Att bygga en validerad digital tvilling för vätskekylda AI-datacenter

COLLINS är ett treårigt forskningsprojekt som bygger en validerad digital tvilling av kylsystemet i ett vätskekylt AI-datacenter, från kylplattan på chipet till värmen som lämnar byggnaden. Syftet är att konstruktions- och driftbeslut ska kunna prövas mot en modell som kalibrerats mot verklig utrustning under verklig AI-last, innan något byggs eller ändras.

Projektet löper från september 2026 till augusti 2029 och finansieras delvis av Vinnova, Sveriges innovationsmyndighet, medan partnerna bidrar med resterande del. Konsortiet består av Modelon som koordinator, RISE, Korea Testing Laboratory, Luleå tekniska universitet, Vertiv, SWEP och LUVE.

Lasten varierar, och marginalerna är dyra

Effekten per rack fortsätter att öka. Täta GPU-rack i drift i dag drar långt över 100 kW, NVIDIA har pekat ut rack på omkring 600 kW för andra halvåret 2027 med generationen Rubin Ultra i Kyber-rack, och övergången till 800 VDC förbereds för rack som närmar sig en megawatt. Kylsystem specificeras nu för effekttätheter som ingen ännu har driftsatt.

Lasten varierar också över tid. Träningsjobb startar och stoppar, efterfrågan på inferens svänger över dygnet, och ett rack kan gå från tomgång till full effekt på sekunder. Ett kylsystem som ser effektivt ut i sin dimensionerande punkt kan ändå översvänga, pendla eller gå varmt när lasten ändras så snabbt. En stationär beräkning säger inte vilket av det som inträffar.

Svaret i dag är marginal. Utrustning överdimensioneras, redundans specificeras generöst, och prototyper byggs eftersom antagandena inte går att pröva på annat sätt. Allt detta kostar kapital, material och energi, och inget av det svarar på vad systemet gör när lasten svänger.

“Värmebortförseln dimensioneras utifrån värsta tänkbara antaganden, och den marginalen betalas i utrustning, utrymme och energi. En modell som validerats över hela driftområdet låter oss visa vad utrustningen faktiskt gör, så att kunden kan dimensionera därefter.”, Stefano Filippini, Technical Director, LUVE

Vad en validerad tvilling används till

En modell av hela kylkedjan, kalibrerad mot mätningar och körd dynamiskt, svarar på fyra frågor som har kommersiell betydelse.

Konstruktion kommer först. Ingenjörer kan jämföra systemtopologier och dimensionera utrustning mot den last den faktiskt kommer att se, i stället för mot ett värsta tänkbart antagande, och hitta optimeringsmöjligheterna medan ändringar fortfarande är billiga.

Redundans är den andra. Kylsystem byggs med reservkapacitet för att driften ska fortsätta när en komponent fallerar. Att köra felfallen i tvillingen visar hur mycket reservkapacitet ett givet tillförlitlighetskrav faktiskt kräver. Varje redundant enhet som visar sig vara onödig innebär mindre kapital, mindre golvyta och mindre energi.

“Ett kylsystem byggs med reservkapacitet eftersom felfallen inte går att pröva på annat sätt. Att köra de scenarierna på en tvilling som validerats mot verklig utrustning innebär att vi kan nå samma tillförlitlighetskrav med mindre utrustning i anläggningen.”, Peter Van Aken, Global Service Thermal Practice Lead, Vertiv

Drift är den tredje. Operatörer kan justera börvärden, pump- och fläktvarvtal och reglerstrategier mot den last anläggningen har framför sig, och pröva en ändring i reglersystemet på tvillingen innan den rör verklig utrustning.

Den fjärde är resten av anläggningens livslängd. Tvillingen ger en referens som avvikelser och degradering syns mot, vilket ger underlag för tillståndsbaserat underhåll. Den låter också operatörer utvärdera ombyggnader och lösningar för värmeåtervinning på en modell som redan stämmer med den uppmätta anläggningen.

Kalibrerad mot verklig utrustning, under verklig AI-last

Värdet av en tvilling beror på vad den har prövats mot. COLLINS bygger modeller av de enskilda kylkomponenterna, kalibrerar dem mot laboratoriemätningar och kopplar sedan ihop dem till simuleringar på systemnivå.

Komponentmodellerna kommer in med Modelon. Data Center Library, som körs på Modelon Impact, täcker redan kylkedjan från chipet till värmeåtervinning, med kylplattor, CDU:er, värmeväxlare, pumpar, ventiler, rörsystem, kylmaskiner och kyltorn, för luftkylning, enfas- och tvåfasvätskekylning, och med reglersystemet i samma modell. Projektets arbete är att kalibrera de modellerna mot mätningar från testkampanjerna och koppla ihop dem till en systemtvilling.

Utrustningen kommer från konsortiet. SWEP, LUVE och Vertiv bidrar med produkter och produktkunskap inom lödda plattvärmeväxlare, torrkylare, kondensorer och CDU-teknik, för både enfas- och tvåfasvätskekylning.

“Vi vet hur våra värmeväxlare presterar utifrån våra egna tester. Det kunderna frågar efter nu är hur den prestandan håller inne i en komplett krets medan lasten rör sig. En validerad systemmodell låter oss svara på det, och den tar in oss tidigare i konstruktionsarbetet.”, Hans André, Senior Expert Innovation Engineer, SWEP

RISE och Korea Testing Laboratory tillhandahåller testanläggningarna, mätkompetensen och testprotokollen. RISE serveremulatorer återskapar realistiska AI-lastprofiler på verklig utrustning, så att modellerna jämförs mot uppmätta förlopp, inklusive laststeg, och mot inställda driftpunkter. Att trimma en reglerstrategi mot en stationär modell ger en regulator som fungerar bra i stationärt läge. Beteendet under lastsvängningarna avgör om en reglerstrategi fungerar i anläggningen.

“Våra emulatorer låter oss lägga realistiska AI-laster på verklig kylutrustning och mäta vad som händer. Det ger konsortiet uppmätta förlopp att kalibrera mot, vilket är ett svårare och mer användbart test än att träffa en dimensionerande punkt.”, Mattias Vesterlund, Research Program Manager, RISE

“Testprotokoll avgör om resultat från olika laboratorier över huvud taget går att jämföra. Att komma överens om dem i konsortiet är det som gör mätningarna användbara som valideringsdata för hela systemet.”, Hyo Sung Shin, Principal Researcher and Engineer, Smart Green Technology Center, Korea Testing Laboratory

En modell genom hela livscykeln

Modellerna bygger på de öppna standarderna Modelica och FMI. Komponentleverantörer kan ta in modeller de redan har i ett dynamiskt systemsammanhang utan att bygga om dem, och samma systemmodell används i en konstruktionsstudie och i en anläggning i drift. Kalibreringsarbete som görs en gång följer med till nästa projekt.

Modelon bidrar med Modelon Impact, den fysikbaserade simuleringsplattform som modellerna och systemsimuleringarna byggs på, och koordinerar projektet. Plattformen körs i molnet, så partner i fyra länder arbetar i en gemensam arbetsyta med samma version av modellerna.

“Vi utgår från ett bibliotek som redan täcker kylkedjan från chipet till värmeåtervinning, så att projektet kan lägga sin kraft på kalibrering mot uppmätta data. Öppna standarder är det som låter partnerna ta in komponentmodeller de redan har i samma systemmodell, och det som gör att en modell byggd för en konstruktionsstudie kan användas i drift.”, Jim Claesson, projektkoordinator för COLLINS, Modelon

Publika resultat, och vad som sker först

COLLINS är offentligt finansierat, och valideringsmetodiken, testprotokollen och de uppmätta referensfallen planeras som publika leveranser så att andra kan återskapa angreppssättet. Luleå tekniska universitet knyter arbetet till den bredare forskarvärlden.

“Kylning av datacenter konstrueras fortfarande till stor del utifrån statiska antaganden. Att etablera metoder öppet som låter ingenjörer utgå från uppmätt systembeteende genom hela anläggningens livslängd är så fältet går framåt.”, Andreas Johansson, Professor, Luleå tekniska universitet

Det första året inriktas på tester på komponentnivå och på de kalibreringsflöden som omvandlar mätdata till validerade modeller. Systemintegration och en integrerad demonstrator följer därefter.

Om COLLINS

COLLINS är ett treårigt projekt som koordineras av Modelon AB och delfinansieras av Vinnova inom utlysningen Avancerad digitalisering. Partner är Modelon, RISE, Korea Testing Laboratory, Luleå tekniska universitet, Vertiv, SWEP och LU-VE. Projektet löper från september 2026 till augusti 2029.