AI डेटा सेंटर के लिए लिक्विड कूलिंग बनाम एयर कूलिंग: 2025 लागत-लाभ विश्लेषण

8 दिसंबर, 2025 को अपडेट किया गया

एयर कूलिंग प्रति रैक ठीक 41.3kW पर भौतिकी की सीमा तक पहुंच जाती है। इस सीमा से परे, गर्मी हटाने के लिए आवश्यक हवा की मात्रा किसी भी व्यावहारिक डिज़ाइन की क्षमता से अधिक हो जाती है, जिससे ध्वनि संबंधी समस्याएं और थर्मल अराजकता उत्पन्न होती है जिसे कोई भी इंजीनियरिंग हल नहीं कर सकती।¹ लिक्विड कूलिंग बेहतर थर्मोडायनामिक्स के माध्यम से समाधान का वादा करती है, लेकिन ऐसी लागत पर जो CFO को हैरान कर दे: रेट्रोफिट इंस्टॉलेशन के लिए प्रति मेगावाट $2-3 मिलियन।² एयर और लिक्विड कूलिंग के बीच का चुनाव न केवल इंफ्रास्ट्रक्चर बजट बल्कि AI बाजारों में प्रतिस्पर्धी व्यवहार्यता भी निर्धारित करता है जहां मिलीसेकंड विजेताओं को पीछे रह जाने वालों से अलग करते हैं।

दिसंबर 2025 अपडेट: 2025 वह वर्ष है जब लिक्विड कूलिंग "अत्याधुनिक से बेसलाइन में बदल गई।" डेटा सेंटर लिक्विड कूलिंग मार्केट 2025 में $5.52 बिलियन तक पहुंच गया और 2030 तक $15.75 बिलियन (23.31% CAGR) होने का अनुमान है। 22% डेटा सेंटर अब लिक्विड कूलिंग सिस्टम लागू कर रहे हैं, इस तकनीक ने अपनी विशिष्ट स्थिति छोड़कर कोर इंफ्रास्ट्रक्चर का दर्जा प्राप्त कर लिया है। Direct-to-chip कूलिंग 47% मार्केट शेयर के साथ अग्रणी है, Microsoft ने जुलाई 2025 में Azure कैंपस में फ्लीट डिप्लॉयमेंट शुरू किया और भविष्य की पीढ़ियों के लिए माइक्रोफ्लुइडिक्स का परीक्षण कर रहा है। Colovore ने प्रति रैक 200kW तक प्रदान करने वाली $925 मिलियन की सुविधा सुरक्षित की। NVIDIA H100/H200 और AMD MI300X जैसे आधुनिक AI चिप्स प्रति GPU 700W+ उत्पन्न करते हैं—ये थर्मल डेंसिटी एयर कूलिंग की क्षमता से परे हैं। एयर और लिक्विड को मिलाने वाले हाइब्रिड कूलिंग आर्किटेक्चर व्यावहारिक डिप्लॉयमेंट मानक बन रहे हैं।

विश्व स्तर पर डेटा सेंटर सालाना 460 टेरावाट-घंटे ऊर्जा खपत करते हैं, पारंपरिक सुविधाओं में कूलिंग कुल ऊर्जा उपयोग का 40% है।³ NVIDIA के नवीनतम GPU रोडमैप के अनुसार बिजली की खपत हर दो साल में दोगुनी हो रही है, 2026 तक प्रति चिप 1,500 वाट तक पहुंच जाएगी।⁴ संगठन एक महत्वपूर्ण मोड़ पर हैं जहां एयर कूलिंग में वृद्धिशील सुधार हीट डेंसिटी में घातीय वृद्धि से मेल नहीं खा सकते। आज का निर्णय अगले दशक की परिचालन लागत निर्धारित करता है।

Microsoft ने यह पता लगाने के बाद कि उनका एयर-कूल्ड इंफ्रास्ट्रक्चर GPT ट्रेनिंग वर्कलोड को सपोर्ट नहीं कर सकता, लिक्विड कूलिंग के लिए सुविधाओं को रेट्रोफिट करने पर $1 बिलियन खर्च किए।⁵ Amazon Web Services दोनों तकनीकों को रणनीतिक रूप से तैनात करता है, स्टोरेज और CPU वर्कलोड के लिए एयर कूलिंग और GPU क्लस्टर के लिए लिक्विड कूलिंग का उपयोग करता है।⁶ विभिन्न दृष्टिकोण एक मौलिक सत्य को दर्शाते हैं: कोई भी एकल कूलिंग तकनीक हर चुनौती का समाधान नहीं करती, और गलत चुनाव से फंसी हुई संपत्तियों में लाखों का नुकसान होता है।

वह भौतिकी जो सब कुछ निर्धारित करती है

मानक परिस्थितियों में हवा पानी की तुलना में प्रति इकाई आयतन 3,300 गुना कम गर्मी वहन करती है।⁷ यह एकमात्र तथ्य आधुनिक डेटा सेंटर में हर कूलिंग निर्णय को संचालित करता है। हवा से एक किलोवाट गर्मी को 10°F तापमान वृद्धि के साथ हटाने के लिए 100 क्यूबिक फीट प्रति मिनट (CFM) एयरफ्लो की आवश्यकता होती है। इसे 40kW रैक के लिए स्केल करें, और आपको 4,000 CFM की आवश्यकता होगी—जो कोल्ड आइल में Category 2 तूफान की हवा की गति के बराबर है।⁸

पानी की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता 4.186 kJ/kg·K का अर्थ है कि एक गैलन 3,000 क्यूबिक फीट हवा जितनी गर्मी अवशोषित कर सकता है।⁹ 10 गैलन प्रति मिनट की मामूली प्रवाह दर 20°F तापमान वृद्धि के साथ 100kW हीट लोड संभाल सकती है। हवा से समान कूलिंग के लिए 10,000 CFM की आवश्यकता होगी, जो 95 डेसिबल शोर उत्पन्न करेगी और केवल फैन पावर के लिए 25kW खपत करेगी।¹⁰ जैसे-जैसे डेंसिटी बढ़ती है, भौतिकी का लाभ अजेय हो जाता है।

हीट ट्रांसफर गुणांक पूरी कहानी बताते हैं। एयर-टू-सरफेस कन्वेक्शन वेग के आधार पर 25-250 W/m²·K प्राप्त करता है।¹¹ वाटर-टू-सरफेस कन्वेक्शन 3,000-15,000 W/m²·K तक पहुंचता है, 60 गुना सुधार जो नाटकीय रूप से छोटे हीट एक्सचेंजर्स को सक्षम बनाता है।¹² कोल्ड प्लेट्स के माध्यम से लिक्विड और चिप पैकेज के बीच सीधा संपर्क 50,000+ W/m²·K प्राप्त करता है, जो कंडक्टिव हीट ट्रांसफर की सैद्धांतिक सीमाओं के करीब है।¹³

तापमान अंतर इन लाभों को गुणा करते हैं। एयर कूलिंग को पर्याप्त हीट फ्लक्स चलाने के लिए इनलेट और कंपोनेंट तापमान के बीच 30-40°F अंतर की आवश्यकता होती है। लिक्विड कूलिंग 10-15°F अंतर के साथ काम करती है, कम जंक्शन तापमान बनाए रखती है जो लीकेज करंट को कम करता है और विश्वसनीयता में सुधार करता है।¹⁴ Arrhenius समीकरण मॉडलिंग के अनुसार, ऑपरेटिंग तापमान में प्रत्येक 10°C की कमी कंपोनेंट की आयु दोगुनी कर देती है।¹⁵

ऊंचाई और आर्द्रता एयर कूलिंग प्रभावशीलता को और सीमित करती है। Denver की एक मील ऊंचाई हवा की घनत्व को 17% कम कर देती है, समान कूलिंग के लिए आनुपातिक रूप से अधिक एयरफ्लो की आवश्यकता होती है।¹⁶ उच्च आर्द्रता वाले वातावरण में जब ठंडी हवा गर्म सतहों से मिलती है तो संघनन का जोखिम होता है, जो संभावित रूप से विनाशकारी उपकरण विफलता का कारण बन सकता है। लिक्विड कूलिंग सिस्टम परिवेश की स्थितियों से स्वतंत्र रूप से काम करते हैं, Death Valley से हिमालय तक सुसंगत प्रदर्शन प्रदान करते हैं।

एयर कूलिंग तकनीकें और उनकी सीमाएं

पारंपरिक रेज्ड-फ्लोर एयर कूलिंग ने सरलता और विश्वसनीयता के माध्यम से चालीस वर्षों तक डेटा सेंटर पर प्रभुत्व बनाए रखा। Computer Room Air Conditioning (CRAC) यूनिट रेज्ड फ्लोर के नीचे ठंडी हवा भेजती हैं, सकारात्मक दबाव बनाती हैं जो छिद्रित टाइलों के माध्यम से हवा को कोल्ड आइल में धकेलता है। सर्वर अपने चेसिस के माध्यम से हवा खींचते हैं और गर्म हवा को हॉट आइल में निकालते हैं। यह सिस्टम 3-5kW प्रति रैक के लिए बखूबी काम करता है लेकिन 15kW से ऊपर विनाशकारी रूप से विफल हो जाता है क्योंकि गर्म हवा का पुनर्संचरण कूलिंग क्षमता को अभिभूत कर देता है।¹⁷

हॉट आइल/कोल्ड आइल कंटेनमेंट हवा के मिश्रण को रोककर दक्षता में सुधार करता है। प्लास्टिक पर्दे या कठोर पैनल गर्म और ठंडे क्षेत्रों को अलग करते हैं, तापमान अंतर बनाए रखते हैं जो कूलिंग प्रभावशीलता में सुधार करता है। उचित रूप से लागू कंटेनमेंट कूलिंग ऊर्जा को 20-30% कम करता है और कूलिंग क्षमता को 40% बढ़ाता है।¹⁸ Google के डेटा सेंटर पूर्ण कंटेनमेंट के साथ उन्नत एयर कूलिंग का उपयोग करके 1.10 का PUE प्राप्त करते हैं, जो पूर्ण रूप से निष्पादित होने पर तकनीक की क्षमता को साबित करता है।¹⁹

इन-रो कूलिंग रेफ्रिजरेशन को हीट सोर्स के करीब लाती है, एयर पाथ को छोटा करती है और फैन ऊर्जा को कम करती है। Vertiv की CRV सीरीज सर्वर रैक के बीच कूलिंग यूनिट रखती है, प्रति यूनिट 55kW तक संभालती है।²⁰ Schneider Electric के InRow कूलर वेरिएबल-स्पीड फैन के साथ समान क्षमता प्राप्त करते हैं जो हीट लोड के अनुसार अनुकूलित होते हैं।²¹ यह दृष्टिकोण मध्यम-डेंसिटी डिप्लॉयमेंट के लिए काम करता है लेकिन हर 2-3 सर्वर रैक के लिए एक कूलिंग यूनिट की आवश्यकता होती है, जो मूल्यवान फ्लोर स्पेस खपत करती है।

रियर-डोर हीट एक्सचेंजर बढ़ती डेंसिटी के खिलाफ एयर कूलिंग की अंतिम रक्षा पंक्ति हैं। ये पैसिव या एक्टिव यूनिट रैक रियर डोर पर माउंट होती हैं, एग्जॉस्ट एयर को कमरे में प्रवेश करने से पहले ठंडा करती हैं। Motivair का ChilledDoor चिल्ड वाटर सर्कुलेशन का उपयोग करके प्रति रैक 75kW तक संभालता है।²² यह तकनीक मौजूदा एयरफ्लो पैटर्न बनाए रखते हुए स्रोत पर गर्मी हटाती है, लेकिन इंस्टॉलेशन के लिए सटीक संरेखण की आवश्यकता होती है और डोर का वजन पुराने रैक के लिए संरचनात्मक चिंताएं पैदा करता है।

Direct expansion (DX) कूलिंग रेफ्रिजरेंट को सीधे कूलिंग यूनिट में लाकर चिल्ड वाटर इंफ्रास्ट्रक्चर को समाप्त करती है। यह दृष्टिकोण छोटी सुविधाओं के लिए जटिलता को कम करता है और दक्षता में सुधार करता है, लेकिन रेफ्रिजरेंट लीक जोखिम और सीमित स्केलेबिलिटी अपनाने को बाधित करती है। Facebook ने रेफ्रिजरेंट लीक से कई सुविधा निकासी के बाद DX कूलिंग को छोड़ दिया, पूरी तरह से वाटर-बेस्ड सिस्टम पर स्विच कर दिया।²³

लिक्विड कूलिंग का विस्तारित वर्गीकरण

सिंगल-फेज डायरेक्ट-टू-चिप कूलिंग सिद्ध विश्वसनीयता और प्रबंधनीय जटिलता के माध्यम से वर्तमान लिक्विड डिप्लॉयमेंट में प्रभुत्व रखती है। CPU और GPU पर माउंटेड कोल्ड प्लेट 15-30°C पर कूलेंट सर्कुलेट करते हैं, सर्वर की 70-80% गर्मी हटाते हैं जबकि फैन बाकी संभालते हैं।²⁴ Asetek का InRackCDU सिस्टम रिडंडेंट पंप और लीक डिटेक्शन के साथ प्रति रैक 120kW सपोर्ट करता है।²⁵ इस तकनीक के लिए न्यूनतम सर्वर मॉडिफिकेशन की आवश्यकता होती है, जो मौजूदा हार्डवेयर को बदले बिना रेट्रोफिट इंस्टॉलेशन को सक्षम बनाती है।

टू-फेज डायरेक्ट-टू-चिप कूलिंग बेहतर हीट रिमूवल के लिए रेफ्रिजरेंट फेज चेंज का उपयोग करती है। कूलेंट लगभग 50°C चिप सरफेस तापमान पर उबलता है, वाष्प वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा ले जाती है। ZutaCore का Waterless DLC कम दबाव पर R-1234ze रेफ्रिजरेंट का उपयोग करके प्रति GPU 900W कूलिंग प्राप्त करता है।²⁶ उबलने की स्व-नियामक प्रकृति हीट लोड भिन्नताओं की परवाह किए बिना समान तापमान बनाए रखती है, लेकिन सिस्टम जटिलता और रेफ्रिजरेंट लागत अपनाने को सीमित करती है।

सिंगल-फेज इमर्शन पूरे सर्वर को डाइइलेक्ट्रिक फ्लूइड में डुबो देता है, सभी एयर कूलिंग आवश्यकताओं को समाप्त करता है। GRC के ICEraQ सिस्टम सिंथेटिक ऑयल का उपयोग करते हैं जो सर्वर को 45-50°C इनलेट तापमान पर बनाए रखता है।²⁷ Submer का SmartPod बायोडिग्रेडेबल फ्लूइड के साथ समान तकनीक का उपयोग करता है, 60 वर्ग फीट में 100kW संभालता है।²⁸ इमर्शन फैन को समाप्त करता है, फेलियर रेट को कम करता है, और अत्यधिक डेंसिटी को सक्षम बनाता है, लेकिन $50-100 प्रति गैलन की फ्लूइड लागत और सर्विसेबिलिटी चुनौतियां अपनाने को धीमा करती हैं।²⁹

टू-फेज इमर्शन कूलिंग की तकनीकी चोटी है। 3M के Novec फ्लूइड 34-56°C के बीच सटीक नियंत्रित तापमान पर उबलते हैं, आइसोथर्मल कूलिंग प्रदान करते हैं जो इष्टतम कंपोनेंट तापमान बनाए रखती है।³⁰ Microsoft के Project Natick ने टू-फेज इमर्शन को 250W/cm² हीट फ्लक्स संभालते हुए प्रदर्शित किया, एयर कूलिंग सीमाओं से 10 गुना अधिक।³¹ BitFury क्रिप्टोकरेंसी माइनिंग के लिए 160 मेगावाट टू-फेज इमर्शन कूलिंग तैनात करता है, $200 प्रति गैलन फ्लूइड लागत के बावजूद स्केलेबिलिटी साबित करता है।³²

हाइब्रिड दृष्टिकोण अनुकूलित कूलिंग के लिए तकनीकों को जोड़ते हैं। लिक्विड कूलिंग हाई-पावर कंपोनेंट संभालती है जबकि एयर कूलिंग मेमोरी, स्टोरेज और नेटवर्किंग उपकरण प्रबंधित करती है। HPE के Apollo सिस्टम इस दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं, प्रोसेसर के लिए डायरेक्ट-टू-चिप कूलिंग और बाकी सब के लिए पारंपरिक एयर कूलिंग।³³ यह रणनीति प्रदर्शन और लागत को संतुलित करती है लेकिन दो समानांतर कूलिंग इंफ्रास्ट्रक्चर के प्रबंधन की आवश्यकता होती है।

पूंजीगत व्यय की तुलना से आश्चर्य प्रकट होता है

एयर कूलिंग इंफ्रास्ट्रक्चर शुरू में भ्रामक रूप से सस्ता दिखाई देता है। CRAC यूनिट 30-टन क्षमता के लिए $30,000-50,000 की लागत आती है, जो 100kW IT लोड के लिए पर्याप्त है।³⁴ रेज्ड फ्लोर इंस्टॉलेशन $15-25 प्रति वर्ग फुट है।³⁵ हॉट आइल कंटेनमेंट प्रति रैक $5,000-10,000 जोड़ता है।³⁶ 1MW सुविधा के लिए पूर्ण एयर कूलिंग सिस्टम $1.5-2 मिलियन की लागत आती है, जो डेंसिटी आवश्यकताओं के उभरने तक उचित लगती है।

लिक्विड कूलिंग इंफ्रास्ट्रक्चर को पर्याप्त अग्रिम निवेश की आवश्यकता होती है। Cooling Distribution Units (CDUs) की लागत 500kW क्षमता के लिए $75,000-150,000 है।³⁷ पाइपिंग इंस्टॉलेशन इंसुलेशन और लीक डिटेक्शन सहित $50-100 प्रति लीनियर फुट है।³⁸ कोल्ड प्लेट और मैनिफोल्ड प्रति सर्वर $5,000-10,000 जोड़ते हैं।³⁹ 1MW के लिए पूर्ण लिक्विड कूलिंग इंफ्रास्ट्रक्चर $3-4 मिलियन की लागत आती है, एयर कूलिंग मूल्य से दोगुना।

छिपी हुई लागतें गणना को नाटकीय रूप से बदल देती हैं। 40kW प्रति रैक पर एयर कूलिंग के लिए प्रति मेगावाट 25 रैक की आवश्यकता होती है, जो 2,500 वर्ग फीट खपत करता है। 100kW प्रति रैक पर लिक्विड कूलिंग को केवल 10 रैक की आवश्यकता होती है 1,000 वर्ग फीट में। $200 प्रति वर्ग फुट वार्षिक लीज दरों पर, स्पेस बचत $300,000 वार्षिक लाभ उत्पन्न करती है।⁴⁰ नई सुविधाओं के लिए निर्माण लागत एयर कूलिंग के लिए प्रति मेगावाट $10-15 मिलियन बनाम कम स्पेस आवश्यकताओं के कारण लिक्विड कूलिंग के लिए $8-12 मिलियन औसत है।⁴¹

रेट्रोफिट परिदृश्य विपरीत रूप से लिक्विड कूलिंग का पक्ष लेते हैं। मौजूदा सुविधाएं आमतौर पर 100-150 वाट प्रति वर्ग फुट सपोर्ट करती हैं। आधुनिक डेंसिटी को संभालने के लिए एयर कूलिंग को अपग्रेड करने के लिए नई CRAC यूनिट, बड़े डक्ट, मजबूत फैन, और अक्सर नई पावर डिस्ट्रीब्यूशन की आवश्यकता होती है—अनिवार्य रूप से सुविधा को पूरी तरह से बदलना। लिक्विड कूलिंग रेट्रोफिट CDU और पाइपिंग जोड़ते हैं जबकि लीगेसी उपकरण के लिए मौजूदा इंफ्रास्ट्रक्चर बनाए रखते हैं। Introl के रेट्रोफिट प्रोजेक्ट लगातार एयर कूलिंग अपग्रेड की तुलना में लिक्विड कूलिंग कन्वर्जन के लिए 20-30% कम लागत दिखाते हैं।

उपकरण रिफ्रेश साइकिल TCO गणनाओं को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। एयर-कूल्ड सर्वर को हर 3-4 साल में बदलने की आवश्यकता होती है क्योंकि फैन बेयरिंग घिसते हैं और धूल जमा होने से कूलिंग दक्षता कम होती है। मूविंग पार्ट्स की कमी वाले लिक्विड-कूल्ड सिस्टम रिफ्रेश साइकिल को 5-7 साल तक बढ़ाते हैं।⁴² विस्तारित जीवनकाल एक दशक में प्रति मेगावाट $2-3 मिलियन मूल्य के पूंजीगत व्यय को स्थगित करता है।

परिचालन व्यय स्क्रिप्ट पलट देते हैं

ऊर्जा लागत परिचालन बजट पर हावी है, और लिक्विड कूलिंग के दक्षता लाभ वार्षिक रूप से चक्रवृद्धि होते हैं। एयर कूलिंग विशिष्ट कार्यान्वयन में IT लोड के प्रति kW पर 0.5-1.2 kW खपत करती है।⁴³ लिक्विड कूलिंग कूलिंग ओवरहेड को IT लोड के प्रति kW पर 0.1-0.3 kW तक कम करती है।⁴⁴ $0.10 प्रति kWh पर लगातार संचालित 10MW सुविधा के लिए,

[अनुवाद के लिए सामग्री छोटी की गई]