Vật liệu nhựa cho các thành phần trung tâm dữ liệu AI

Các trung tâm dữ liệu đang được phát triển trên toàn thế giới như cơ sở hạ tầng quan trọng hỗ trợ các dịch vụ đám mây, phát trực tuyến video, trí tuệ nhân tạo tạo sinh và nhiều hơn nữa. Đồng thời, nhu cầu tính toán ngày càng tăng cho AI đang khiến mức tiêu thụ điện năng của các trung tâm dữ liệu tăng nhanh. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự báo rằng mức tiêu thụ điện năng của các trung tâm dữ liệu toàn cầu vào năm 2024 là khoảng 415 TWh và sẽ đạt khoảng 945 TWh vào năm 2030. ^*1　
Việc mở rộng các cơ sở điện toán tốc độ cao, mật độ cao dành cho trí tuệ nhân tạo được coi là một yếu tố chính. Do đó, các trung tâm dữ liệu ngày càng được định vị không chỉ đơn thuần là các cơ sở công nghệ thông tin và truyền thông, mà còn là cơ sở hạ tầng xã hội cần được xem xét cùng với cơ sở hạ tầng điện lực.
Các chính sách quốc gia cũng đang được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng này. Trọng tâm đang chuyển từ việc chỉ đơn thuần thúc đẩy việc lắp đặt các trung tâm dữ liệu sang việc đảm bảo khả năng tiếp nhận ổn định lượng điện năng lớn, sử dụng năng lượng hiệu quả và vận hành bền vững.​ ​^​​
Tại EU, theo Chỉ thị về Hiệu quả Năng lượng, các nghĩa vụ báo cáo liên quan đến hiệu suất năng lượng và lượng nước tiêu thụ đã được đưa ra đối với các trung tâm dữ liệu có quy mô nhất định. Ủy ban Châu Âu cũng đang xem xét một cơ sở dữ liệu chung, một hệ thống xếp hạng và các tiêu chuẩn hiệu suất tối thiểu. ^*2　
Nói cách khác, các trung tâm dữ liệu trong tương lai sẽ được đánh giá không chỉ dựa trên khả năng tính toán mà còn dựa trên hiệu quả quản lý điện năng, nước và tác động đến môi trường.^​​​​

*1: Energy and AI – Analysis – IEA*2: Energy performance of data centres – Energy – European Commission ​​​​

Trong các trung tâm dữ liệu truyền thống, việc lắp đặt một số lượng lớn máy chủ tương đối tiêu chuẩn và quản lý toàn bộ không gian bằng thiết bị HVAC là điều phổ biến. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự ra đời của các máy chủ AI được trang bị số lượng lớn GPU đã làm tăng đáng kể cả mật độ công suất và lượng nhiệt sinh ra trên mỗi giá đỡ.
IEA xác định các máy chủ điện toán tăng tốc dành cho AI chiếm một phần lớn trong sự gia tăng nhu cầu điện năng của trung tâm dữ liệu đến năm 2030, đồng thời cũng lưu ý rằng nhu cầu về hệ thống làm mát và các cơ sở hạ tầng khác phát sinh là không thể bỏ qua. ^*3　
Do đó, sự phát triển của trung tâm dữ liệu không chỉ đơn thuần là việc bổ sung thêm máy chủ mà còn hướng đến việc tăng công suất và khả năng xử lý nhiệt của mỗi giá đỡ và hệ thống.​
Vì lý do này, thiết bị bên trong các trung tâm dữ liệu đang chuyển từ việc chỉ đơn giản sắp xếp các thiết bị CNTT sang cấu hình kết hợp các hệ thống cung cấp điện ổn định, hệ thống dự phòng để tránh thời gian ngừng hoạt động trong trường hợp mất điện hoặc sụt áp, và các cơ chế loại bỏ nhiệt sinh ra một cách hiệu quả.​
Hướng dẫn thiết kế của DOE cũng mô tả thiết kế trung tâm dữ liệu như là sự tối ưu hóa tích hợp các thiết bị CNTT, hệ thống HVAC, làm mát và điện. Nó trình bày một phương pháp thiết kế toàn diện bao gồm các hệ thống điện như PDU và UPS, quản lý luồng không khí và thiết bị làm mát bằng chất lỏng. ^*4

*3: Energy and AI – Analysis – IEA*4: Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design

Trong các trung tâm dữ liệu, việc ngăn ngừa sự cố mất điện thậm chí còn quan trọng hơn so với các tòa nhà thông thường. Do đó, thiết kế hệ thống cung cấp điện dựa trên cấu hình dự phòng như 2N và N+1 là rất cần thiết. Những thiết kế như vậy không chỉ chuyển đổi và phân phối điện năng đầu vào một cách hiệu quả đến từng thiết bị mà còn cho phép hoạt động liên tục trong trường hợp xảy ra sự cố hoặc mất điện.
Hướng dẫn thiết kế của DOE mô tả hệ thống điện trung tâm dữ liệu là một cấu hình kết hợp điện lưới, máy phát điện dự phòng, UPS, PDU và các thiết bị liên quan. Nó cũng trình bày một phương pháp kết hợp nhiều UPS và PDU để đảm bảo tính dự phòng. ^*5　
Hơn nữa, do hiệu suất của UPS giảm ở hệ số tải thấp, việc sử dụng nhiều UPS nhỏ hơn hoặc UPS dạng mô-đun có thể hiệu quả trong việc duy trì hệ số tải phù hợp. ^*5,6 ENERGY STAR cũng lưu ý rằng việc giảm tổn thất của UPS và quản lý hệ số tải một cách thích hợp sẽ trực tiếp góp phần tiết kiệm năng lượng. Đối với một số mô hình, việc sử dụng chế độ tiết kiệm năng lượng cũng có thể giúp giảm chi phí điện. ^*6,7　
Do đó, trong các trung tâm dữ liệu tương lai, những yếu tố thiết kế quan trọng cần xem xét không chỉ là lượng điện năng tiêu thụ, mà còn là cách phân phối điện năng trong toàn bộ cơ sở, cách giảm thiểu tổn thất và cấu hình hệ thống dự phòng.
Đáp lại sự mở rộng nhanh chóng của các trung tâm dữ liệu AI, một khuyến nghị của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ năm 2024 cũng nêu rõ cần hỗ trợ các chiến lược nguồn điện dự phòng mới và các phương pháp vận hành linh hoạt cho các trung tâm dữ liệu. ^*8 Nó chỉ ra sự cần thiết phải xem xét không chỉ nguồn điện khẩn cấp thông thường, mà còn cả lưu trữ pin, các nguồn điện thay thế, lưu trữ dài hạn và sử dụng các dịch vụ lưới điện. Nó cũng lưu ý rằng các nhà máy điện ảo và lưới điện siêu nhỏ có thể đóng vai trò là điểm khởi đầu. ^*8　
Xu hướng này cho thấy các trung tâm dữ liệu trong tương lai đang chuyển từ những cơ sở chỉ đơn thuần tiêu thụ điện năng sang cơ sở hạ tầng phải thực hiện quản lý năng lượng tiên tiến đồng thời hỗ trợ tải trọng cao.

*5: Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*6: Reduce Energy Loss from Uninterruptible Power Supply Systems*7: Uninterruptible Power Supplies*8: Powering AI and Data Center Infrastructure: Recommendations

Trong các trung tâm dữ liệu, phần lớn năng lượng tiêu thụ cuối cùng chuyển hóa thành nhiệt, do đó làm cho hệ thống làm mát trở thành một phần cốt lõi trong hoạt động.
Hướng dẫn thiết kế của DOE coi việc quản lý luồng không khí là một biện pháp quan trọng để ngăn chặn sự trộn lẫn giữa không khí lạnh được cung cấp với nhiệt thải từ máy chủ và để cung cấp lượng làm mát cần thiết đến các vị trí cần thiết. ^*9　
Đặc biệt, cấu hình hành lang nóng/lạnh, phân tách rõ ràng phía hút gió và phía thoát khí của giá đỡ, là một khái niệm cơ bản trong các trung tâm dữ liệu mật độ cao. Thiết kế đúng cách có thể dẫn đến chi phí vận hành thấp hơn, giảm nguy cơ gián đoạn xử lý và cải thiện mật độ năng lượng.
Trong các trung tâm dữ liệu làm mát bằng không khí, ngay cả sự rò rỉ không khí nhỏ hoặc sự nhiễu loạn trong đường dẫn luồng không khí cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả làm mát. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và tiêu chuẩn ENERGY STAR đưa ra các biện pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả như ngăn chặn sự trộn lẫn giữa không khí lạnh và không khí thải, hạn chế luồng không khí đi tắt không cần thiết và quản lý các khe hở bên trong và bên ngoài giá đỡ. ^*10　
ENERGY STAR lưu ý rằng việc bịt kín đúng cách các khoảng trống trong giá đỡ có thể, trong một số trường hợp, mang lại mức tiết kiệm năng lượng từ 1–2% cho mỗi giá đỡ. Các ví dụ thực tế của DOE cũng đã xác nhận rằng việc quản lý luồng không khí được cải thiện có thể tăng khả năng làm mát và giảm công suất quạt. ^*11　
Do đó, các yếu tố thiết kế quan trọng trong trung tâm dữ liệu không chỉ bao gồm thiết bị làm mát quy mô lớn mà còn cả việc kiểm soát luồng không khí chính xác xung quanh các giá đỡ và ngăn chặn các đường rò rỉ khí.​
Trong các máy chủ mật độ cao, mức tiêu thụ điện năng của quạt bên trong máy chủ không thể bỏ qua. Hướng dẫn thiết kế của DOE giải thích rằng khi nhiệt độ đầu vào của máy chủ tăng lên, tốc độ quạt bên trong cũng tăng theo. Ví dụ, nhiệt độ tăng từ 77°F lên 91°F có thể làm tăng tốc độ quạt lên khoảng 30% và công suất quạt tăng hơn gấp đôi.
Vì lý do này, thay vì chỉ đơn giản là tăng nhiệt độ phòng, điều quan trọng là phải ổn định môi trường nhiệt tại cửa hút gió của máy chủ. Đối với các máy chủ GPU sinh nhiệt cao, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cũng khuyến nghị nên xem xét làm mát bằng chất lỏng trực tiếp. Trong tương lai, các cơ chế truyền nhiệt bằng chất lỏng, thay vì chỉ sử dụng không khí, dự kiến sẽ ngày càng trở nên quan trọng.

*9: Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*10: Manage Airflow for Cooling Efficiency | ENERGY STAR*11: DOE AM Tool–User’s Manual v3.1 (7-25-2023).pdf

Tác động môi trường của các trung tâm dữ liệu không thể được đánh giá đầy đủ chỉ dựa trên mức tiêu thụ điện năng.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cho biết rằng trong các trung tâm dữ liệu sử dụng hệ thống làm mát bằng nước hoặc tháp giải nhiệt, lượng nước tiêu thụ không chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt lượng do thiết bị CNTT tạo ra mà còn bởi hiệu quả của từng giai đoạn loại bỏ nhiệt. Bộ này đưa ra WUE, hay Hiệu quả sử dụng nước, như một chỉ số đánh giá. ^*12　
Tại EU, một hệ thống báo cáo cũng đã được thiết lập để thu thập và công bố dữ liệu về lượng nước tiêu thụ bên cạnh hiệu suất năng lượng. ^*13 Trong tương lai, các trung tâm dữ liệu sẽ được đánh giá không chỉ dựa trên khả năng tính toán mà còn dựa trên hiệu quả hoạt động với mức tiêu hao điện năng và nước tối thiểu.
Vì lý do này, các trung tâm dữ liệu trong tương lai sẽ không chỉ cần hiệu năng máy chủ được cải thiện mà còn cần nguồn điện hiệu quả, hoạt động ổn định trong trường hợp mất điện và luồng không khí và chất lỏng được tối ưu hóa để tản nhiệt hiệu quả.​
Nói cách khác, chúng tôi tin rằng chúng ta đã bước vào một kỷ nguyên mà khả năng cạnh tranh của một trung tâm dữ liệu không chỉ được quyết định bởi thiết bị CNTT mà còn bởi khả năng thiết kế của cơ sở hạ tầng xung quanh: cách quản lý điện, nhiệt và nước.

*12: Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*13: Energy performance of data centres – Energy – European Commission