Nhật đẩy mạnh công nghệ làm mát bằng chất lỏng cho trung tâm dữ liệu

Khi lượng nhiệt tỏa ra từ các bộ xử lý đồ họa đảm nhiệm hoạt động tính toán đã tăng hơn gấp đôi trong vòng 5 năm qua, công nghệ làm mát bằng không khí truyền thống đang dần bộc lộ sự quá tải. Trước tình hình này, các công ty công nghệ đang không ngừng đẩy mạnh nỗ lực phát triển những công nghệ liên quan để giải quyết triệt để bài toán năng lượng và nhiệt độ.

Tối ưu hóa hiệu suất và bài toán năng lượng bằng công nghệ làm mát

Hệ thống làm mát luôn là một trong những thành phần ngốn nhiều năng lượng nhất, chiếm từ 30% đến 40% tổng lượng điện tiêu thụ của một trung tâm dữ liệu. Công nghệ làm mát bằng chất lỏng hoạt động dựa trên phương pháp luân chuyển dòng nước lạnh qua hệ thống đường ống được bố trí nằm sát các bộ xử lý đồ họa, vốn là linh kiện tỏa nhiệt nhiều nhất trong các máy chủ trí tuệ nhân tạo.

Việc thu hẹp khoảng cách với các bộ phận sinh nhiệt độ cao cho phép quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả hơn rất nhiều, dẫn đến kết quả là giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ. Các công ty Nhật Bản hiện tại đã nắm giữ nhiều công nghệ sản xuất thiết bị gia dụng tiết kiệm năng lượng, và đây có thể là một lợi thế to lớn khi áp dụng vào lĩnh vực mới này.

Thông thường, toàn bộ phòng máy chủ sẽ được hạ nhiệt bằng hệ thống điều hòa không khí, trong khi các linh kiện bên trong máy chủ lại được làm mát trực tiếp bằng nước. Mặc dù chi phí ban đầu để triển khai mạng lưới đường ống chất lỏng xuyên suốt các máy chủ là rất đắt đỏ, việc thực hiện giải pháp này có thể cắt giảm chi phí vận hành dài hạn nhờ vào việc giảm điện năng sử dụng cũng như kéo dài vòng đời hoạt động của các chip bán dẫn.

Vào tháng 6 sắp tới, Fuji Electric sẽ chính thức tung ra thị trường một sản phẩm làm mát bằng chất lỏng mới. Hệ thống này sử dụng một máy làm lạnh bằng công nghệ bơm phun thay thế cho các thiết bị làm lạnh tiêu tốn điện năng khổng lồ thường được sử dụng. Doanh nghiệp Nhật Bản khẳng định hệ thống này có khả năng giúp người dùng giảm điện tiêu thụ lên đến 85%. Các hệ thống làm mát thường sử dụng chất làm lạnh để hấp thụ nhiệt từ không khí hoặc nước. Lượng nhiệt này sau đó được giải phóng bằng cách nhanh chóng tăng áp và giảm áp suất của chất làm lạnh.

Những nguyên lý này hoạt động tương tự như việc một bình xịt tự động trở nên lạnh đi khi hóa chất bên trong được phun ra ngoài. Máy nén thực hiện nhiệm vụ tăng áp cho chất làm lạnh bên trong các thiết bị làm mát tiêu chuẩn thường sử dụng rất nhiều năng lượng. Bộ làm mát phun của Fuji Electric cải thiện tình trạng này bằng cách kiểm soát chặt chẽ tốc độ dòng chảy của chất làm lạnh, tận dụng động năng để làm tăng áp suất, qua đó hạn chế tối đa việc sử dụng điện năng.

Một tên tuổi lớn khác là Nidec cũng đang sản xuất các thiết bị làm mát bằng chất lỏng, bao gồm cả sản phẩm chủ lực của hãng là hệ thống phân phối dung dịch làm mát. Công ty đã bắt đầu triển khai sản xuất hàng loạt tại Thái Lan các phiên bản quy mô lớn của những thiết bị này. Mỗi bộ phân phối có khả năng làm mát cho hơn 10 tủ chứa máy chủ. Cho đến nay, Nidec đã xuất xưởng hơn 1 chục nghìn hệ thống làm mát bằng chất lỏng đến tay khách hàng.

Theo công bố của hãng, các hệ thống mới này đạt mức hiệu quả cao hơn khoảng 30% so với các thiết bị làm mát bằng không khí. Gã khổng lồ máy chủ Super Micro Computer có trụ sở tại Mỹ đang là một trong những khách hàng lớn nhất của Nidec. Thêm vào đó, công ty cũng đang hợp tác kinh doanh các dòng máy chủ làm mát bằng chất lỏng cùng với chi nhánh tại Nhật Bản của Tập đoàn Lenovo.

Về phần mình, Mitsubishi Heavy Industries hiện đang sở hữu các hệ thống làm mát vi mạch trực tiếp theo cơ chế hai pha. Công nghệ này sử dụng đồng thời cả chất làm lạnh dạng khí và dạng lỏng được đưa trực tiếp vào một tấm làm mát gắn trên vi mạch xử lý đồ họa để tạo ra vòng tuần hoàn hạ nhiệt.

Đa dạng hóa công nghệ và chiến lược phát triển bền vững

Bất chấp những ưu điểm vượt trội về hiệu suất, chi phí thiết lập hệ thống vẫn là một rào cản lớn. Toàn bộ 9 trung tâm dữ liệu do tập đoàn thương mại Mitsubishi Corp điều hành tại Nhật Bản hiện đều có khả năng tương thích với công nghệ làm mát bằng chất lỏng. Tuy nhiên, trước mức chi phí ban đầu cao để triển khai hệ thống mới, công ty có kế hoạch sẽ tiếp tục phát triển các trung tâm dữ liệu áp dụng song song cả giải pháp làm mát bằng chất lỏng và làm mát bằng không khí.

Trong khi đó, nhà phát triển trí tuệ nhân tạo Preferred Networks đang bắt tay hợp tác cùng công ty Internet Initiative Japan và Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản để tự nghiên cứu và phát triển các máy chủ làm mát bằng chất lỏng phục vụ cho các trung tâm dữ liệu mà họ đang sử dụng.

Các doanh nghiệp bên ngoài lãnh thổ Nhật Bản cũng đang dồn sự tập trung vào việc phát triển hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Một ví dụ tiêu biểu là tập đoàn Schneider Electric của Pháp. Đơn vị này hiện đang sản xuất các hệ thống làm mát bằng không khí, đồng thời cung cấp các thiết bị bơm tuần hoàn dành cho hệ thống làm mát bằng chất lỏng được tùy biến nhằm đáp ứng những yêu cầu khắt khe của các trung tâm dữ liệu. Các doanh nghiệp từng rất thành công trong việc phát triển hệ thống làm mát bằng không khí, chẳng hạn như Mitsubishi Electric và Daikin Industries của Nhật Bản hay Vertiv Holdings có trụ sở tại Mỹ, cũng đang khẩn trương nghiên cứu các hệ thống làm mát bằng chất lỏng.

Việc tìm kiếm và thu mua nguồn điện năng có mức phát thải thấp hơn cũng là một cách tiếp cận khác biệt để giải quyết bài toán môi trường. Meta Platforms, công ty mẹ của mạng xã hội Facebook, đã chính thức ký kết một hợp đồng mua điện hạt nhân từ Constellation Energy và sẽ bắt đầu thực hiện từ năm sau.

Tại Nhật Bản, công ty điện lực JERA đang cố gắng thu hút các nhà điều hành xây dựng trung tâm dữ liệu tiến đến gần hơn với các nhà máy điện nằm ở khu vực lân cận thủ đô Tokyo. Công ty cổ phần điện lực Tokyo cũng đang lên kế hoạch bắt đầu đưa vào vận hành các trung tâm dữ liệu của riêng mình bên cạnh việc mở rộng các mạng lưới truyền tải điện. Mục tiêu chiến lược của doanh nghiệp này là giảm mức độ thất thoát điện năng trong quá trình truyền tải bằng cách bố trí các trung tâm dữ liệu nằm cùng một địa điểm với các nhà máy điện để tạo ra chu trình vận hành khép kín và bền vững.

Bùi Tú