Mikään muu teknologia ei ole muuttanut elämäämme ja työympäristöämme viime vuosina yhtä perusteellisesti kuin tekoäly. Vaikka kehityksen lopullista suuntaa on vaikea ennustaa, yksi asia on jo nyt selvää: tekoälysovellusten kasvava käyttö lisää datakeskusten laskentatehon tarvetta ennennäkemättömällä vauhdilla. Tämä vie perinteisen datakeskusinfrastruktuurin yhä enemmän rajoilleen – erityisesti jäähdytyksen osalta. Jotta jatkuvasti kasvava jäähdytystehon tarve voidaan kattaa, ei nykyään ole enää muuta vaihtoehtoa kuin Direct Liquid Cooling (DLC) -tekniikkaa. Tässä blogissa kerrotaan miksi tämä tekniikka on välttämätön tekoälylaskentakeskuksille ja miten se toimii.
Datakeskusten tekoälyaikakausi
Tekoälyn nousun vuoksi alan järjestö Tech-insider ennustaa, että Suomen datakeskusten kapasiteetti kolminkertaistuu vuoteen 2030 mennessä 1,6→5–6 TWh 2030. Kansainvälisessä vertailussa Suomella on kuitenkin tälläkin tasolla vain suhteellisen vaatimaton rooli. Yhdysvalloissa oli jo vuonna 2024 käytössä datakeskuksia, joiden kokonaiskapasiteetti oli noin 50 gigawattia. Tämä vastaa moninkertaista määrää verrattuna Suomelle vuoteen 2030 mennessä ennustettuun kapasiteettiin.
| Datakeskushanke | Sijainti | Suunniteltu kapasiteetti |
| Wonder Valley AI Data Center Park | Kanada | 7 500 MW |
| SoftBank France AI -datakeskuksen kapasiteettiohjelma | Ranska | 5 000 MW |
| Scala — AI City (Eldorado do Sul) | Brasilia | 4 800 MW |
| Beacon AI:n Albertan hyperscale-kampukset | Kanada | 4 500 MW |
| ExxonMobilin datakeskusten voimalaitosaloite | Yhdysvallat | 1 500 MW |
Viisi suurinta suunniteltua datakeskuksihanketta
Mistä datakeskusten lämmöntuotto johtuu?
Tehokkaammat datakeskukset vaativat yhä suurempaa tehotiheyttä yksittäisissä räkeissä. Palvelinkaapeissa sijaitsee laskentaintensiivisiin tekoälytyökuormiin tarvittava laitteisto, mukaan lukien prosessorit (CPU:t) ja grafiikkapiirit (GPU:t). Jatkuvassa käytössä oleva laitteisto muuntaa käytännössä jokaisen virransyöttöön käytetyn kilowatin lämmöksi. Yhden palvelinkaapin lämpökuorma voi olla jopa yli 150 kW – ja näitä räkkejä on useita satoja yksittäisissä datakeskuksissa.
Yhden räkin lämpökuorma vertailuna
Jotta 150 kW:n lämpökuorman suuruusluokka voidaan ymmärtää, on syytä tehdä vertailu: Keskimääräinen omakotitalo tarvitsee mukavaan lämmitykseen 10 kW:n tehoisen lämmönlähteen. Yksi ainoa 150 kW:n lämpökuormalla varustettu räkki tuottaa siis tarpeeksi lämpöä 15 omakotitalon lämmittämiseen – ja tämä tapahtuu tilassa, joka on vaatekaapin kokoinen. Siksi jäähdytys on erityisen tärkeää: kun ylikuumeneminen ja pahimmassa tapauksessa laitteistoviat halutaan välttää, tarvitaan sopivia ja energiatehokkaita toimenpiteitä lämpöenergian pois siirtämiseen.
Jäähdytys murroksessa: ilmajäähdytyksestä nestejäähdytykseen
Vaikka ilmajäähdytys on ollut datakeskuksissa standardi, se on saavuttamassa fyysiset rajansa tekoälytyökuormien aiheuttaman tehotiiveyden takia. Ilmajäähdytyksellä toimittaessa maksimaalinen jäähdytysteho on 35 kW:n luokkaa per räkki. Kun lämpökuorma räkeissa nousee jopa 150 kW:iin, jäähdytysteho ei yksinkertaisesti enää riitä. Vastaavasti suorassa nestejäähdytyksessä palvelinten sisään johdettava vesi voi ottaa vastaan 3 500 kertaisen määrän lämpöä ilmaan verrattuna. Vesi on ylivoimainen jäähdytysaine ilmaan verrattuna.
Suoran nestejäähdytyksen toimintaperiaate
Suora nestejäähdytys perustuu suljettuun nestekiertoon, joka imee syntyvän lämmön ja johtaa sen hallitusti pois datakeskuksesta. Tärkeä etu tässä järjestelmässä on se, että jäähdytysvesi johdetaan putkijärjestelmän avulla suoraan sinne, missä lämpö syntyy – jopa suoraan prosessorille (tästä syystä ”Suora” nestejäähdytys). Näin jäähdytys on erityisen tehokasta ja kohdennettua.
Jäähdytyskierron rakenne ja komponentit
Käytännön toimintaa voidaan havainnollistaa grafiikkapiirin (GPU) esimerkillä. GPU, esimerkiksi NVIDIA Blackwell, on pinta-alaltaan vain 7,5 cm2, mutta se voi tuottaa jopa 1 000 watin lämpötehon. Jotta hukkalämpö voidaan johtaa pois laitteen sisältä, prosessorin päälle on asennettu niin kutsuttu coldplate (pieni lämmönvaihdin). Kyseessä on metallilevy, johon on liitetty DLC-järjestelmään kytketty nesteputki. Metallin korkean lämmönjohtavuuden ansiosta coldplate imee suurimman osan syntyvästä lämmöstä ja siirtää sen kiertävään jäähdytysnesteeseen. Sieltä vesi kuljettaa lämmön CDU (Coolant Distribution Unit) -yksikköön, joka säätelee jäähdytysnesteen virtausta, lämpötilaa ja painetta. CDU voidaan liittää ulkoiseen vedenjäähdyttimeen tai lämmön talteenottoon. Paluumatkalla GPU:lta jäähdyttimeen vesi saavuttaa ns. noin 50 °C:n lämpötilan. Tämä suhteellisen korkea lämpötila mahdollistaa hukkalämmön hyödyntämisen esimerkiksi rakennusten lämmitykseen.
Kuinka turvallista suora nestejäähdytys on?
Oikein käytettynä suora nestejäähdytys ei aiheuta turvallisuusriskiä datakeskuksen infrastruktuurille. Rittalin OPC-standardien mukaisesti kehitetyissä järjestelmissä kriittiset komponentit on kahdennettu, joten jäähdytys jatkuu myös teknisissä vikatilanteissa. Laitteiston anturit valvovat jatkuvasti jäähdytyskierron virtausta, painetta ja lämpötiloja. Jos näissä ilmenee poikkeamia, ohjelmisto tunnistaa ne ja antaa hälytyksen varhaisessa vaiheessa. Hot-swap-toiminnon ansiosta kriittiset komponentit voidaan lisäksi vaihtaa käynnin aikana, mikä estää pidemmät huoltokatkot .
Yhteenveto
Suora nestejäähdytys on avainteknologia tekoälyä hyödyntävien datakeskusten toiminnalle. Nykypäivän laitteistojen kasvava tehotiheys aiheuttaa lämpökuormia, joihin perinteinen ilmajäähdytys ei riitä. Paremman suorituskyvyn ja suoraan palvelinten sisältä tapahtuvan lämmönpoiston ansiosta DLC mahdollistaa huomattavasti suuremman jäähdytystehon ja -tehokkuuden ja luo siten perustan tehokkaiden AI-datakeskusten luotettavalle ja turvalliselle toiminnalle.
DLC tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden lämmön talteenottoon etenkin kaukolämpöalueilla.
Usein kysytyt kysymykset
1. Miksi suora nestejäähdytys on välttämätöntä tekoälykeskuksille?
Nykyaikainen tekoälylaitteisto voi tuottaa yli 150 kW:n lämpökuormia per räkki. Perinteinen ilmajäähdytys puolestaan saavuttaa vain noin 35 kW:n tehon per räkki ja on siten saavuttanut fyysiset rajansa. DLC mahdollistaa suurten tehotiheyksien luotettavan jäähdytyksen.
2. Miten suora nestejäähdytys toimii?
Suora nestejäähdytys poistaa lämmön suoraan sieltä, missä se syntyy. Vettä johdetaan suljetun jäähdytyskierron kautta komponentteihin, kuten CPU:ihin ja GPU:ihin. Lämpöenergia johdetaan sen jälkeen hallitusti pois datakeskuksesta.
3. Mitä etuja suora nestejäähdytys tarjoaa ilmanjäähdytykseen verrattuna?
Suora nestejäähdytys käyttää jäähdytysaineena vettä, joka voi sitoa noin 3 500 kertaa enemmän lämpöä kuin ilma. Tämä takaa tehokkaamman ja suorituskykyisemmän jäähdytyksen AI-keskuksissa.
4. Onko suora nestejäähdytys turvallista?
Kyllä, suoraa nestejäähdytystä pidetään turvallisena. Anturit valvovat jatkuvasti jäähdytyskierron lämpötilaa, painetta ja virtausta. Lisäksi redundantit komponentit parantavat toimintavarmuutta.
5. Voidaanko suoran nestejäähdytysjärjestelmän hukkalämpöä hyödyntää?
Kyllä, suora nestejäähdytys mahdollistaa hukkalämmön hyödyntämisen lämmön talteenottoon. Jäähdytysvesi saavuttaa paluukierrossa noin 50 °C:n lämpötilan. Syntyvää lämpöä voidaan käyttää esimerkiksi rakennusten lämmitykseen tai kaukolämpöön.
Vesa Tarvainen
Rittal Oy:n IT-tuotteiden ja -ratkaisujen tuotepäällikkö
Vesalla on noin 20-vuoden kokemus alalta, ja hän auttaa sähköistämis- ja hiilidioksidipäästöjen vähentämistoimenpiteissä datakeskuksissa, virransyötössä ja automaatiosovelluksissa.