สามรุ่นของการทำความเย็นในศูนย์ข้อมูล – และทำไมผู้ให้บริการส่วนใหญ่กำลังสร้างโครงสร้างพื้นฐานที่ล้าสมัย

เมื่อสามปีที่แล้ว อุตสาหกรรมศูนย์ข้อมูลถกเถียงกันว่าการทำความเย็นด้วยของเหลวจะจำเป็นหรือไม่ เมื่อสองปีที่แล้ว ผู้ให้บริการส่วนใหญ่เชื่อว่าน้ำแบบเดี่ยวจะเป็นวิธีแก้ปัญหา ในปัจจุบัน สิ่งอำนวยความสะดวกชั้นนำกำลังย้ายไปสู่สถาปัตยกรรมการทำความเย็นที่ทันสมัย ในขณะที่การสร้างใหม่หลายแห่งกำลังล็อกระบบที่จะล้าสมัยภายในไม่กี่ปี

การเปลี่ยนแปลงนี้ได้รับแรงผลักดันจากฟิสิกส์และเส้นทางของไมโครชิปที่มองเห็นได้แล้วจนถึงปี 2027 ร่วมกันทำให้เกิดการแบ่งแยกระหว่างผู้ให้บริการที่เข้าใจว่าการทำความเย็นกำลังเข้าสู่ยุคสถาปัตยกรรมใหม่ และผู้ที่อาจค้นพบว่าตนเองได้ลงทุนหลายร้อยล้านในโครงสร้างพื้นฐานที่ไม่สามารถรองรับคลื่นต่อไปของไมโครชิป AI

สามรุ่นของการทำความเย็น

การระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูลได้ผ่านสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันสามยุค แต่ละยุคถูกกำหนดด้วยอุปสรรคชุดใหม่ที่ต้องเอาชนะและความหนาแน่นของแร็กที่ต้องรองรับได้อย่างคุ้มค่า

• รุ่นที่ 1: การระบายความร้อนด้วยอากาศ (2000–2023) รองรับสูงสุดราว 10–15 กิโลวัตต์ต่อแร็ก ความคุ้มค่าเริ่มลดลงประมาณปี 2020 เมื่อเวิร์กโหลด AI เกิน 20 กิโลวัตต์ และภายในปี 2023 วิธีนี้ก็แทบล้าสมัยสำหรับระบบความหนาแน่นสูงที่สร้างใหม่

• รุ่นที่ 2: ของเหลวเฟสเดียว (2020–2027) เป็นแนวทางระบายความร้อนด้วยของเหลวระยะแรก ใช้น้ำหรือ PG25 ที่อัตราการไหลสูงเพื่อกำจัดความร้อนด้วยการเปลี่ยนอุณหภูมิ เหมาะกับ 20–120 กิโลวัตต์ต่อแร็ก แต่เริ่มตึงตัวเหนือ 150 กิโลวัตต์ และคาดว่าจะถึงขีดจำกัดเชิงปฏิบัติภายในปี 2027 เมื่อโปรเซสเซอร์เกิน 2,000 วัตต์

• รุ่นที่ 3: สองเฟสพร้อมการคายความร้อนขั้นสูง (2024–2035+) ใช้สารทำความเย็นที่ดูดซับความร้อนผ่านการเปลี่ยนสถานะแทนการเปลี่ยนอุณหภูมิ ขยายได้ตั้งแต่ 150 กิโลวัตต์ต่อแร็กขึ้นไปมาก เปิดทางให้ใช้กลยุทธ์คายความร้อนแบบใหม่ตั้งแต่ชิปถึงบรรยากาศ ผู้ให้บริการชั้นนำเริ่มใช้งานแล้ว และคาดว่าจะเป็นแนวทางหลักภายในปี 2027–2028

การเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้งแสดงถึงจุดเปลี่ยน – เมื่อฟิสิกส์และเศรษฐกิจถึงขีดจำกัดพร้อมกัน

ปัญหาฟิสิกส์ของรุ่นที่ 2

การนำรุ่นที่ 2 ไปใช้ครั้งแรกเริ่มเผยให้เห็นขีดจำกัดของการทำความเย็นแบบเดี่ยว

ระบบที่ใช้น้ำต้องการอัตราการไหลประมาณ 1.5 ลิตรต่อนาทีต่อกิโลวัตต์ แร็กขนาด 120 กิโลวัตต์ต้องใช้น้ำราว 180 ลิตรต่อนาที และเมื่อเพิ่มเป็น 250 กิโลวัตต์ ตัวเลขจะพุ่งเป็น 375 ลิตรต่อนาทีผ่านแผ่นเย็นที่มีช่องเปิดขนาดเพียงไม่กี่มิลลิเมตร

ในงาน GTC ปีนี้ แร็กที่ต่อกับท่อขนาดเท่าสายดับเพลิงทำให้เห็นปัญหาชัดเจน อัตราการไหลสูงก่อให้เกิดปัญหาต่อเนื่อง น้ำที่ผสมไกลคอลทำให้โครงสร้างไมโครฟินเกิดออกซิเดชัน และความเร็วการไหลยิ่งกัดเซาะฟินที่อ่อนแอ ความต้องการบำรุงรักษาสูงกว่าที่ผู้ให้บริการจำนวนมากคาดไว้ ตั้งแต่การเปลี่ยนไส้กรองทุกเดือนแทนทุกไตรมาสหรือปีละสองครั้ง การเฝ้าติดตามเคมีอย่างต่อเนื่อง ไปจนถึงถุงเติมไกลคอลที่ติดกับแร็ก

อัตราความล้มเหลวก็น่ากังวลไม่แพ้กัน ข้อมูลภาคสนามภายในชี้ว่า GPU ระบายความร้อนด้วยน้ำราว 4% ล้มเหลวจากการรั่วตลอดอายุใช้งานสามปี เมื่อแต่ละแร็กบรรจุอุปกรณ์มูลค่า 3–5 ล้านดอลลาร์ ความสูญเสียนี้ทำลายความคุ้มค่าของรุ่นที่ 2 โดยพื้นฐาน

การวิเคราะห์ศูนย์ขนาด 10 เมกะวัตต์โดย Jacobs Engineering ชี้ให้เห็นความไร้ประสิทธิภาพอีกประการ ระบบเฟสเดียวต้องใช้น้ำที่เย็นกว่าระบบรุ่นที่ 3 และอุณหภูมิน้ำที่ต่ำกว่านี้เพิ่มทั้งกำลังเครื่องทำความเย็นและการใช้พลังงาน

สิ่งที่ทำให้รุ่นที่ 3 แตกต่าง

รุ่นที่ 3 คือการเปลี่ยนสถาปัตยกรรมอย่างแท้จริง สารทำความเย็นแบบสองเฟสดูดซับความร้อนด้วยการเปลี่ยนสถานะ จึงลดอัตราการไหลได้สี่ถึงเก้าเท่า ความเร็วของของไหลที่ลดลงช่วยลดความเค้นต่อโครงสร้างพื้นฐาน ลดการสึกกร่อนของแผ่นเย็น และขจัดภาระบำรุงรักษาส่วนใหญ่ที่รบกวนระบบรุ่นที่ 2

สารทำความเย็นยังเปิดทางให้การออกแบบการคายความร้อนรูปแบบใหม่ เช่น ระบบสารทำความเย็นสู่ CO₂ และสารทำความเย็นสู่สารทำความเย็น ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพตั้งแต่ชิปถึงบรรยากาศ การออกแบบเหล่านี้ใช้งานจริงแล้ว แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการขยายและความคุ้มค่าของรุ่นที่ 3

เมื่อ Jacobs Engineering ซึ่งรับผิดชอบงานออกแบบระบบเครื่องกล ไฟฟ้า และประปาของศูนย์ข้อมูลมากกว่า 80% ทั่วโลก จัดทำแบบจำลองอ้างอิงขนาด 10 เมกะวัตต์เพื่อเปรียบเทียบกันโดยตรง บริษัทได้ตัดอคติของผู้ขายออกจากการเปรียบเทียบ

ผลการวิเคราะห์:

• ค่าใช้จ่ายลงทุน: เฟสเดียว 10.39 ล้านดอลลาร์ เทียบกับสองเฟส 10.38 ล้านดอลลาร์

• ค่าใช้จ่ายดำเนินงานต่อปี: 1.04 ล้านดอลลาร์ เทียบกับ 679,000 ดอลลาร์ ลดลง 35%

• ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของห้าปี: 15.6 ล้านดอลลาร์ เทียบกับ 13.8 ล้านดอลลาร์ ประหยัด 12%

ความเท่าเทียมของค่าใช้จ่ายลงทุนทำให้หลายคนประหลาดใจ เพราะคาดว่าระบบสองเฟสจะแพงกว่า ระบบสองเฟสปัจจุบันต้องใช้ CDU มากกว่า แต่ระบบเฟสเดียวต้องมีแมนิโฟลด์ระหว่างแถวที่ซับซ้อน ระบบตรวจจับการรั่วที่แข็งแรง และการกรองฮาร์มอนิก ซึ่ง CDU สองเฟสปัจจุบันหลีกเลี่ยงความซับซ้อนเหล่านี้ได้ CDU รุ่นใหม่ที่จะออกในปี 2026 จะลดต้นทุนลงอีก ทำให้รุ่นที่ 3 คุ้มค่ายิ่งขึ้น

ข้อได้เปรียบด้านค่าใช้จ่ายดำเนินงานมาจากอุณหพลศาสตร์ ระบบสองเฟสรักษาอุณหภูมิชิปเท่าเดิมได้โดยใช้น้ำของอาคารที่อุ่นกว่าราว 8°C โดยเฉลี่ย ทุกหนึ่งองศาที่ประหยัดได้ลดการใช้พลังงานต่อปีประมาณ 4% ซึ่งนำไปสู่การลดค่าใช้จ่ายดำเนินงาน 35% ที่ Jacobs บันทึกไว้ในภูมิอากาศตั้งแต่ฟีนิกซ์ถึงสตอกโฮล์ม

ผู้ให้บริการที่มองการณ์ไกลก้าวต่อไปอีกขั้น โดยเปลี่ยนส่วนต่างทางความร้อนนั้นให้เป็นกำลังประมวลผลเพิ่มราว 5% ภายใต้ขีดจำกัดพลังงานเดิม ในโลกที่ GPU ทุกตัวสร้างรายได้และพลังงานมีจำกัด ข้อได้เปรียบนี้กลายเป็นความแตกต่างในการแข่งขัน

เส้นทางซิลิกอนบังคับให้เกิดปัญหา

การเปลี่ยนแปลงไปสู่รุ่นที่ 3 ไม่ได้ถูกขับเคลื่อนโดยผู้ให้บริการการทำความเย็น แต่ถูกกำหนดโดยการออกแบบไมโครชิป

คาดว่าสถาปัตยกรรม Rubin ของ NVIDIA จะใช้กำลังเกิน 2,000 วัตต์ต่อโปรเซสเซอร์ ส่วน MI450 ของ AMD ก็กำลังเดินไปในทิศทางเดียวกัน ผู้ผลิตชิปรายใหญ่ทุกรายอัดประสิทธิภาพมากขึ้นในพื้นที่เล็กลง ทำให้ความหนาแน่นความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ความท้าทายสำคัญคือฟลักซ์ความร้อน หรือความเข้มข้นของความร้อนที่วัดเป็นวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร เมื่อฟลักซ์ความร้อนเพิ่มขึ้น โซลูชันรุ่นที่ 2 จะชนขีดจำกัดทั้งทางกายภาพและเศรษฐกิจ อัตราการไหลทำลายอุปกรณ์ ความต่างอุณหภูมิไม่อาจยอมรับได้ และต้นทุนระบบไม่ยั่งยืน

รุ่นที่ 3 ถูกสร้างมาเพื่อความเป็นจริงนี้ ผู้ให้บริการชั้นนำกำลังกำหนดแร็กขนาด 250 กิโลวัตต์พร้อมเส้นทางชัดเจนไปสู่ 1 เมกะวัตต์ขึ้นไป การรอดูว่าอะไรจะชนะอาจดูระมัดระวัง แต่แท้จริงเป็นแนวทางที่เสี่ยงที่สุด แผนพัฒนาซิลิคอนถูกกำหนดแล้วและกฎฟิสิกส์ไม่เปลี่ยน สิ่งเดียวที่ต้องตัดสินใจคือจะลงมือเมื่อใด

ปัญหาของบราวน์ฟิลด์

ขณะนี้มีการลงทุนหลายพันล้านดอลลาร์ในโครงสร้างพื้นฐานรุ่นที่ 2 ซึ่งจะถูกจำกัดภายใน 36 เดือน ศูนย์ที่ออกแบบวันนี้โดยใช้น้ำเฟสเดียวจะรองรับโปรเซสเซอร์ระดับปี 2027 ได้ยาก และการปรับปรุงภายหลังมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการสร้างด้วยรุ่นที่ 3 ตั้งแต่วันนี้มาก

สำหรับสถานที่เดิม ระบบสารทำความเย็นสู่อากาศใช้เป็นสะพานเชื่อมได้ แต่ไม่ใช่คำตอบระยะยาว ทิศทางของอุตสาหกรรมชัดเจน: สถาปัตยกรรมรุ่นที่ 3 จะเป็นแกนหลักของการก่อสร้างใหม่ในทศวรรษหน้า

การเปลี่ยนแปลงรุ่น

การเปลี่ยนผ่านระบบระบายความร้อนทุกครั้งดูเพียงพอ จนกระทั่งรุ่นถัดไปทำให้มันล้าสมัย ผู้ให้บริการที่นำระบบของเหลวมาใช้ตั้งแต่ปี 2020–2021 แทนที่จะรอถึงปี 2023 ได้เปรียบด้านการติดตั้งเกือบสองปี

การเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกันกำลังเกิดขึ้นอีกครั้ง ฟิสิกส์ได้รับการพิสูจน์แล้ว และเศรษฐกิจได้รับการยืนยันโดยการวิเคราะห์อิสระ

คำถามไม่ใช่ว่าการเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นหรือไม่ แต่คือคุณจะเป็นผู้นำ หรือจะถูกบังคับให้เปลี่ยนเมื่อรุ่นที่ 2 ถึงขีดจำกัด

ศูนย์ข้อมูลที่ออกแบบในปัจจุบันจะดำเนินการต่อจนถึงทศวรรษ 2030 การสร้างด้วยสถาปัตยกรรมรุ่นที่ 3 จะช่วยให้พวกเขาอยู่รอดในยุค AI แทนที่จะกลายเป็นสินทรัพย์ที่ถูกจำกัดก่อนที่จะเสถียร

อนาคตของการทำความเย็นในศูนย์ข้อมูลคือการเปลี่ยนแปลงรุ่น – และรุ่นที่ 3 อยู่ที่นี่แล้ว