千瓦芯片時(shí)代的熱管理變革

來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

隨著摩爾定律的放緩，芯片，尤其是用于人工智能和高性能計(jì)算（HPC）的芯片，逐漸變得炙手可熱。2023 年，隨著英偉達(dá)（Nvidia）GH200 超級芯片的到來，我們看到加速器的功率進(jìn)入了千瓦級。

我們早已知道這些芯片會(huì)很熱門--Nvidia 在兩年前就已經(jīng)開始預(yù)告這款 CPU-GPU 芯片。直到最近，我們才知道原始設(shè)備制造商和系統(tǒng)構(gòu)建商將如何應(yīng)對這種功率密集型部件。大多數(shù)系統(tǒng)會(huì)采用液體冷卻嗎？還是大多數(shù)會(huì)堅(jiān)持使用空氣冷卻？他們會(huì)在一個(gè)盒子里塞進(jìn)多少臺這樣的加速器，盒子又有多大？

現(xiàn)在，第一批基于 GH200 的系統(tǒng)已經(jīng)投放市場，很明顯，外形尺寸在很大程度上是由功率密度決定的。從根本上說，這取決于散熱的表面積有多大。

深入研究 Supermicro、Gigabyte、QCT、Pegatron、HPE 等公司目前提供的系統(tǒng)，您很快就會(huì)注意到一個(gè)趨勢。每個(gè)機(jī)架單元 （RU） 高達(dá) 500 W – Supermicro 的 MGX ARS-111GL-NHR 為 1 kW – 這些系統(tǒng)主要采用風(fēng)冷。雖然溫度較高，但散熱負(fù)荷仍在可控范圍內(nèi)，每個(gè)機(jī)架的功率約為 21-24 kW。這完全在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的供電和熱管理能力范圍內(nèi)，尤其是那些使用后門熱交換器的數(shù)據(jù)中心。

但是，當(dāng)系統(tǒng)制造商開始在每個(gè)機(jī)箱中安裝超過 1 kW的加速器時(shí)，情況就會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)，我們看到的大多數(shù) OEM 系統(tǒng)都改用了直接液冷技術(shù)。例如，Gigabyte的 H263-V11 在一個(gè) 2U 機(jī)箱中最多可容納四個(gè) GH200 節(jié)點(diǎn)。

也就是說，每個(gè)機(jī)架單元的功率為 2 kW。因此，雖然像 Nvidia 的風(fēng)冷 DGX H100 系統(tǒng)（配備 8 個(gè) 700 瓦 H100 和雙藍(lán)寶石 Rapids CPU）的 TDP 較高，為 10.2 千瓦，但其功率密度實(shí)際上較低，為 1.2 kW/RU。

除了能更有效地從這些密集的加速器中傳遞熱量外，液體冷卻還有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)功率越高，從系統(tǒng)中帶走熱量所需的靜壓和氣流就越大。這就意味著要使用更熱、更快的風(fēng)扇，從而消耗更多的功率——在某些情況下可能高達(dá)系統(tǒng)功率的 20%。

當(dāng)每個(gè)機(jī)架單元的功率超過 500 W 時(shí)，大多數(shù)原始設(shè)備制造商和原始設(shè)計(jì)制造商似乎都會(huì)選擇液冷機(jī)箱，因?yàn)槔鋮s網(wǎng)卡、存儲(chǔ)和其他外設(shè)等低功耗組件所需的風(fēng)扇數(shù)量更少、速度更慢。

只要看看 HPE 的 Cray EX254n 刀片，就能知道液冷機(jī)箱的作用有多大。該平臺最多可支持四個(gè) GH200。在 1U 的計(jì)算刀片中就有 4 千瓦，這還不算用于為芯片提供數(shù)據(jù)的網(wǎng)卡。

當(dāng)然，HPE 的 Cray 部門對超高密度計(jì)算組件的冷卻確實(shí)很有心得。不過，這確實(shí)說明了系統(tǒng)構(gòu)建商在服務(wù)器上花費(fèi)的心思，不僅在系統(tǒng)層面，而且在機(jī)架層面。

機(jī)架級起飛

正如我們之前在介紹 Nvidia DGX H100 系統(tǒng)時(shí)提到的那樣，為多千瓦服務(wù)器單獨(dú)散熱是原始設(shè)備制造商非常熟悉的事情。但是，一旦要在機(jī)架上安裝這些系統(tǒng)，情況就會(huì)變得復(fù)雜起來，機(jī)架電源和設(shè)備冷卻等因素都會(huì)發(fā)揮作用。

在我們的同類出版物《下一代平臺》（The Next Platform）上，我們深入探討了像 Digital Reality 這樣的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商為支持此類系統(tǒng)的密集部署而必須克服的挑戰(zhàn)。

在許多情況下，主機(jī)托管服務(wù)提供商需要重新設(shè)計(jì)其電源和冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，以支持在單個(gè)機(jī)架中安裝四個(gè) DGX H100 系統(tǒng)所需的 40 多千瓦的功率和熱量。

但是，如果您的數(shù)據(jù)中心或主機(jī)托管服務(wù)提供商無法提供這種功率的機(jī)架，也無法承受這種熱量，那么在大部分機(jī)架都將空置的情況下，將這些系統(tǒng)的密度提高到這種程度就沒有多大意義了。

隨著 GH200 的推出，我們看到 Nvidia 不再關(guān)注單個(gè)系統(tǒng)，而是更加關(guān)注機(jī)架規(guī)模的部署。在今年春季的 Computex 上，我們首次看到了 DGX GH200 集群。

該系統(tǒng)實(shí)際上由 256 個(gè) 2U 節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝有一個(gè) GH200 加速器，而不是一堆密集的 GPU 節(jié)點(diǎn)。組合起來，該系統(tǒng)能夠提供高達(dá) exaFLOPS 的 FP8 性能，但在設(shè)施層面的部署要容易得多。現(xiàn)在的功耗不再是 1.2 kW/RU，而是接近 500 W/RU，這與大多數(shù)原始設(shè)備制造商使用自己的風(fēng)冷系統(tǒng)時(shí)的情況差不多。

最近，我們看到 Nvidia 在今年秋季的 Re:Invent 大會(huì)上與 AWS 合作發(fā)布了 GH200-NVL32，將其縮小到單個(gè)機(jī)架。

該系統(tǒng)在一個(gè)機(jī)架上安裝了 16 個(gè) 1U 機(jī)箱，每個(gè)機(jī)箱配備兩個(gè) GH200 節(jié)點(diǎn)，并使用九個(gè) NVLink 交換機(jī)托盤將它們連接在一起。不用說，這些計(jì)算能力為 2 千瓦/RU 的小系統(tǒng)密度很高，因此從一開始就被設(shè)計(jì)為液冷系統(tǒng)。

更熱的芯片即將上市

雖然我們一直在關(guān)注 Nvidia 的 Grace Hopper 超級芯片，但這家芯片制造商并不是唯一一家為追求性能和效率而將 TDP 推向新極限的廠商。

本月早些時(shí)候，AMD 公布了其最新的 AI 和 HPC GPU 和 APU，該公司的 Instinct 加速器的功耗從上一代的 560 W 躍升至 760 W。

更重要的是，AMD 首席技術(shù)官馬克-帕普馬斯特（Mark Papermaster）告訴《The Register》，未來幾年仍有足夠的空間將 TDP 推得更高。

至于這是否會(huì)最終促使芯片制造商強(qiáng)制要求其旗艦產(chǎn)品采用液冷技術(shù)，目前還沒有答案。據(jù) Papermaster 稱，AMD 將在其平臺上支持空氣和液體冷卻。但正如我們在 AMD 新的 MI300A APU 上看到的那樣，繼續(xù)選擇風(fēng)冷幾乎肯定意味著性能上的讓步。

MI300A的額定功率為550瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們所認(rèn)為的850瓦，但如果有足夠的冷卻，它的運(yùn)行溫度會(huì)更高。在HPC調(diào)整系統(tǒng)中，如HPE、Eviden（Atos）或聯(lián)想開發(fā)的系統(tǒng)，芯片可以配置為760 W。

與此同時(shí)，英特爾正在探索使用兩相冷卻劑和珊瑚啟發(fā)設(shè)計(jì)的散熱片來冷卻 2 千瓦芯片的新方法，以促進(jìn)氣泡的形成。

這家芯片制造商還宣布與基礎(chǔ)設(shè)施和化學(xué)品供應(yīng)商建立廣泛的合作關(guān)系，以擴(kuò)大液體冷卻技術(shù)的使用范圍。該公司最新的合作旨在利用 Vertiv 的泵送兩相冷卻技術(shù)為英特爾即將推出的 Guadi3 AI 加速器開發(fā)冷卻解決方案。?

審核編輯 黃宇