Làm mát chip AI trở thành mắt xích quan trọng trong cuộc đua trung tâm dữ liệu
Khi trí tuệ nhân tạo (AI) phát triển nhanh chóng, cuộc cạnh tranh giữa các quốc gia không còn chỉ xoay quanh chip bán dẫn, máy chủ hay năng lực tính toán. Một vấn đề kỹ thuật khác đang trở nên quan trọng không kém là làm thế nào để kiểm soát lượng nhiệt khổng lồ sinh ra từ các bộ xử lý AI trong trung tâm dữ liệu.
Hàn Quốc đang đứng trước thách thức đáng kể trong lĩnh vực này. Theo nội dung bài viết nguồn, quốc gia này hiện phụ thuộc lớn vào thiết bị và công nghệ làm mát nhập khẩu, trong khi Mỹ nắm giữ nhiều công nghệ phần cứng cốt lõi và Đài Loan có vị trí quan trọng trong chuỗi cung ứng linh kiện, lắp ráp máy chủ AI.
Các chuyên gia cho rằng nếu không phát triển năng lực quản lý nhiệt, Hàn Quốc sẽ gặp khó khăn trong việc xây dựng và vận hành những trung tâm dữ liệu AI có mật độ tính toán ngày càng cao. Đây không chỉ là vấn đề tiết kiệm điện, mà còn liên quan trực tiếp đến hiệu suất hoạt động, độ ổn định và khả năng mở rộng hạ tầng AI.
Tại Phòng thí nghiệm Quản lý Nhiệt Cao cấp thuộc Khoa Cơ khí, Đại học Ajou ở thành phố Suwon, tỉnh Gyeonggi, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm những phương pháp làm mát được xem là thế hệ tiếp theo.
Trong một thí nghiệm, các bong bóng nhỏ xuất hiện thành hàng trên bề mặt tấm kim loại khi công suất của thiết bị mô phỏng chip tăng lên. Bên dưới tấm kim loại là một thiết bị mô phỏng chip bán dẫn. Khi nhiệt độ tăng, chất làm lạnh sôi, hấp thụ nhiệt và chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí.
Giáo sư Lee Jung-ho thuộc Khoa Cơ khí, Đại học Ajou, giải thích rằng quá trình chuyển pha tạo ra nhiệt ẩn, cho phép chất lỏng hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể khi chuyển thành khí. Cơ chế này là nền tảng của công nghệ làm mát hai pha, một hướng nghiên cứu đang thu hút sự quan tâm trong bối cảnh chip AI ngày càng nóng hơn.
Ở một phòng thí nghiệm khác cách đó khoảng 300 mét, các nhà nghiên cứu thử nghiệm công nghệ làm mát bằng cách ngâm toàn bộ máy chủ trong chất lỏng. Giáo sư Lee cho biết nhóm đang nghiên cứu một hệ thống làm mát ngâm một pha không cần máy làm lạnh hoặc máy bơm.
Những thử nghiệm này phản ánh nỗ lực tìm kiếm phương pháp kiểm soát nhiệt hiệu quả hơn, khi các hệ thống làm mát truyền thống ngày càng khó đáp ứng yêu cầu của trung tâm dữ liệu AI thế hệ mới.
Công suất chip AI tăng nhanh, áp lực nhiệt ngày càng lớn
Một trong những nguyên nhân khiến công nghệ quản lý nhiệt trở nên cấp thiết là công suất tiêu thụ điện và lượng nhiệt của các bộ xử lý AI liên tục tăng.
Theo các con số được bài viết nguồn nêu, công suất thiết kế nhiệt (TDP) của GPU NVIDIA A100 vào năm 2020 là 400 W. Đến năm 2022, GPU H100 được đề cập ở mức 700 W; B200 năm 2024 đạt 1.000 W; và B300 Blackwell Ultra được nêu ở mức 1.400 W.
Bài viết nguồn cũng đưa ra mức ước tính 1.800 W cho Rubin dự kiến ra mắt trong nửa cuối năm và 2.800 W đối với Feynman sau năm 2028. Đây là các số liệu và dự báo theo nội dung nguồn, không nên mặc nhiên coi mọi mức công suất dự kiến là thông số sản phẩm đã được xác nhận chính thức.
<text>Lưu ý: TDP là chỉ số liên quan đến thiết kế nhiệt của bộ xử lý, không đồng nghĩa với lượng điện tiêu thụ thực tế trong mọi điều kiện vận hành. Các thông số cần được đối chiếu với tài liệu kỹ thuật chính thức của từng sản phẩm.</text>
Mức công suất tăng lên khiến bài toán tản nhiệt phức tạp hơn đáng kể. Nhiệt độ chip cần được duy trì trong giới hạn phù hợp để hệ thống hoạt động ổn định. Nếu khả năng làm mát không theo kịp lượng nhiệt sinh ra, hiệu suất có thể bị hạn chế và độ tin cậy của hệ thống có thể bị ảnh hưởng.
Giáo sư Lee Jung-ho nhận định rằng một trung tâm dữ liệu AI quy mô lớn, gồm 1.000 giá đỡ với công suất 1 MW mỗi giá đỡ, có thể cần lượng điện tương đương một nhà máy điện hạt nhân. Đây là nhận định minh họa cho quy mô nhu cầu năng lượng của hạ tầng AI, không phải mức tiêu thụ áp dụng cho mọi trung tâm dữ liệu.
Một hệ thống có tổng công suất như vậy đồng thời phải xử lý lượng nhiệt rất lớn. Bởi thế, việc xây dựng trung tâm dữ liệu không thể chỉ tập trung vào địa điểm, nguồn điện và máy chủ. Hệ thống phân phối điện, thiết kế giá đỡ, thiết bị làm mát và khả năng quản lý nhiệt đều phải được tính toán đồng bộ.
Chính phủ Hàn Quốc đã công bố kế hoạch xây dựng 8,4 GW công suất trung tâm dữ liệu AI vào năm 2029, theo thông tin trong bài viết nguồn. Tuy nhiên, mục tiêu này đặt ra những yêu cầu lớn đối với hạ tầng điện và công nghệ làm mát. Nếu không giải quyết được bài toán nhiệt, việc mở rộng công suất tính toán có thể gặp những hạn chế đáng kể.
Vì sao làm mát bằng không khí không còn đủ?
Theo bài viết nguồn, hơn 98% trung tâm dữ liệu tại Hàn Quốc hiện dựa vào công nghệ làm mát bằng không khí. Phương pháp này sử dụng luồng khí lạnh để lấy nhiệt khỏi máy chủ và các linh kiện bên trong.
Làm mát bằng không khí đã phục vụ tốt nhiều thế hệ máy chủ truyền thống, vốn có mật độ nhiệt thấp hơn so với các hệ thống AI hiện đại. Tuy nhiên, khi công suất của chip tăng mạnh và nhiều bộ xử lý được bố trí trong cùng một hệ thống, việc đưa đủ lượng khí lạnh đến những điểm nóng trở nên khó khăn hơn.
Một giải pháp đang được triển khai là làm mát bằng chất lỏng. Thay vì chủ yếu dựa vào luồng khí, hệ thống sử dụng chất lỏng để truyền nhiệt ra khỏi chip hoặc các bộ phận sinh nhiệt. Chất lỏng có thể vận chuyển nhiệt hiệu quả hơn không khí trong nhiều cấu hình, qua đó hỗ trợ những hệ thống có mật độ công suất cao.
Dù vậy, theo Giáo sư Lee, quá trình chuyển đổi sang các thế hệ chip mới tiếp tục đẩy giới hạn làm mát lên cao. Làm mát bằng chất lỏng thông thường có thể không đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu trong tương lai, khiến công nghệ chuyển pha trở thành hướng nghiên cứu quan trọng.
Điểm khác biệt của làm mát hai pha là tận dụng quá trình chất lỏng chuyển thành khí để hấp thụ nhiệt. Trong điều kiện phù hợp, cơ chế này có thể giúp lấy đi lượng nhiệt lớn mà không cần chỉ dựa vào sự tăng nhiệt độ của chất lỏng.
Tuy nhiên, công nghệ này cũng đòi hỏi thiết kế kỹ thuật phù hợp, từ lựa chọn chất làm lạnh, quản lý áp suất, độ kín của hệ thống đến khả năng kiểm soát quá trình sôi và ngưng tụ. Hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào cấu trúc thiết bị và điều kiện vận hành.
Do đó, chuyển từ làm mát bằng không khí sang chất lỏng hoặc làm mát hai pha không đơn giản là thay thế một thiết bị bằng thiết bị khác. Đây là sự thay đổi có thể ảnh hưởng đến thiết kế máy chủ, hệ thống đường ống, quy trình bảo trì và toàn bộ kiến trúc trung tâm dữ liệu.
Làm mát bằng cách ngâm: Một hướng nghiên cứu khác
Bên cạnh làm mát hai pha, làm mát bằng cách ngâm cũng đang được nghiên cứu như một phương án xử lý nhiệt cho máy chủ AI.
Trong mô hình này, máy chủ hoặc các bộ phận cần làm mát được đặt trực tiếp trong chất lỏng có đặc tính phù hợp. Nhiệt từ linh kiện truyền sang chất lỏng, sau đó được đưa ra ngoài theo thiết kế của hệ thống.
Bài viết nguồn cho biết phòng thí nghiệm tại Đại học Ajou đang nghiên cứu một hệ thống làm mát ngâm một pha không cần máy làm lạnh hoặc máy bơm. Đây là hướng nghiên cứu được nhóm kỳ vọng có thể giảm sự phụ thuộc vào một số thiết bị phụ trợ.
Tuy nhiên, thông tin hiện có chưa đủ để kết luận hệ thống đã sẵn sàng triển khai thương mại trên quy mô lớn. Một giải pháp làm mát cần được đánh giá không chỉ về khả năng lấy nhiệt, mà còn về mức tiêu thụ năng lượng tổng thể, độ tin cậy, chi phí đầu tư, khả năng bảo trì và tính tương thích với thiết bị.
Đối với trung tâm dữ liệu quy mô lớn, hiệu quả của một hệ thống làm mát cần được xem xét ở cấp độ toàn bộ cơ sở. Việc giảm điện năng cho một thành phần chưa chắc đồng nghĩa tổng mức tiêu thụ điện của trung tâm dữ liệu sẽ giảm tương ứng nếu những thiết bị khác phải hoạt động nhiều hơn.
Dù còn những câu hỏi cần kiểm chứng, việc nghiên cứu đồng thời nhiều phương pháp cho thấy Hàn Quốc đang tìm cách xây dựng năng lực công nghệ trong một lĩnh vực ngày càng gắn chặt với tương lai của hạ tầng AI.
Mỹ nắm công nghệ, Đài Loan giữ vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng
Một thách thức khác đối với Hàn Quốc là vị thế của các đối thủ và đối tác trong chuỗi cung ứng toàn cầu.
Theo bài viết nguồn, Mỹ có lợi thế về công nghệ phần cứng trung tâm dữ liệu AI và đã đầu tư nguồn lực cho nghiên cứu các hệ thống làm mát thế hệ tiếp theo. Trong khi đó, các doanh nghiệp Đài Loan đóng vai trò quan trọng trong sản xuất linh kiện và lắp ráp máy chủ.
Bài viết đề cập nhà sản xuất AVC của Đài Loan được ước tính cung cấp khoảng 40–50% số tấm tản nhiệt sử dụng trong các máy chủ AI NVIDIA mới nhất. Nội dung nguồn cũng cho biết doanh nghiệp Đài Loan lắp ráp khoảng 90% máy chủ AI trên thế giới. Những tỷ lệ này phản ánh số liệu được nêu trong bài viết nguồn và cần được đối chiếu với phạm vi thống kê cụ thể khi sử dụng như dữ liệu thị trường hiện hành.
Ngược lại, Hàn Quốc vẫn phụ thuộc lớn vào thiết bị nhập khẩu, từ máy chủ đến các hệ thống làm mát. Theo số liệu của Bộ Khoa học và Công nghệ Thông tin Hàn Quốc được bài viết dẫn lại, tỷ lệ nội địa hóa máy chủ trung tâm dữ liệu của nước này chỉ khoảng 3,3% vào năm 2024.
Sự phụ thuộc này tạo ra một khoảng trống đáng chú ý. Hàn Quốc có các doanh nghiệp lớn trong lĩnh vực điện tử, bán dẫn và công nghệ, nhưng việc phát triển năng lực sản xuất chip không tự động tạo ra vị thế tương ứng trong các thiết bị quản lý nhiệt.
Một trung tâm dữ liệu AI là tập hợp của nhiều lớp công nghệ. Chip xử lý chỉ là một thành phần; máy chủ, bộ cấp nguồn, hệ thống phân phối điện, tản nhiệt, điều khiển và hạ tầng vận hành đều có vai trò riêng. Nếu một quốc gia phải nhập khẩu phần lớn thiết bị trong những khâu quan trọng, khả năng chủ động về chi phí, chuỗi cung ứng và công nghệ có thể bị hạn chế.
Vì vậy, phát triển thiết bị làm mát nội địa không chỉ là mục tiêu thay thế hàng nhập khẩu. Đây còn là cơ hội để doanh nghiệp trong nước tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị của trung tâm dữ liệu AI.
Làm mát hai pha có thể mở ra cơ hội cho Hàn Quốc
Dù Mỹ và Đài Loan đang có lợi thế trong các công nghệ làm mát hiện tại, bài viết nguồn cho rằng thị trường làm mát hai pha vẫn còn dư địa cho các doanh nghiệp Hàn Quốc.
Trong những thị trường đã phát triển, doanh nghiệp đi trước thường có lợi thế về quy mô sản xuất, kinh nghiệm triển khai và mạng lưới khách hàng. Việc cạnh tranh trực tiếp trong những phân khúc đã trưởng thành có thể khó khăn đối với doanh nghiệp mới tham gia.
Ngược lại, khi công nghệ bước sang giai đoạn mới, nhu cầu và tiêu chuẩn kỹ thuật có thể tiếp tục thay đổi. Các doanh nghiệp nghiên cứu được giải pháp có hiệu suất, độ tin cậy hoặc chi phí phù hợp có thể tìm thấy cơ hội tham gia chuỗi cung ứng.
Theo dự báo của công ty nghiên cứu thị trường Dell’Oro được bài viết nguồn dẫn lại, công nghệ làm mát hai pha có thể được triển khai rộng rãi từ năm 2026 hoặc 2027. Đây là dự báo thị trường, không phải bảo đảm rằng việc thương mại hóa sẽ diễn ra đồng đều ở mọi quốc gia hay phân khúc.
Bài viết cũng đề cập công ty khởi nghiệp Axcelsiors của Mỹ đã giới thiệu giải pháp làm mát bằng chuyển pha dành cho một máy chủ, được mô tả là tạo ra lượng nhiệt tương đương khoảng 100 máy sưởi điện. Ví dụ này cho thấy quy mô nhiệt cần xử lý trong các máy chủ AI có thể rất lớn, đồng thời phản ánh sự quan tâm của doanh nghiệp đối với công nghệ mới.
Đối với Hàn Quốc, cơ hội không nhất thiết nằm ở việc ngay lập tức thay thế toàn bộ công nghệ hiện có. Các doanh nghiệp có thể tập trung vào những thành phần cụ thể, vật liệu, thiết bị truyền nhiệt, hệ thống điều khiển hoặc giải pháp làm mát phù hợp với cấu trúc máy chủ mới.
Tuy nhiên, để chuyển kết quả nghiên cứu thành sản phẩm thương mại, cần có sự phối hợp giữa các trường đại học, doanh nghiệp sản xuất và nhà vận hành trung tâm dữ liệu. Sản phẩm phải chứng minh được hiệu quả trong môi trường thực tế, đáp ứng yêu cầu an toàn và tương thích với thiết bị của khách hàng.
Thị trường làm mát trung tâm dữ liệu hướng tới quy mô hàng chục tỷ USD
Chính phủ Hàn Quốc cũng xem công nghệ làm mát là một lĩnh vực có tiềm năng xuất khẩu.
Theo dự báo của Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng Hàn Quốc được bài viết nguồn dẫn lại, thị trường làm mát trung tâm dữ liệu có thể đạt 17,2 tỷ USD vào năm 2030, tức tăng hơn gấp đôi so với mức được dùng làm cơ sở trong dự báo. Bài viết cũng nêu tốc độ tăng trưởng hằng năm của thị trường làm mát bằng chất lỏng ở mức 15%.
Các con số này cho thấy nhu cầu quản lý nhiệt đang trở thành một phân khúc đáng chú ý trong hệ sinh thái hạ tầng AI. Tuy nhiên, quy mô thị trường và tốc độ tăng trưởng thực tế có thể thay đổi theo tốc độ đầu tư trung tâm dữ liệu, tiến bộ công nghệ, chi phí điện và việc áp dụng các tiêu chuẩn mới.
Giáo sư Lee Jung-ho cho rằng dù Hàn Quốc tham gia thị trường làm mát một pha tương đối muộn, công nghệ làm mát hai pha vẫn có thể đem lại cơ hội nếu giới học thuật và các doanh nghiệp như LG, Samsung cùng phát triển giải pháp mới.
Theo quan điểm này, việc đầu tư nghiên cứu ngay từ giai đoạn đầu có thể giúp Hàn Quốc tạo dựng vị thế trong các phân khúc chưa hoàn toàn định hình, đặc biệt khi nhu cầu làm mát chip AI tiếp tục tăng sau năm 2030.
Dẫu vậy, để biến cơ hội thành lợi thế công nghiệp, Hàn Quốc cần vượt qua nhiều thách thức: phát triển công nghệ có thể sản xuất hàng loạt, giảm chi phí, xây dựng chuỗi cung ứng linh kiện, đào tạo nhân lực và thuyết phục khách hàng triển khai hệ thống mới.
Bài toán làm mát sẽ ảnh hưởng đến tương lai trung tâm dữ liệu AI
Sự phát triển của AI khiến nhu cầu tính toán tăng nhanh, nhưng khả năng mở rộng trung tâm dữ liệu không chỉ phụ thuộc vào số lượng chip có thể mua hoặc lắp đặt. Nguồn điện, hệ thống phân phối năng lượng và khả năng loại bỏ nhiệt đều là những điều kiện thiết yếu.
Nếu chip AI tiếp tục tăng công suất, các phương pháp làm mát cũ có thể ngày càng khó đáp ứng yêu cầu của một số cấu hình máy chủ. Làm mát bằng chất lỏng, làm mát ngâm và công nghệ hai pha vì thế có thể trở thành những hướng phát triển quan trọng, dù mức độ ứng dụng sẽ khác nhau tùy thiết kế và nhu cầu thực tế.
Đối với Hàn Quốc, việc phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu đặt ra yêu cầu vừa giải quyết nhu cầu triển khai trung tâm dữ liệu trong ngắn hạn, vừa xây dựng năng lực nghiên cứu và sản xuất trong dài hạn.
Nếu có thể kết hợp năng lực nghiên cứu của các trường đại học với quy mô sản xuất và kinh nghiệm thị trường của doanh nghiệp, nước này có cơ hội tham gia sâu hơn vào lĩnh vực quản lý nhiệt. Nhưng kết quả sẽ phụ thuộc vào chất lượng công nghệ, khả năng thương mại hóa và tốc độ phát triển của thị trường.
Trong cuộc đua AI, lợi thế không chỉ thuộc về bên sở hữu chip mạnh nhất. Khả năng cung cấp điện, làm mát hiệu quả và vận hành ổn định cũng quyết định liệu sức mạnh tính toán có thể được khai thác trên quy mô lớn hay không.
Nguồn tham khảo
- Đại học Ajou: nghiên cứu về quản lý nhiệt, làm mát hai pha và làm mát ngâm.
- Bộ Khoa học và Công nghệ Thông tin Hàn Quốc: số liệu về tỷ lệ nội địa hóa máy chủ trung tâm dữ liệu được bài viết nguồn dẫn lại.
- Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng Hàn Quốc: dự báo thị trường làm mát trung tâm dữ liệu.
- Dell’Oro: dự báo về thời điểm ứng dụng công nghệ làm mát hai pha.
- Thông tin kỹ thuật và số liệu thị trường được dẫn trong bài viết nguồn.
Câu hỏi thường gặp về công nghệ làm mát chip AI
1. Vì sao chip AI cần hệ thống làm mát chuyên dụng?
Chip AI có thể tiêu thụ lượng điện lớn và sinh ra nhiều nhiệt khi thực hiện các tác vụ tính toán. Nếu nhiệt không được loại bỏ hiệu quả, hệ thống có thể bị hạn chế hiệu suất hoặc gặp vấn đề về độ ổn định.
2. Làm mát bằng không khí khác gì làm mát bằng chất lỏng?
Làm mát bằng không khí sử dụng luồng khí lạnh để lấy nhiệt khỏi thiết bị. Làm mát bằng chất lỏng sử dụng chất lỏng để truyền nhiệt, phù hợp với nhiều cấu hình có mật độ công suất cao hơn, nhưng cần thiết kế hạ tầng và quy trình vận hành tương thích.
3. Công nghệ làm mát hai pha hoạt động như thế nào?
Công nghệ này tận dụng quá trình chất lỏng hấp thụ nhiệt và chuyển thành khí. Nhiệt ẩn trong quá trình chuyển pha giúp truyền tải lượng nhiệt đáng kể. Hiệu quả cụ thể phụ thuộc vào chất làm lạnh, thiết kế hệ thống và điều kiện vận hành.
4. Làm mát bằng cách ngâm là gì?
Đây là phương pháp đặt máy chủ hoặc các bộ phận điện tử trong chất lỏng phù hợp để lấy nhiệt trực tiếp. Tùy thiết kế, hệ thống có thể sử dụng các cơ chế tuần hoàn và loại bỏ nhiệt khác nhau.
5. Vì sao Hàn Quốc muốn phát triển công nghệ làm mát trong nước?
Theo bài viết nguồn, Hàn Quốc phụ thuộc lớn vào thiết bị làm mát và máy chủ nhập khẩu. Phát triển năng lực nội địa có thể giúp tăng tính chủ động của chuỗi cung ứng và tạo cơ hội cho doanh nghiệp tham gia thị trường thiết bị trung tâm dữ liệu AI.
6. Làm mát hai pha đã được triển khai rộng rãi chưa?
Theo dự báo Dell’Oro được bài viết nguồn dẫn lại, việc ứng dụng rộng rãi có thể bắt đầu từ năm 2026 hoặc 2027. Đây là dự báo, không phải bằng chứng rằng công nghệ đã được triển khai đại trà trên toàn thị trường.
7. Thị trường làm mát trung tâm dữ liệu có tiềm năng như thế nào?
Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng Hàn Quốc dự báo thị trường có thể đạt 17,2 tỷ USD vào năm 2030. Tuy nhiên, quy mô thực tế còn phụ thuộc vào tốc độ đầu tư, chi phí năng lượng và khả năng thương mại hóa các công nghệ làm mát mới.
