Načrtovanje učinkovitih sistemov za hlajenje s tekočino za podatkovne centre

 

I Komponente hladilnega sistema podatkovnega centra

 

Večina električne energije, ki jo porabi IT oprema, se pretvori v odpadno toploto. Za zagotovitev delovanja opreme IT v ustreznem temperaturnem območju so podatkovni centri opremljeni s sistemi za hlajenje in odvajanje toplote, vključno s hladilniki, hladilnimi stolpi in natančnimi klimatskimi napravami, ki odstranjujejo odpadno toploto iz podatkovnega centra. Postopek prenosa toplote je prikazan na sliki 1. Ključne točke porabe energije vključujejo hladilnike, hladilne stolpe, črpalke in natančne klimatske naprave.

 

▲ Slika 1: Prenos toplote v podatkovnih centrih

 

Trenutno sta primarna medija za prenos toplote v podatkovnih centrih zrak ali voda. Voda s specifično toplotno kapaciteto pri stalnem tlaku 1,004 kJ/(KgK) in specifično toplotno kapaciteto 4200 kJ/(KgK) ima približno 1,{4}}-krat večjo zmogljivost prenosa toplote kot zrak. Zato je uporaba vode kot hladilnega medija učinkovit način za varčevanje z energijo pri načrtovanju hladilnih sistemov. Za izboljšanje energetske učinkovitosti hladilnih sistemov se za zajemanje in prenos toplote uporabljajo ukrepi, kot so radiatorji z visokim izkoristkom in natančen dovod zraka.

 

Pri natančnih klimatskih napravah se je hlajenje razvilo od ravni sobe do modularnih podatkovnih sob in hlajenja na ravni stojala, približevanje viru toplote in zmanjšanje porabe energije pri transportu hladilne tekočine. Generacija hladilnih virov je napredovala od zračnega hlajenja do vodnega hlajenja in naravnega hlajenja, kar povečuje učinkovitost zunanjega prenosa toplote.

 

 

Tradicionalni hladilni sistemi imajo neodvisne nadzorne sisteme in operativne strategije za natančno klimatizacijo, hladilnike in hladilne stolpe, ki optimizirajo učinkovitost na lokalni ravni. Vendar je treba splošno učinkovitost hlajenja še izboljšati.

 

Sistematične izboljšave je mogoče doseči z upravljanjem od konca do konca in natančnim nadzorom zbiranja toplote, priprave hladilnega vira in zunanjega prenosa toplote, s čimer se zmanjša poraba energije hladilnega sistema.

 

 

II Zasnova tekočega hladilnega sistema od konca do konca

 

1. Zasnova s ​​tekočinskim hlajenjem na ravni plošče

Z eksponentno rastjo povpraševanja po računalniški moči sta se integracija in poraba energije CPU-jev in GPU-jev znatno povečali, pri čemer je poraba energije enega čipa dosegla 300 W. Tradicionalni hladilniki čipov in rešitve za zračno hlajenje so naleteli na ozka grla pri hlajenju. Ker je čip vir toplote, je glavni izziv za hladilni sistem podatkovnega centra učinkovito odvajanje toplote iz notranjosti čipa.

 

Z vidika odvajanja toplote je treba toploto, ki jo ustvari čip, najprej prenesti na hladilno telo na ravni plošče. Učinkovitejše rešitve hladilnega telesa bodo olajšale boljše zbiranje toplote.

 

Za posamezne čipe s porabo energije pod 200 W in opremo IT s porabo energije pod 20 kW na omaro se lahko kot medij za prenos toplote še naprej uporablja zrak. Hladilniki toplotnih cevi in ​​hladilniki s parno komoro (VC) v kombinaciji z materiali TIM z visoko toplotno prevodnostjo (kot so grafitne plošče/grafen) učinkovito zmanjšajo toplotni upor med čipom in osnovo hladilnika ter izboljšajo učinkovitost hladilnika.

 

Pri posameznih čipih s porabo več kot 200 W in IT opremi s porabo več kot 20 kW na omaro zrak kot medij za prenos toplote ne zadostuje več, zato je treba za hlajenje uporabiti tekoče hladilno sredstvo. Tehnologija hladilnih plošč s tekočinskim hlajenjem je trenutno zrela rešitev za hlajenje čipov na ravni plošče. Tekočinsko hlajena hladilna plošča je sestavljena iz vstopnih in izstopnih konektorjev, zgornjega pokrova in osnovne plošče, ki sta povezana z vakuumskim spajkanjem, da tvorita zaprto komoro za izmenjavo toplote s tekočino. Komora vključuje razdelilne komore in pretočne kanale različnih širin, ki nadzorujejo pretok tekočine in povečujejo turbulenco, s čimer izboljšujejo lokalne zmogljivosti hlajenja in odpravljajo vroče točke, ki jih povzročajo visoko zmogljivi čipi. Notranja struktura je prikazana na sliki 2.

 

▲ Slika 2: Prečni prerez tekočinsko hlajene hladne plošče

 

Različne vrste plošč znotraj istega stojala imajo različne ravni moči in vroče točke, vendar je napajalni tlak na vhodnem priključku dovodnega voda za tekočino na splošno enak, kar zahteva, da razdelilna komora hladne plošče nadzoruje dušenje. Pri ploščah z nižjo porabo energije čipa dušenje zmanjša pretok hladilne tekočine. V praksi tekočinsko hlajene hladne plošče pokrivajo CPE, pomnilnik in druge zmogljive komponente, vendar komponente, kot so upori in kondenzatorji, ki niso pokrite, ustvarjajo preostalo toploto, ki zahteva hlajenje z ventilatorjem. Posledica tega je kombinacija tekočinskega in zračnega hlajenja v sistemu, kar pušča prostor za izboljšanje učinkovitosti hlajenja.

 

Z uporabo materialov TIM za pokrivanje vseh komponent med oblikovanjem hladne plošče je mogoče tehnično doseči 100-odstotno tekoče hlajenje, vendar to poveča stroške in kompleksnost hladne plošče. Pri prizadevanju za učinkovito hlajenje je treba upoštevati tudi začetne stroške naložbe. Če so tipi plošč z vozlišči enotni, lahko pride v poštev popolnoma pokrita plošča, pri čemer se začetni stroški izravnajo s povečanjem proizvodnje, s čimer se doseže ravnovesje med prihranki energije in naložbami.

 

 

Deionizirana voda se običajno uporablja kot hladilno sredstvo pri hlajenju s tekočinami zaradi svoje visoke specifične toplotne kapacitete, ki omogoča hitro absorpcijo toplote, hkrati pa ni korozivna in tako ne vpliva na zanesljivost cevovoda. Tekočinsko hlajenje hladne plošče je posredno, pri čemer čip ni v neposrednem stiku s tekočim hladilnim sredstvom, kar ima za posledico visoko zanesljivost in zrelo tehnologijo.

 

Vendar med čipom in tekočim hladilnim sredstvom obstaja toplotni upor, zaradi česar nekateri proizvajalci promovirajo rešitve za potopno hlajenje. Pri potopnem hlajenju je oprema IT potopljena v krožečo tekočino, pri čemer je čip v neposrednem stiku s hladilno tekočino, kar zmanjša toplotni upor, medtem ko izkorišča spremembo faze za odvajanje več toplote, zaradi česar postane nova vroča točka pri hlajenju s tekočino. Fluorirane tekočine se običajno uporabljajo kot hladilna sredstva pri potopnem hlajenju, vendar je njihova visoka cena ovira za obsežno komercialno uporabo.

 

2. Tekočinsko hlajenje na ravni stojala

V podatkovnih centrih je IT oprema razporejena po stojalih, v katerih je nameščena informacijska oprema podatkovnega centra, kot so strežniki, pomnilniške naprave in omrežna stikala. Medtem ko hlajenje na ravni plošče odvaja toploto iz posameznih naprav IT, hlajenje na ravni omare zbira in prenaša toploto na prostem. Ključne komponente tekočinskega hlajenja na ravni stojala vključujejo vstopne in izstopne razdelilnike, nadzorne enote, temperaturne senzorje, elektromagnetne ventile in povratne ventile, kot je prikazano na sliki 3.

 

▲ Slika 3: Konfiguracija tekočinskega hlajenja na ravni omare

 

Razdelilnik se navzven poveže z distribucijsko enoto za tekočinsko hlajenje na ravni prostora in znotraj prek hitrih priključkov na vhodne in izstopne priključke tekočinsko hlajene hladne plošče, kar olajša prenos sistemske toplote na zunanjo stran omare.

Glavni funkciji elektromagnetnega ventila in protipovratnega ventila sta nadzor pretoka tekočine in omejitev obsega okvare na posamezno omarico v primeru puščanja.

 

Primarna vloga temperaturnega tipala je neprekinjeno spremljanje temperature vstopne in izstopne vode. Z izkoriščanjem temperaturne razlike med vstopno in izstopno vodo nadzoruje odpiranje elektromagnetnega ventila, s čimer nadzoruje pretok vode in zagotavlja, da se toplota in pretok ujemata.

Tekočinski hladilni sistem kot delovno tekočino uporablja deionizirano vodo, ki teoretično ne bo povzročila kratkega stika.

 

Vendar imajo vezja ali elektronske komponente pogosto prašne delce in ko deionizirana voda pride v stik s vezjem, lahko povzroči kratek stik. To je ena glavnih ovir in skrbi pri uvajanju tekočinskega hlajenja. Za reševanje problema puščanja hladne plošče se uporabljajo ukrepi, kot so nadzor kakovosti, spremljanje mikro puščanja in preprečevanje nenadnih velikih puščanj.

 

Kontrola kakovosti je razdeljena na fazo proizvodnje in namestitve. V fazi proizvodnje je zagotovljena zanesljivost procesa, 100% hladnih plošč je podvrženih tlačnemu testiranju, ultrazvok pa se uporablja za naključno vzorčenje in odkrivanje napak. Hitri priključki morajo biti validirani za učinkovito vstavljanje in dolgoročno zanesljivost. V fazi namestitve je treba sekundarne cevi pred namestitvijo čisto sprati, da preprečite, da bi nečistoče povzročile blokade v priključkih za hitro povezavo, zagozditve vzmeti ali okvare gumijastih obročev, s čimer preprečite puščanje med delovanjem. Namen zgornjih ukrepov je čim bolj preprečiti puščanje.

 

 

Če na hladni plošči pride do mikro puščanja, ga je treba zaznati in sprožiti alarm, da vzdrževalno osebje pozove, da to nemudoma popravi. Obstajata dve metodi zaznavanja: ena je uporaba senzorja za potopitev v vodo, ki je nameščen na pladenj za kapljanje. Glavna funkcija pladnja za zbiranje tekočine je olajšati odkrivanje puščanja in preprečiti uhajanje tekočine izven stojala, kar zmanjša širjenje napak.

 

Medtem ko je zaznavanje senzorja za potopitev v vodo zrelo in zanesljivo, zahteva, da se puščajoča tekočina nabere v pladnju za kapljanje, potem ko teče vzdolž strojne plošče in nastavkov stojala, do takrat pa je lahko skupna količina iztekle tekočine precejšnja in je morda že poškodovala ploščo in komponente med tokom.

 

Druga metoda je spremljanje v realnem času. V delovno tekočino je primešana sledilna snov z nizkim vreliščem, ki jo v primeru puščanja zazna plinski senzor vgrajen v ploščo. Nenadna uhajanja velikega obsega so redka, a zelo vplivna. Da bi preprečili takšne incidente, so na vhodu in izstopu razdelilnika na stojalu nameščeni povratni ventili. Ti povratni ventili se samodejno zaprejo, ko se zazna znatna razlika v tlaku.

 

3. Zasnova tekočinskega hlajenja na ravni sobe

Hlajenje na nivoju prostora je zasnovano za prenos toplote, odvzete iz stojal, na prosto. Rešitev za hlajenje s tekočino na ravni prostora vključuje tekočinsko hlajeno modularno podatkovno sobo, hladilnike, vodne črpalke, hladilne stolpe, cevi in ​​drugo, kot je prikazano na sliki 4.

 

▲ Slika 4: Konfiguracija tekočinskega hlajenja na ravni prostora

 

Običajno tekočinsko hlajena modularna podatkovna soba vsebuje dve rezervni distribucijski enoti za tekočinsko hlajenje (CDU), 10-20 IT stojala, 1-2 klimatske naprave na ravni vrstic in opremo za napajanje, kot je prikazano na sliki 4.

 

Distribucijska enota za tekočinsko hlajenje (CDU) je odgovorna za distribucijo delovne tekočine med IT tekočinsko hlajenimi regali, ki zagotavlja porazdelitev pretoka na sekundarni strani, nadzor tlaka, fizično izolacijo in funkcije proti kondenzaciji. Med dejanskim delovanjem CDU dovaja določen pretok in temperaturo hladilne vode v IT tekočinsko hlajene stojala, ki vstopa v tekočinsko hlajene hladne plošče preko razdelilnika, odvaja toploto, ki jo proizvajajo procesorji in ključne komponente, ter vrača ogrevano hlajenje vode v enoto za vmesni prenos toplote CDU. Toplota se nato sprosti v zunanji cevovod za povratno vodo, ta del toplote pa se prek hladilnih naprav ali suhih hladilnikov odvaja v zunanje okolje, s čimer se zaključi proces upravljanja toplote za tekočinsko hlajene strežnike.

 

CDU uravnava temperaturo in pretok hladilne tekočine, ki vstopa v tekočinsko hlajene hladne plošče, s čimer zagotavlja hlajenje IT stojal in razdeljuje hladilno moč. Notranja enota za izmenjavo toplote ima tudi vlogo pri izolaciji tokokroga za oskrbo s tekočino med modularno podatkovno sobo in zunanjim okoljem. Zaradi svoje ključne vloge CDU običajno uporablja konfiguracijo redundance 1+1. CDU nadzira pretok tekočega hladilnega sredstva z zaznavanjem temperature dovodne in izstopne vode ter dovodnega tlaka in prilagajanjem hitrosti črpalke dovodne vode.

 

 

Trenutno večina krmilnih sistemov CDU ni povezana s temperaturnimi senzorji v omarah, kar ima za posledico razmeroma grob nadzor. Da bi rešili to težavo, so nekatere aplikacije zamenjale centralizirane enote CDU s porazdeljenimi enotami CDU, ki so integrirane v omarice. Na ta način prilagoditve pretoka CDU v celoti temeljijo na stanju delovanja in nihanjih porabe energije omare. Centralizirane enote CDU so primerne za scenarije z velikim številom tekočinsko hlajenih omaric, ki jih je mogoče konsolidirati v modularno podatkovno sobo, medtem ko so porazdeljene enote CDU bolj primerne za situacije s samo 2-3 tekočinsko hlajenimi omarami, kar olajša uvajanje.

 

 

III Sklep

 

Pod vodstvom dvoogljičnih ciljev imajo podatkovni centri dvojno poslanstvo: na eni strani z intenzivnim in razširjenim delovanjem zagotavljajo zadostno računalniško moč za digitalno gospodarstvo. Razširjena uporaba stojal z visoko gostoto in zmogljivih čipov, ki jih poganja učinkovitost računalniške moči podatkovnih centrov, je povzročila, da tradicionalno zračno hlajenje naleti na ozka grla. Po drugi strani pa lahko podatkovni centri z uporabo visoko učinkovitih toplotnih izmenjevalcev, tekočinskega hlajenja in naravnega hlajenja iz suhih hladilnikov zmanjšajo lastno porabo energije.

 

Po uvedbi tekočinskega hlajenja se učinkovitost hlajenja znatno izboljša, saj se poraba energije hladilnih sistemov zmanjša s 37 % na približno 10 %, kar povzroči znatne prihranke energije in zmanjšanje ogljika. Če 50 % novozgrajenih podatkovnih centrov po vsej državi sprejme tekočinsko hlajenje, lahko letno prihranimo 45 milijard kWh električne energije in 3 milijone ton CO₂ emisije je mogoče zmanjšati.