艾特网能：GPU算力服务器冷却系统配套设计介绍_硬派科技

本文主要由艾特网能介绍算力服务器基础知识，英伟达GPU算力服务器基本参数、特点、应用场景等，并对算力服务器冷却系统的基本设计步骤进行总结。

01 算力应用领域背景知识

算力服务器是一种专门用于提供高性能计算能力的硬件设备，是支撑数字经济与智能计算的核心基础设施，在算力领域内也称为算力节点。算力服务器，一般采用“CPU+GPU/NPU/TPU/DPU” 的异构计算架构。除了基础的CPU外，它配置了更多的AI加速类芯片（如单机配置4卡或8卡），最常见的是GPU芯片，专门用于加速机器学习、大模型训练与推理等智能任务。作为对比，通用服务器一般基于多核CPU架构，主要用于处理日常的基础通用计算，如移动计算、物联网、企业日常办公（OA）、网页浏览等。

算力服务器中的GPU芯片对于算力性能具有至关重要的作用。GPU芯片国际品牌一般有NVIDIA（英伟达）、AMD（超威半导体），国产品牌有华为的昇腾（Ascend 950），寒武纪的思元（500），沐曦的曦云（C600）等。

常见的算力服务器主要是指配备了高性能GPU芯片/显卡的服务器，典型产品有英伟达（自产DGX平台）服务器；超微（Super Micro）、戴尔、惠普等厂家的OEM产品，他们提供配备英伟达GPU芯片的服务器，也提供配备AMD芯片的产品；国内服务器厂家有曙光、华为、浪潮、联想、宁畅等，他们提供英伟达GPU服务器，或其他国产GPU芯片的服务器。

算力项目的规模，除了按服务器的功率或机柜数量来要求外，也有按照“千卡”或“千P”要求的，前者指GPU显卡/芯片的数量，后者指算力服务器浮点运算能力。其中，服务器卡的数量易于统计，实际计算单台服务器的GPU显卡数乘以服务器数量即可。关于算力P数的概念，一般指的是GPU每秒的浮点运算能力，单位是xxx Flops，目前的GPU算力都很高，一般都是1012Flops量级，简写为TFlops，或1015Flops，简写为PFlops。算力与数据单元精度有关系，精度高时算力会降低，精度低时算力会升高，这个差别采用FP字母后面加存储数位来做区分，例如FP8就是采用8位来存储数据，称为8位精度；FP16就是采用16位存储数据，称为半精度；FP32就是采用32位来存储数据，称为单精度等。例如单颗H200 GPU芯片，FP16精度（训练场景）时算力是2.25P，在FP4精度（推理场景）时算力是 20P，FP8精度时算力是10P，8卡服务器的算力可以按照单GPU算力乘以8。

一般人工智能领域算力服务器有两种典型应用，模型训练和模型推理。前者指算力大模型如“豆包”、“千问”等训练（可理解为模型制作）过程，对算力及数据精度要求极高，一般是互联网巨头如国内的字节、阿里、腾讯等公司等会有大模型训练需求，可能需要万卡或万P的算力规模，精度一般使用FP8或者FP16。后者是使用以上大模型获得结果的（即用户端的应用）过程，对于算力及精度要求相对较低，但是对于服务器的响应时效性要求较高，一般使用FP4或FP8精度即可。目前英伟达的B300系列新芯片，对于低精度算力有优化，就是为了适应今后的大规模推理市场需求。另外注意，对于同样的GPU服务器，其同精度算力也有稀疏和稠密算力之分，算力P数略有差异，因此不同资料可能存在不同，并不一定是错误或偏差。

由于英伟达算力芯片公开技术资料最多，本文主要介绍英伟达GPU芯片/算力服务器的相关应用。

02 英伟达算力服务器分类

英伟达算力服务器按平台主要分为两大形态：一是基于 HGX 参考设计的标准化服务器，由各大服务器厂商（如戴尔、超微等）生产，成本相对略低，但设计相对灵活；二是英伟达自有品牌的 DGX 系统，如 DGX H100的8卡风冷服务器，内部集成硬件+软件，开箱即用且配置豪华，但成本较高。

英伟达算力服务器按散热模式划分为纯风冷服务器、冷板式直接液冷服务器（DLC）两种。风冷服务器就是整个服务器只配备散热风扇，所有器件都采用空气冷却。风冷8卡服务器高度一般有6U、8U、10U，主要是预留足够的冷却空气运行空间。目前风冷服务器一般单机柜布置2~4台，单机柜负荷不超过50kW。冷板液冷服务器，一般将铜质冷板贴合在服务器GPU、CPU等核心器件上，通过冷却液带走热量；部分液冷服务器仍需配置风冷系统辅助散热。液冷8卡服务器高度一般有1U、4U、6U形式，由于约70%以上的热量都被冷却液带走，故风冷散热比例显著降低，服务器的高度也随之降低，单台机柜内也可以布放更多的服务器数量。目前英伟达H系列、B系列8卡液冷服务器风液比接近1.5：8.5。英伟达最新的鲁宾（Rubin）系列架构，服务器采用100%冷板液冷方式，即不再需要风侧补冷。

英伟达算力服务器按芯片形式可以分为单芯片或者融合芯片两种。如H200或B200单芯片，一般单台服务器配置8张GPU卡，每张GPU显卡对应于1个GPU芯片。例如HGX形式的8卡服务器。部分服务器也有少量的NVL4版本，也就是4卡版本，但应用相对较少。第二种是超级芯片形式，如GB200或GB300超级芯片组，一个超级芯片由1个Grace CPU芯片配合2个B200或B300 GPU芯片组成。早期GB200融合芯片有HGX的8卡风冷形式，目前应用相对比较少。超级芯片更多的是以GB200 NVL72的超级算力节点形式提供，单机柜配置18个算力节点，每个算力节点包括2个CPU芯片和4个GPU芯片，单柜共72个GPU芯片。该超级算力节点的单位是整台机柜，采用冷板液冷冷却形式，柜内还包含PSU+Busbar的供电模块、Manifold、盲插快接、交换机、通信电缆等模块，一般由台达、超微等OEM厂家整柜提供，现场实施时再配套提供不锈钢环管、冷源、配电母线、CDU等。该超级算力机柜一般不做自行设计，整机采购应用，其单柜的价格在数百万美元（含服务器）。

03 英伟达主流GPU芯片规格

3.1 英伟达主流GPU芯片架构

英伟达GPU芯片一般采用知名科学家名字命名，近几代产品如下：

表格 1 英伟达主流芯片规格及特点

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3.2 英伟达主流GPU服务器参数

英伟达近几代主流GPU服务器参数信息如下：

表格 2 英伟达主流GPU技术参数

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3.3 英伟达算力服务器组网方案

由于当前大模型的参数规模非常大（百亿以上），大模型训练时往往需要多张GPU卡组网工作。英伟达GPU组网形式一般分为两种，机柜内部采用NVLink协议高速互联（也称为Scale Up），机柜之间通过IB或网络协议互联（也称为Scale Out）。以GB300NVL72超级算力集群来说，单台机柜内部共有72张B300 算力卡，通过铜缆直接连接到NV Switch交换机芯片通信，机柜内部无需经过CPU，单GPU点对点带宽1.8TB/s，通信延迟在百ns。如单个集群配置多台（例如16台）GB300NVL72超级算力柜。各机柜之间通过光模块采用网络协议互联，中间需要通过2级交换机，单GPU点对点带宽800GB/s，延迟为1~2μs，几乎是柜内延迟的10倍。为了满足机柜之间所有GPU卡无阻塞通信，需要配备接近100台144口的800G网络交换机。算力服务器布局时，更倾向于优先采用柜内Scale Up组网，在此基础上再做Scale Out组网，这也是超级算力柜内节点卡数、功率快速增长的一个原因。因此在做算力服务器机柜规划时，一定要预留网络交换机柜，否则多台服务器之间无法组网运行！

3.4 两款典型英伟达GPU服务器介绍

3.4.1 英伟达H200系列8卡服务器参数

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图 1 英伟达 DGX H200风冷服务器

基本参数如下，在做服务器冷却配套时，需参考如下参数选择机柜的尺寸、承重等规格，选择电源供电形式、柜内PDU规格等，单台机柜内服务器的布局数量，空调的送风温度等。对于液冷服务器，可参考服务器的冷却液接管规格，冷却液温度要求，服务器风液比设置等。

表格 3 英伟达DGX H200 风冷8卡服务器物理参数

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图 2 超微HGX H200 液冷8卡服务器图片

超微HGX H200液冷8卡服务器基本参数如下：

表格 4 超微HGX H200液冷8卡服务器

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3.4.2 同规格GPU服务器不同冷却方式对比：

表格 5 B200 8卡风冷服务器、液冷服务器参数对比

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注：因H200芯片风液服务器功率等差别不大，本表对比B200服务器

04 算力服务器冷却系统配套设计说明

4.1 算力服务器技术方案设计步骤

算力服务器制冷系统设计时，需要根据算力任务需求确定服务器/GPU卡数量，进而确定算力服务器形式和数量，从而根据算力服务器的负荷结合现场的实际情况配套设计。通过如下的步骤逐步确定关键信息：

· 算力规模

根据算力需求P数或卡数，结合算力服务器特点大致确定服务器总数。

· 服务器冷却形式

如算力规模较小，可选择风冷服务器，单机柜布置不超过3~4台，单机柜不超过50kW；如算力规模较大，可选择液冷服务器，单机柜可布置10台以内，目前单柜不超过150kW；如选择超级算力柜则可直接参考整柜规格进行配置，超级算力柜的单柜功耗随芯片规格、方案设计处于逐步增长的趋势，目前行业可达600kW左右，为全液冷设计。

· 冷负荷计算

根据服务器形式再次核算服务器数量，确定服务器总冷负荷。

· IT机柜布局

结合机房布局、单柜服务器数量完成机房室内IT机柜布局，需结合总GPU数量确定组网拓扑，进而确定网络柜布局。

· 制冷方案设计流程

结合IT机柜布局，服务器冷却形式综合确定制冷方案，一般风冷形式的算力服务器采用近端制冷形式，可采用水系统或风系统方案。

液冷服务器常规采用冷板液冷方案，根据机柜布局确定每个模块液冷负荷及二次侧管道布局，进而确定CDU规格、数量，如需补冷时，同步计算补冷空调规格、数量；结合总散热量即可确定室外散热设备规格，再整体规划室外一次侧管道及设备布局，从而完全确定IT部分制冷方案。室外散冷源采用高温风冷磁悬浮冷机、闭式塔或干冷器。

根据IT负荷规模也同步可以确定供配电系统设备规格，进一步完成辅助区空调方案配置。

4.2典型应用场景算力服务器配套设计

4.2.1 场景 1：中小推理集群（H100/H200 风冷，单机柜 40kW）

· 服务器：HGX H100 8卡风冷服务器，4台/柜；

· 冷却：列间空调/背板风墙近端制冷，全套冷热通道封闭组件（冷通道天窗、机柜盲板、热通道封板），制冷形式采用水系统或风系统；

· 机柜：标准 42U算力机柜，前后高通风率网门；

· 配电：100A三相智能PDU，1000A铜排母线或精密列头柜。

4.2.2 场景 2：中型训练集群（B200冷板液冷，单机柜64kW）

· 服务器：HGX 8卡B200冷板式液冷单机，4台/柜；

· 冷却：中高温CDU液冷系统，配套GPU微通道冷板、快接头、机柜歧管；配套远端大风墙形式补冷，室外冷源采用风冷磁悬浮冷机、干冷器或闭式冷却塔；

· 机柜：加强承重液冷专用机柜，内置管路支架、漏液报警；

· 配电：160A大电流铜排PDU，1600A母线槽或大容量精密列头柜。