Làm mát hai pha có thể hạ nhiệt cơn sốt AI trong trung tâm dữ liệu

Sự bùng nổ của các bộ gia tốc AI, đặc biệt là GPU công suất lớn, đang đẩy trung tâm dữ liệu vào thế khó: hiệu năng tăng mạnh nhưng nhiệt lượng và hóa đơn điện cũng leo thang. Theo nghiên cứu do startup Accelsius đặt hàng, ngành này có thể đang dùng “sai loại chất lỏng” để làm mát. Thay vì chỉ dùng chất làm mát một pha, tức chất lỏng chỉ hấp thụ nhiệt mà không đổi trạng thái, Accelsius cho rằng chuyển sang làm mát hai pha sẽ giúp hệ thống vận hành mát hơn đáng kể và tiết kiệm chi phí hơn.

Trong hệ thống làm mát một pha, chất lỏng tuần hoàn qua các linh kiện để hấp thụ nhiệt rồi mang nhiệt đi nơi khác. Với làm mát hai pha, chất làm mát có thể chuyển từ lỏng sang hơi khi nhận nhiệt, nhờ đó hấp thụ năng lượng hiệu quả hơn nhiều. Đây là nguyên lý quen thuộc trong tủ lạnh và điều hòa không khí, nơi môi chất lạnh liên tục bay hơi và ngưng tụ để vận chuyển nhiệt. Accelsius nói rằng chính khả năng đổi pha này giúp nhiệt được kéo ra khỏi GPU tốt hơn so với các chất lỏng truyền thống đang dùng trong nhiều máy chủ AI hiện nay.

Trong tài liệu kỹ thuật chia sẻ với báo giới, Accelsius cho biết họ đã sửa đổi một máy chủ Dell PowerEdge XE9680L, mẫu máy làm mát bằng chất lỏng chứa 8 bộ gia tốc Nvidia B200, để chạy với dung dịch hai pha NeuCool cùng bộ cold plate mới. Cold plate là tấm kim loại gắn trực tiếp lên chip để truyền nhiệt sang chất làm mát. Kết quả được công bố cho thấy nhiệt độ tại cold plate có thể giảm tới 19 độ C, còn ở cấp toàn hệ thống giảm khoảng 9 đến 14 độ C.

Điểm đáng chú ý không chỉ là GPU mát hơn, mà là trung tâm dữ liệu có thể cho nước làm mát của cơ sở vận hành ở mức nhiệt cao hơn. Accelsius cho biết hệ thống của họ có thể hỗ trợ nhiệt độ nước cơ sở tới 54 độ C, hoặc lên 59 độ C nếu tăng gấp đôi lưu lượng dòng chảy. Con số này cao hơn đáng kể so với khoảng 45 độ C thường thấy ở nhiều hệ thống hiện nay. Theo công ty, mỗi khi tăng thêm 1 độ C nhiệt độ nước cơ sở, chi phí năng lượng hàng năm có thể giảm khoảng 4%. Trong bối cảnh nguồn điện bị siết chặt và các datacenter AI ngày càng ngốn điện, mức cải thiện này có thể tương đương hàng triệu USD chi phí vận hành.

Một lợi ích khác của việc cho phép nước ra khỏi hệ thống ở nhiệt độ cao hơn là nâng giá trị của nhiệt thải. Nhiệt thải là lượng nhiệt bị máy chủ xả ra trong quá trình hoạt động. Nếu chỉ ở khoảng 30 độ C, lượng nhiệt này thường khó tái sử dụng hiệu quả. Nhưng khi đạt ngưỡng 50–60 độ C, nó bắt đầu đủ ấm cho các ứng dụng thực tế hơn như nước sinh hoạt hoặc các bài toán thu hồi nhiệt trong tòa nhà. Điều này mở ra khả năng cải thiện hiệu quả năng lượng tổng thể của cả cơ sở hạ tầng.

Khi nhiệt độ nước trong cơ sở cao hơn, việc thải nhiệt ra môi trường cũng dễ hơn. Thay vì phụ thuộc nhiều vào evaporative cooler, tức hệ thống làm mát bay hơi có tiêu thụ nước, trung tâm dữ liệu có thể dùng dry cooler thường xuyên hơn. Dry cooler về cơ bản giống một bộ tản nhiệt công nghiệp cỡ lớn, dùng không khí để mang nhiệt đi mà không cần tiêu hao nước như giải pháp bay hơi. Tuy vậy, dry cooler hoạt động hiệu quả nhất khi chênh lệch nhiệt độ giữa nước và không khí ngoài trời đủ lớn, nên vào mùa nóng, nhiều cơ sở vẫn phải dùng thêm các hệ thống lạnh dựa trên môi chất lạnh.

Làm mát hai pha không phải khái niệm mới trong datacenter. Từ năm 2021, Microsoft từng thử nghiệm nhúng cả khung máy chủ vào các bể chất lỏng sôi để tản nhiệt. Một số công ty khác như ZutaCore cũng đã theo đuổi hướng đưa môi chất hai pha đến sát chip. Điểm khác của Accelsius là kiến trúc của họ trông khá giống hệ thống làm mát chất lỏng trực tiếp hiện nay. Chất làm mát vẫn được bơm qua manifold của rack, tức cụm phân phối dòng chất lỏng trong tủ máy, rồi đi qua các cold plate có cánh tản nhiệt mịn trước khi trở về CDU.

CDU, viết tắt của Coolant Distribution Unit, là bộ phân phối chất làm mát, được xem như trái tim của hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Thiết bị này kết hợp bơm và bộ trao đổi nhiệt để kết nối vòng tuần hoàn trong máy chủ với hệ thống nước của tòa nhà. Dù về lý thuyết có thể thiết kế máy chủ tương thích cả chất làm mát một pha lẫn hai pha, giải pháp hai pha vẫn cần CDU chuyên dụng. Đây là rào cản lớn, bởi các rack AI hiện đại ngày càng ngốn điện và tỏa nhiệt khủng khiếp.

Các hệ thống rack của Nvidia hiện có thể chứa tới 72 GPU, với tổng TDP tiến gần 250 kW trong năm nay và có thể chạm 600 kW từ năm 2027. TDP, hay Thermal Design Power, là mức công suất nhiệt mà hệ thống tản nhiệt phải xử lý khi phần cứng hoạt động ở tải thiết kế. Trong khi đó, CDU in-row lớn nhất của Accelsius hiện mới chỉ đủ cho một rack 250 kW. Công ty cho biết đang phát triển mẫu hơn 350 kW và cả một hệ thống 2,4 MW trong phòng thí nghiệm. MW, hay megawatt, là đơn vị công suất rất lớn, cho thấy cuộc đua làm mát AI giờ đã bước sang quy mô hạ tầng công nghiệp nặng.

Một thách thức khác nằm ở chính phần cứng gắn lên chip. Hệ thống thử nghiệm với Nvidia B200 của Accelsius dùng cold plate và CDU tùy biến cho môi chất hai pha. Điều này tương đối dễ xử lý với một máy chủ 8 GPU, nhưng sẽ phức tạp hơn nhiều ở những cấu hình đồ sộ như Nvidia NVL72, nơi có 72 GPU, 36 CPU, 18 switch ASIC và hàng chục NIC đều cần làm mát bằng chất lỏng. ASIC là chip chuyên dụng cho một tác vụ cụ thể, còn NIC là card giao tiếp mạng. Accelsius cho rằng cold plate phổ quát có thể giúp các nhà sản xuất OEM tạo ra một nền tảng duy nhất, tương thích cả làm mát một pha lẫn hai pha.

Lịch sử của làm mát hai pha từng gắn với các chất như 3M Novec, vốn thuộc nhóm PFAS. PFAS là tập hợp các hợp chất tổng hợp fluor hóa, thường bị gọi là “hóa chất vĩnh cửu” vì rất khó phân hủy trong môi trường và có liên hệ với nhiều rủi ro sức khỏe. Khi 3M tuyên bố dừng sản xuất nhóm hóa chất này vào cuối năm 2022, nhiều nhà cung cấp giải pháp làm mát bị đặt vào thế khó. Accelsius nói rằng công thức NeuCool của họ dùng hỗn hợp môi chất lạnh đáp ứng chuẩn an toàn ASHRAE A1, nghĩa là không cháy và không độc. ASHRAE là tổ chức kỹ thuật xây dựng các tiêu chuẩn phổ biến cho lĩnh vực điều hòa, thông gió và làm lạnh.

Ngay cả khi hạ tầng và môi chất đã sẵn sàng, thị trường vẫn còn một chướng ngại quen thuộc: sự đồng ý của các OEM như Dell, HPE, Lenovo hay Supermicro. OEM là nhà sản xuất thiết bị gốc, đơn vị chịu trách nhiệm thiết kế, bán và bảo hành hệ thống máy chủ. Việc hoán cải máy chủ để làm mát chất lỏng chưa bao giờ là vấn đề khó nhất; bài toán thực sự nằm ở hỗ trợ kỹ thuật khi có sự cố. Nếu một linh kiện hỏng, lỗi thuộc về máy chủ hay thuộc về hệ thống làm mát? Nếu OEM chưa chính thức hậu thuẫn, khách hàng doanh nghiệp có nguy cơ mắc kẹt với một cỗ máy trị giá hàng trăm nghìn USD nhưng khó được bảo hành.

Nhìn tổng thể, tuyên bố của Accelsius phản ánh một xu hướng ngày càng rõ: khi AI tiếp tục đòi hỏi mật độ tính toán cao hơn, làm mát sẽ không còn là phần phụ trợ mà trở thành công nghệ chiến lược. Nếu giải pháp hai pha thực sự giúp GPU mát hơn, cho phép tăng nhiệt độ nước cơ sở, giảm nhu cầu chiller và cắt mạnh chi phí điện, đây có thể là bước tiến quan trọng cho các datacenter thế hệ mới. Chiller là thiết bị làm lạnh nước trung tâm, vốn tiêu tốn nhiều điện năng. Tuy nhiên, để đi từ bản thử nghiệm trên Dell PowerEdge đến triển khai đại trà, Accelsius vẫn phải chứng minh năng lực ở quy mô rack siêu lớn, hoàn thiện hệ sinh thái CDU, và quan trọng nhất là thuyết phục các OEM đưa công nghệ này vào sản phẩm chính thức.