316L) đến chất đàn hồi (EPDM, PTFE, FEP) và các polyme kỹ thuật (PVDF, HDPE, PP-H) – mang đến cho các kỹ sư nhiều lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất và điều kiện hoạt động cụ thể.

Điều quan trọng là phải hiểu rằng không có vật liệu nào tối ưu cho tất cả các ứng dụng. Sự công nhận của OCP đối với các ống dẫn PVDF báo hiệu một sự ủng hộ quan trọng của ngành công nghiệp đối với các giải pháp polymer, nhưng hệ thống kim loại vẫn rất cần thiết cho môi trường áp suất cao, nhiệt độ cao và ăn mòn hóa học. Tương lai có thể nằm ở các phương pháp lai kết hợp thế mạnh của từng loại vật liệu, được áp dụng theo yêu cầu cụ thể của từng tầng trong kiến ​​trúc làm mát bằng chất lỏng.