Onderzoeksbureau brengt voor- en nadelen van een- en tweefasige vloeistofkoeling in kaart

Met de voortdurende toename van het thermische ontwerpvermogen (TDP) van chips hebben traditionele methoden voor luchtkoeling steeds meer moeite om te voldoen aan de koelvereisten van moderne hyperscale datacenters, schrijft analist Yulin Wang van IDTechEx in een blog post. Als gevolg hiervan is vloeistofkoeling naar voren gekomen als een veelbelovende oplossing vanwege de hoge specifieke warmtecapaciteit van vloeistoffen. De vraag is alleen: welke vorm van vloeistofkoeling kunnen we dan het beste kiezen?

Vloeistofkoeling kan worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: eenfasige en tweefasige vloeistofkoeling. Het onderscheid tussen deze twee ligt in het feit of er een faseverandering optreedt tijdens het koelproces. Tweefasige koeling biedt weliswaar een hogere koelcapaciteit, maar brengt volgens de analyse van IDTechEx ook verschillende uitdagingen met zich mee, zoals hogere kosten en zorgen over regelgeving.

Tweefasige koelvloeistoffen worden vaak gebruikt bij zowel immersion cooling ofwel dompelkoeling, waarbij het gehele elektronische systeem wordt ondergedompeld in de koelvloeistof. Dit is dus een direct-to-chip-koeling, waarbij de koelvloeistof in direct contact wordt gebracht met de chip, aldus Wang.

Een- en tweefasige cold plate

Bij eenfasige koude plaatkoeling wordt een koelmiddel zoals waterglycol gebruikt, dat door middel van distributie-units (CDU's) in de koude plaat wordt gecirculeerd. Het koelmiddel absorbeert warmte door middel van convectie terwijl het over de warmtebronnen gaat (bijvoorbeeld GPU’s die voor AI-toepassingen worden gebruikt), schrijft de IDTechEX-analist.

Aan de andere kant gebruiken tweefasige koude platen of verdampers diëlektrische koelmiddelen met een laag kookpunt. Bij tweefasenkoeling vindt de warmteopname voornamelijk plaats door de latente warmte tijdens de faseovergang van het koudemiddel. In tegenstelling tot enkelfasige koeling, zo schrijft Wang, zijn tweefasige koude platen niet afhankelijk van pompen en CDU's voor circulatie, maar gebruiken ze in plaats daarvan temperatuurgecontroleerde zelfregulering, wat resulteert in eenvoudiger onderhoud door de afwezigheid van bewegende componenten.

Niet-corrosieve vloeistoffen

Bovendien zijn de meeste tweefasige koelvloeistoffen niet-corrosief, waardoor een breder scala aan materiaalkeuze voor rekverdeelstuk en koelplaatbehuizing mogelijk is en er minder onderhoud nodig is. Het is echter belangrijk op te merken dat sommige tweefasige koelmiddelen organische fluorcomponenten bevatten, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over hun aardopwarmingspotentieel en milieu-impact. De stopzetting van de productie van bepaalde polyfluoralkylstoffen (PFAS) door bedrijven zoals 3M tegen eind 2025 zal gevolgen hebben voor zowel tweefasige koude platen als tweefasige dompelkoeling.

Drukval speelt een rol

In het geval van enkelfasige koude platen is de drukval een kritische parameter, meent de analist. De CDU pompt het koelmiddel door spruitstukken en snelkoppelingen, en een ongelijkmatige drukval kan leiden tot wisselende stroomsnelheden tussen verschillende koude platen, wat resulteert in ongelijkmatige koeling. Hoewel het debiet in theorie handmatig kan worden geregeld om een oneindige koelcapaciteit te bereiken, wordt het koelmiddel in de praktijk meestal verpompt bij een temperatuur die dicht bij het kookpunt ligt, waardoor het gebruik van ongeveer 20% van de maximale pompsnelheid noodzakelijk is om cavitatie te voorkomen. Dit werpt praktische belemmeringen op voor acceptatie, aangezien het bereiken van hoge koelcapaciteiten een aanzienlijke hoeveelheid water vereist, zoals 2,5 liter per minuut voor een koude plaat met een koelcapaciteit van 1000 W.

Immersion cooling staat bekend om zijn hoge koelefficiëntie, stelt Wang in zijn analyse vast, en biedt een lage partial power use effectiveness (pPUE) van 1,01, wat de laagste is van alle benaderingen van datacenterkoeling. Vanwege PFAS-regelgeving en milieuoverwegingen is er echter een trend in de richting van de overgang naar enkelfasige dompelkoeling en het gebruik van PFAS-vrije en fluorarme koelvloeistoffen. Hoewel Wang deze transities veelbelovend noemt, gaan ze gepaard met hoge kosten en operationele complexiteit.

Foto: Vergelijking van eenfasige en tweefasige vloeistofkoeling (bron: IDTechEX).