So sánh Làm mát bằng Chất lỏng và Làm mát bằng Không khí cho Trung tâm Dữ liệu AI: Phân tích Chi phí-Lợi ích 2025

Cập nhật ngày 8 tháng 12, 2025

Làm mát bằng không khí đạt đến giới hạn vật lý ở chính xác 41,3kW mỗi rack. Vượt ngưỡng này, lượng không khí cần thiết để tản nhiệt vượt quá khả năng của bất kỳ thiết kế thực tế nào, tạo ra cơn ác mộng về tiếng ồn và hỗn loạn nhiệt mà không kỹ thuật nào có thể giải quyết.¹ Làm mát bằng chất lỏng hứa hẹn giải pháp thông qua nhiệt động lực học vượt trội, nhưng với chi phí khiến các CFO phải hoài nghi: $2-3 triệu mỗi megawatt cho các công trình nâng cấp.² Sự lựa chọn giữa làm mát bằng không khí và chất lỏng quyết định không chỉ ngân sách hạ tầng mà còn khả năng cạnh tranh trong thị trường AI nơi từng mili-giây phân định người thắng kẻ thua.

Cập nhật tháng 12/2025: Năm 2025 đánh dấu thời điểm làm mát bằng chất lỏng "chuyển từ công nghệ tiên phong sang tiêu chuẩn cơ bản." Thị trường làm mát bằng chất lỏng cho trung tâm dữ liệu đạt 5,52 tỷ đô la năm 2025 và được dự báo đạt 15,75 tỷ đô la vào năm 2030 (CAGR 23,31%). Với 22% trung tâm dữ liệu hiện đang triển khai hệ thống làm mát bằng chất lỏng, công nghệ này đã thoát khỏi vị thế ngách để trở thành hạ tầng cốt lõi. Làm mát trực tiếp đến chip chiếm thị phần chi phối 47%, với Microsoft bắt đầu triển khai trên toàn bộ hệ thống Azure vào tháng 7/2025 và thử nghiệm vi lưu chất cho các thế hệ tương lai. Colovore đã đảm bảo một cơ sở trị giá $925 triệu cung cấp công suất lên đến 200kW mỗi rack. Các chip AI hiện đại như NVIDIA H100/H200 và AMD MI300X tạo ra hơn 700W mỗi GPU—mật độ nhiệt mà làm mát bằng không khí đơn giản không thể xử lý. Kiến trúc làm mát kết hợp không khí và chất lỏng đang trở thành tiêu chuẩn triển khai thực tế.

Các trung tâm dữ liệu toàn cầu tiêu thụ 460 terawatt-giờ hàng năm, với làm mát chiếm 40% tổng năng lượng sử dụng trong các cơ sở truyền thống.³ Lộ trình GPU mới nhất của NVIDIA cho thấy mức tiêu thụ điện năng tăng gấp đôi mỗi hai năm, đạt 1.500 watt mỗi chip vào năm 2026.⁴ Các tổ chức đang đối mặt với điểm bùng phát khi những cải tiến nhỏ trong làm mát bằng không khí không thể theo kịp sự tăng trưởng theo cấp số nhân của mật độ nhiệt. Quyết định đưa ra hôm nay sẽ xác định chi phí vận hành trong thập kỷ tới.

Microsoft đã chi 1 tỷ đô la để nâng cấp các cơ sở sang làm mát bằng chất lỏng sau khi phát hiện hạ tầng làm mát bằng không khí của họ không thể hỗ trợ khối lượng công việc huấn luyện GPT.⁵ Amazon Web Services triển khai cả hai công nghệ một cách chiến lược, sử dụng làm mát bằng không khí cho lưu trữ và khối lượng công việc CPU trong khi dành làm mát bằng chất lỏng cho các cụm GPU.⁶ Các cách tiếp cận khác nhau phản ánh một sự thật cơ bản: không có công nghệ làm mát đơn lẻ nào giải quyết được mọi thách thức, và chọn sai sẽ tốn hàng triệu đô la cho tài sản bị mắc kẹt.

Vật lý quyết định tất cả

Không khí mang ít nhiệt hơn nước 3.300 lần theo đơn vị thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn.⁷ Sự thật duy nhất này chi phối mọi quyết định làm mát trong trung tâm dữ liệu hiện đại. Di chuyển một kilowatt nhiệt bằng không khí đòi hỏi 100 feet khối mỗi phút (CFM) lưu lượng không khí với mức tăng nhiệt độ 10°F. Mở rộng lên rack 40kW, bạn cần 4.000 CFM—tương đương tốc độ gió bão cấp 2 trong lối đi lạnh.⁸

Nhiệt dung riêng của nước là 4,186 kJ/kg·K có nghĩa là một gallon có thể hấp thụ lượng nhiệt bằng 3.000 feet khối không khí.⁹ Lưu lượng khiêm tốn 10 gallon mỗi phút xử lý 100kW tải nhiệt với mức tăng nhiệt độ 20°F. Cùng mức làm mát đó bằng không khí sẽ đòi hỏi 10.000 CFM, tạo ra tiếng ồn 95 decibel và tiêu thụ 25kW chỉ riêng cho công suất quạt.¹⁰ Lợi thế vật lý trở nên không thể vượt qua khi mật độ tăng lên.

Hệ số truyền nhiệt kể câu chuyện đầy đủ. Đối lưu không khí-bề mặt đạt 25-250 W/m²·K tùy thuộc vào vận tốc.¹¹ Đối lưu nước-bề mặt đạt 3.000-15.000 W/m²·K, cải thiện gấp 60 lần cho phép bộ trao đổi nhiệt nhỏ hơn đáng kể.¹² Tiếp xúc trực tiếp giữa chất lỏng và vỏ chip thông qua tấm lạnh đạt hơn 50.000 W/m²·K, tiệm cận giới hạn lý thuyết của truyền nhiệt dẫn.¹³

Chênh lệch nhiệt độ nhân bội những lợi thế này. Làm mát bằng không khí đòi hỏi chênh lệch 30-40°F giữa nhiệt độ đầu vào và linh kiện để tạo dòng nhiệt đầy đủ. Làm mát bằng chất lỏng hoạt động với chênh lệch 10-15°F, duy trì nhiệt độ tiếp giáp thấp hơn giúp giảm dòng rò và cải thiện độ tin cậy.¹⁴ Mỗi lần giảm 10°C trong nhiệt độ hoạt động sẽ tăng gấp đôi tuổi thọ linh kiện theo mô hình phương trình Arrhenius.¹⁵

Độ cao và độ ẩm còn hạn chế thêm hiệu quả làm mát bằng không khí. Độ cao một dặm của Denver làm giảm mật độ không khí 17%, đòi hỏi lưu lượng không khí tăng tương ứng để đạt được mức làm mát tương đương.¹⁶ Môi trường độ ẩm cao có nguy cơ ngưng tụ khi không khí lạnh gặp bề mặt ấm, có thể gây hỏng thiết bị thảm khốc. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng hoạt động độc lập với điều kiện môi trường, mang lại hiệu suất nhất quán từ Thung lũng Chết đến Himalaya.

Công nghệ làm mát bằng không khí và giới hạn của chúng

Làm mát bằng không khí sàn nâng truyền thống thống trị các trung tâm dữ liệu trong bốn mươi năm nhờ sự đơn giản và độ tin cậy. Các thiết bị Điều hòa Không khí Phòng Máy tính (CRAC) thổi không khí lạnh dưới sàn nâng, tạo áp suất dương đẩy không khí qua các tấm ô lỗ vào lối đi lạnh. Máy chủ hút không khí qua khung máy và xả không khí nóng vào lối đi nóng. Hệ thống hoạt động tốt cho 3-5kW mỗi rack nhưng thất bại hoàn toàn trên 15kW khi tuần hoàn không khí nóng áp đảo công suất làm mát.¹⁷

Ngăn cách lối đi nóng/lối đi lạnh cải thiện hiệu quả bằng cách ngăn trộn lẫn không khí. Rèm nhựa hoặc tấm panel cứng tách biệt các vùng nóng và lạnh, duy trì chênh lệch nhiệt độ cải thiện hiệu quả làm mát. Ngăn cách được triển khai đúng cách giảm năng lượng làm mát 20-30% và tăng công suất làm mát 40%.¹⁸ Các trung tâm dữ liệu của Google đạt PUE 1,10 sử dụng làm mát bằng không khí tiên tiến với ngăn cách hoàn toàn, chứng minh tiềm năng của công nghệ khi được thực hiện hoàn hảo.¹⁹

Làm mát trong hàng đưa hệ thống lạnh đến gần nguồn nhiệt hơn, rút ngắn đường dẫn không khí và giảm năng lượng quạt. Dòng CRV của Vertiv đặt các thiết bị làm mát giữa các rack máy chủ, xử lý đến 55kW mỗi thiết bị.²⁰ Các thiết bị làm mát InRow của Schneider Electric đạt công suất tương tự với quạt tốc độ thay đổi thích ứng với tải nhiệt.²¹ Cách tiếp cận này phù hợp cho triển khai mật độ trung bình nhưng đòi hỏi một thiết bị làm mát cho mỗi 2-3 rack máy chủ, tiêu tốn diện tích sàn quý giá.

Bộ trao đổi nhiệt cửa sau đại diện cho nỗ lực cuối cùng của làm mát bằng không khí chống lại mật độ tăng cao. Các thiết bị thụ động hoặc chủ động này được lắp trên cửa sau rack, làm mát không khí xả trước khi vào phòng. ChilledDoor của Motivair xử lý đến 75kW mỗi rack sử dụng tuần hoàn nước lạnh.²² Công nghệ duy trì các mô hình luồng khí hiện có trong khi loại bỏ nhiệt tại nguồn, nhưng việc lắp đặt đòi hỏi căn chỉnh chính xác và trọng lượng cửa tạo ra mối lo ngại về cấu trúc cho các rack cũ hơn.

Làm mát giãn nở trực tiếp (DX) loại bỏ hạ tầng nước lạnh bằng cách đưa môi chất lạnh trực tiếp đến các thiết bị làm mát. Cách tiếp cận này giảm độ phức tạp và cải thiện hiệu quả cho các cơ sở nhỏ hơn, nhưng rủi ro rò rỉ môi chất lạnh và khả năng mở rộng hạn chế cản trở việc áp dụng. Facebook đã từ bỏ làm mát DX sau khi rò rỉ môi chất lạnh gây ra nhiều lần sơ tán cơ sở, chuyển hoàn toàn sang hệ thống dựa trên nước.²³

Phân loại mở rộng của làm mát bằng chất lỏng

Làm mát trực tiếp đến chip đơn pha thống trị các triển khai chất lỏng hiện tại thông qua độ tin cậy đã được chứng minh và độ phức tạp có thể quản lý. Các tấm lạnh được lắp trên CPU và GPU tuần hoàn chất làm mát ở 15-30°C, loại bỏ 70-80% nhiệt máy chủ trong khi quạt xử lý phần còn lại.²⁴ Hệ thống InRackCDU của Asetek hỗ trợ 120kW mỗi rack với bơm dự phòng và phát hiện rò rỉ.²⁵ Công nghệ này đòi hỏi sửa đổi máy chủ tối thiểu, cho phép lắp đặt nâng cấp mà không cần thay thế phần cứng hiện có.

Làm mát trực tiếp đến chip hai pha khai thác sự thay đổi pha của môi chất lạnh để loại bỏ nhiệt vượt trội. Chất làm mát sôi ở nhiệt độ bề mặt chip khoảng 50°C, với hơi mang theo nhiệt ẩn hóa hơi. Waterless DLC của ZutaCore đạt 900W làm mát mỗi GPU sử dụng môi chất lạnh R-1234ze ở áp suất thấp.²⁶ Bản chất tự điều chỉnh của quá trình sôi duy trì nhiệt độ đồng đều bất kể sự thay đổi tải nhiệt, nhưng độ phức tạp của hệ thống và chi phí môi chất lạnh hạn chế việc áp dụng.

Ngâm chìm đơn pha nhấn chìm toàn bộ máy chủ trong chất lỏng cách điện, loại bỏ mọi yêu cầu làm mát bằng không khí. Hệ thống ICEraQ của GRC sử dụng dầu tổng hợp duy trì máy chủ ở nhiệt độ đầu vào 45-50°C.²⁷ SmartPod của Submer sử dụng công nghệ tương tự với chất lỏng phân hủy sinh học, xử lý 100kW trong 60 feet vuông.²⁸ Ngâm chìm loại bỏ quạt, giảm tỷ lệ hỏng hóc và cho phép mật độ cực cao, nhưng chi phí chất lỏng $50-100 mỗi gallon và thách thức bảo trì làm chậm việc áp dụng.²⁹

Ngâm chìm hai pha đại diện cho đỉnh cao công nghệ làm mát. Chất lỏng Novec của 3M sôi ở nhiệt độ được kiểm soát chính xác từ 34-56°C, cung cấp làm mát đẳng nhiệt duy trì nhiệt độ linh kiện tối ưu.³⁰ Project Natick của Microsoft đã chứng minh ngâm chìm hai pha xử lý dòng nhiệt 250W/cm², cao gấp 10 lần giới hạn làm mát bằng không khí.³¹ BitFury triển khai 160 megawatt làm mát ngâm chìm hai pha cho khai thác tiền điện tử, chứng minh khả năng mở rộng mặc dù chi phí chất lỏng $200 mỗi gallon.³²

Các phương pháp kết hợp phối hợp các công nghệ để tối ưu hóa làm mát. Làm mát bằng chất lỏng xử lý các linh kiện công suất cao trong khi làm mát bằng không khí quản lý bộ nhớ, lưu trữ và thiết bị mạng. Hệ thống Apollo của HPE sử dụng cách tiếp cận này, với làm mát trực tiếp đến chip cho bộ xử lý và làm mát bằng không khí truyền thống cho mọi thứ khác.³³ Chiến lược cân bằng hiệu suất và chi phí nhưng đòi hỏi quản lý hai hạ tầng làm mát song song.

So sánh chi tiêu vốn tiết lộ những bất ngờ

Hạ tầng làm mát bằng không khí ban đầu có vẻ rẻ một cách lừa dối. Các thiết bị CRAC có giá $30.000-50.000 cho công suất 30 tấn, đủ cho 100kW tải IT.³⁴ Lắp đặt sàn nâng có giá $15-25 mỗi feet vuông.³⁵ Ngăn cách lối đi nóng thêm $5.000-10.000 mỗi rack.³⁶ Một hệ thống làm mát bằng không khí hoàn chỉnh cho cơ sở 1MW có giá $1,5-2 triệu, có vẻ hợp lý cho đến khi yêu cầu mật độ xuất hiện.

Hạ tầng làm mát bằng chất lỏng đòi hỏi đầu tư ban đầu đáng kể. Các Thiết bị Phân phối Làm mát (CDU) có giá $75.000-150.000 cho công suất 500kW.³⁷ Lắp đặt đường ống có giá $50-100 mỗi feet tuyến tính bao gồm cách nhiệt và phát hiện rò rỉ.³⁸ Tấm lạnh và bộ góp thêm $5.000-10.000 mỗi máy chủ.³⁹ Hạ tầng làm mát bằng chất lỏng hoàn chỉnh cho 1MW có giá $3-4 triệu, gấp đôi giá làm mát bằng không khí.

Chi phí ẩn thay đổi đáng kể phép tính. Làm mát bằng không khí ở 40kW mỗi rack đòi hỏi 25 rack cho mỗi megawatt, tiêu tốn 2.500 feet vuông. Làm mát bằng chất lỏng ở 100kW mỗi rack chỉ cần 10 rack trong 1.000 feet vuông. Với mức thuê $200 mỗi feet vuông hàng năm, việc tiết kiệm không gian tạo ra lợi ích $300.000 mỗi năm.⁴⁰ Chi phí xây dựng cho các cơ sở mới trung bình $10-15 triệu mỗi megawatt cho làm mát bằng không khí so với $8-12 triệu cho làm mát bằng chất lỏng do yêu cầu không gian giảm.⁴¹

Các kịch bản nâng cấp nghịch lý lại có lợi cho làm mát bằng chất lỏng. Các cơ sở hiện có thường hỗ trợ 100-150 watt mỗi feet vuông. Nâng cấp làm mát bằng không khí để xử lý mật độ hiện đại đòi hỏi thiết bị CRAC mới, ống dẫn lớn hơn, quạt mạnh hơn, và thường là phân phối điện mới—về cơ bản là tháo dỡ cơ sở. Nâng cấp làm mát bằng chất lỏng thêm CDU và đường ống trong khi duy trì hạ tầng hiện có cho thiết bị cũ. Các dự án nâng cấp của Introl liên tục cho thấy chi phí thấp hơn 20-30% cho việc chuyển đổi sang làm mát bằng chất lỏng so với nâng cấp làm mát bằng không khí.

Chu kỳ làm mới thiết bị ảnh hưởng đáng kể đến tính toán TCO. Máy chủ làm mát bằng không khí đòi hỏi thay thế mỗi 3-4 năm khi vòng bi quạt mòn và tích tụ bụi làm giảm hiệu quả làm mát. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng không có bộ phận chuyển động kéo dài chu kỳ làm mới đến 5-7 năm.⁴² Tuổi thọ kéo dài hoãn chi tiêu vốn trị giá $2-3 triệu mỗi megawatt trong một thập kỷ.

Chi phí vận hành đảo ngược cục diện

Chi phí năng lượng chi phối ngân sách vận hành, và lợi thế hiệu quả của làm mát bằng chất lỏng tích lũy hàng năm. Làm mát bằng không khí tiêu thụ 0,5-1,2 kW cho mỗi kW tải IT trong các triển khai điển hình.⁴³ Làm mát bằng chất lỏng giảm chi phí làm mát xuống 0,1-0,3 kW cho mỗi kW tải IT.⁴⁴ Đối với cơ sở 10MW hoạt động liên tục với giá $0,10 mỗi kWh,

[Nội dung bị cắt ngắn cho bản dịch]