Từ Không Khí đến Chất Lỏng: Sự Tiến Hóa của Hệ Thống Làm Mát Trung Tâm Dữ Liệu để Hỗ Trợ AI-workload

Trung tâm dữ liệu đã trở thành nền tảng của nền kinh tế số, đóng vai trò hỗ trợ cho sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI). Khi các khối lượng công việc AI ngày càng gia tăng, các câu hỏi xoay quanh tính bền vững và hiệu quả năng lượng cũng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Những trung tâm dữ liệu lớn nhất hiện nay có thể tiêu thụ hơn 100 MW – đủ để cung cấp điện cho 80.000 hộ gia đình – khiến việc vận hành theo hướng bền vững trở thành một nhu cầu cấp bách.

Tái định hình hệ thống làm mát trong kỷ nguyên AI

Phương pháp làm mát bằng không khí truyền thống, vốn là tiêu chuẩn trong ngành từ lâu, đang dần chạm đến giới hạn trong việc đáp ứng những môi trường điện toán hiệu năng cao, mật độ cao như hiện nay. Sự gia tăng nhanh chóng của AI và các khối lượng công việc phức tạp đã làm tăng mật độ công suất và lượng nhiệt tỏa ra, đòi hỏi một cách tiếp cận mới về quản lý nhiệt. Làm mát bằng chất lỏng – từng là một giải pháp chuyên biệt – nay đã trở thành thiết yếu, với khả năng truyền nhiệt vượt trội và tiềm năng cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng.

Khi các khối lượng công việc AI tiếp tục mở rộng, giải pháp làm mát bằng chất lỏng giúp các nhà vận hành trung tâm dữ liệu phát triển một cách bền vững. Nhiều đơn vị hiện đang áp dụng kết hợp giữa làm mát bằng không khí và chất lỏng, tối ưu hóa cả về hiệu suất lẫn trách nhiệm môi trường.

Cận Cảnh Các Giải Pháp Làm Mát Bằng Chất Lỏng

• Làm Mát Trực Tiếp Đến Chip (Direct-to-Chip – D2C)

   

  Hình thức phổ biến nhất của làm mát bằng chất lỏng là Direct-to-Chip (D2C), trong đó chất làm mát được tuần hoàn qua các tấm làm lạnh (cold plates) gắn trực tiếp vào bộ xử lý. Phương pháp này giúp tản nhiệt hiệu quả khỏi các linh kiện nóng nhất, giảm lượng điện năng cần dùng cho hệ thống làm mát và cho phép triển khai các hệ thống có mật độ cao hơn, do chất lỏng truyền nhiệt tốt hơn nhiều so với không khí.
  
  Một thành phần quan trọng trong hệ thống D2C là Coolant Distribution Unit (CDU) – thiết bị phân phối chất làm mát hoạt động như một vòng tuần hoàn kín, đảm bảo việc cung cấp chất làm mát với áp suất và nhiệt độ được kiểm soát chính xác.

   

  Tuy nhiên, D2C đòi hỏi phải có hạ tầng chuyên biệt để tạo ra vòng tuần hoàn làm mát bằng chất lỏng này. Việc nâng cấp hệ thống D2C cho các trung tâm dữ liệu hiện hữu có thể rất phức tạp nếu cơ sở hạ tầng ban đầu không được thiết kế để hỗ trợ việc xử lý chất lỏng, gia cố kết cấu, bố trí đường ống và không gian lắp đặt cho CDU, máy bơm và các vòng tuần hoàn của cold plate. 

   
  

  CDU (Coolant Distribution Unit) có nhiệm vụ tuần hoàn chất làm mát đến các tấm làm lạnh (cold plates) được gắn trực tiếp vào các linh kiện trong máy chủ.
   

• Bộ Trao Đổi Nhiệt Gắn Sau Tủ (Rear-Door Heat Exchangers – RDHX)

   

  Bộ trao đổi nhiệt gắn sau tủ (RDHX) được tích hợp trực tiếp vào phía sau các tủ máy chủ, giúp hấp thụ và loại bỏ nhiệt khi không khí nóng thoát ra từ các máy chủ. Giải pháp này mang lại hai hiệu quả đồng thời: vừa làm mát tập trung tại cấp độ từng tủ, vừa giúp giảm nhiệt độ môi trường trong toàn bộ phòng máy nhờ luồng khí lạnh thoát ra sau khi được làm mát.
  
  Bằng cách đưa môi chất làm mát đến gần nguồn nhiệt hơn, RDHX tạo ra một giải pháp trung gian hiệu quả giữa làm mát bằng không khí truyền thống và hệ thống làm mát hoàn toàn bằng chất lỏng.
  
  Đối với các nhà vận hành có quy mô triển khai nhỏ hơn hoặc môi trường trung tâm dữ liệu có mật độ hỗn hợp, RDHX – khi được tích hợp vào chiến lược làm mát lai – có thể cải thiện hiệu suất tản nhiệt, hỗ trợ mật độ rack cao hơn trong không gian giới hạn, đồng thời tối ưu hiệu quả hạ tầng hiện hữu.
  
  Giải pháp này cũng mang lại sự linh hoạt trong việc mở rộng công suất làm mát phù hợp với nhu cầu tính toán ngày càng tăng.. 
   

• Làm Mát Bằng Cách Ngâm (Immersion Cooling)

   

  Để đạt hiệu quả làm mát cao hơn nữa, công nghệ immersion cooling (làm mát bằng cách ngâm) đặt toàn bộ linh kiện máy chủ vào trong một chất lỏng dẫn nhiệt.
  
  Hiện có hai phương pháp chính: 

  • • Làm mát ngâm một pha (Single-phase immersion):  Chất làm mát hấp thụ nhiệt từ các linh kiện và sau đó được bơm ra ngoài để làm mát ở hệ thống bên ngoài. Trong quá trình này, chất lỏng không thay đổi trạng thái mà chỉ truyền và giải phóng nhiệt, giúp duy trì hiệu suất ổn định và tiết kiệm năng lượng. 

    

    Máy chủ được ngâm trong một chất lỏng dẫn nhiệt, chất lỏng này hấp thụ trực tiếp nhiệt từ linh kiện. Sau đó, chất lỏng đã nóng được chuyển đến CDU (Coolant Distribution Unit) để được làm mát.

  • Làm mát ngâm hai pha (Two-phase immersion): Phương pháp này sử dụng chất lỏng cách điện có khả năng sôi khi tiếp xúc với các linh kiện tỏa nhiệt. Khi đó, chất lỏng chuyển thành hơi, hơi này sau đó được ngưng tụ lại thành dạng lỏng và quay trở lại bể chứa, tạo thành một chu trình thụ động khép kín.
    
    Quá trình này giúp tản nhiệt hiệu quả cho các máy chủ AI có mật độ cao, đồng thời giảm thiểu nhu cầu sử dụng hệ thống làm mát chủ động và tiết kiệm năng lượng đáng kể.

   

  Cả hai phương pháp đều mang lại hiệu quả quản lý nhiệt vượt trội, vận hành êm ái hơn và giảm đáng kể chi phí làm mát so với hệ thống làm mát bằng không khí. Tuy nhiên, làm mát bằng cách ngâm cũng đại diện cho một bước chuyển đổi mang tính đột phá trong thiết kế trung tâm dữ liệu. Việc triển khai phương pháp này đòi hỏi những thay đổi lớn về kiến trúc máy chủ, cấu hình tủ rack và bố trí tổng thể của cơ sở hạ tầng – thường bao gồm các bể chứa chất lỏng quy mô lớn, phần cứng được thiết kế riêng và khoản đầu tư ban đầu đáng kể, cùng với nhiều yếu tố cần cân nhắc để có thể triển khai trên diện rộng.

• Giải Pháp Làm Mát Kết Hợp (Hybrid Cooling Solutions)

   

  Hệ thống làm mát lai kết hợp các ưu điểm của cả hai phương pháp làm mát bằng không khí và chất lỏng, tích hợp nhiều công nghệ để mang lại một giải pháp linh hoạt và dễ mở rộng trong việc xử lý các nhu cầu tản nhiệt đa dạng – đặc biệt là trong môi trường vận hành khối lượng công việc AI.
  
  Cụ thể, công nghệ làm mát bằng chất lỏng được sử dụng để xử lý các điểm nóng có mật độ cao, trong khi làm mát bằng không khí đảm nhận việc xử lý nhiệt dư còn lại, giúp tối ưu hiệu suất làm mát toàn diện và tận dụng tốt hạ tầng hiện hữu.

   
  

  Các thiết bị điều hòa không khí trong phòng máy (CRAC – Computer Room Air 

Cách tiếp cận đa dạng này cho phép các nhà vận hành từng bước nâng cấp công suất làm mát và thích ứng với các mức mật độ tải công việc khác nhau. Điều này giúp quá trình chuyển đổi sang hỗ trợ các ứng dụng AI mật độ cao trở nên mượt mà hơn – đặc biệt là đối với các trung tâm dữ liệu đang vận hành, nơi việc thay đổi hạ tầng quy mô lớn có thể gặp nhiều thách thức.  
 

Tối Ưu Không Gian và Hiệu Suất

Bên cạnh những lợi ích về năng lượng và môi trường, công nghệ làm mát bằng chất lỏng còn mang lại một lợi thế thiết thực: tối ưu hóa không gian. Nhờ khả năng hỗ trợ môi trường điện toán mật độ cao hơn, giải pháp này có thể giúp giảm diện tích hạ tầng làm mát tới 60%, cho phép các trung tâm dữ liệu bố trí nhiều năng lực tính toán hơn trong mỗi mét vuông. Điều này hỗ trợ doanh nghiệp mở rộng hoạt động mà không cần gia tăng diện tích thực tế của cơ sở hạ tầng.
 

Biên Giới Mới Trong Tối Ưu Hóa Trung Tâm Dữ Liệu

Một điều rõ ràng là: làm mát bằng chất lỏng – dưới bất kỳ hình thức nào – sẽ trở thành tiêu chuẩn trong các trung tâm dữ liệu sẵn sàng cho AI. Việc mật độ công suất và lượng nhiệt sinh ra từ khối lượng công việc AI không ngừng gia tăng sẽ đòi hỏi các giải pháp quản lý nhiệt hiệu quả hơn. Sự chuyển dịch sang công nghệ làm mát bằng chất lỏng không chỉ là một bước nâng cấp kỹ thuật, mà còn là một chiến lược hướng tới một tương lai số bền vững hơn.

Nhìn về phía trước, mối quan hệ giữa AI và trung tâm dữ liệu sẽ ngày càng trở nên gắn bó mật thiết. AI không chỉ thúc đẩy nhu cầu về hạ tầng mạnh mẽ hơn – mà còn định hình lại cách vận hành trung tâm dữ liệu, với các hệ thống quản lý làm mát được điều khiển bằng AI có thể phân tích dữ liệu hiệu suất theo thời gian thực và tự động điều chỉnh chiến lược làm mát để tối ưu hiệu quả, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường.

Khi các khối lượng công việc AI tiếp tục mở rộng ranh giới của những gì có thể, ngành trung tâm dữ liệu đang đáp lại bằng đổi mới và quyết tâm. Thông qua việc tích hợp các công nghệ làm mát bằng chất lỏng tiên tiến và khai thác sức mạnh của AI để tối ưu hóa vận hành, các nhà vận hành như STT GDC đang thiết lập những chuẩn mực mới về hiệu suất, tính bền vững và tăng trưởng có trách nhiệm.