Razvoj in razprava o tehnologiji inženiringa podatkovnih centrov s tekočinskim hlajenjem

 

Ker je specifična toplotna zmogljivost tekočine na prostorninsko enoto približno 1,000-krat večja od zračne, ima tekočinsko hlajenje (odvajanje toplote) veliko večjo hladilno zmogljivost kot običajno zračno hlajenje. Je učinkovita rešitev za odvajanje toplote, ki jo ustvarjajo ultra visoke gostote toplotnega toka. Leta 1964 je IBM razvil prvi hlajen vodno hlajen računalnik na svetu System360, ki je bil pionirski tekočinsko hlajen računalnik, da bi se spopadel s pregrevanjem in izpadi velikih velikih računalnikov. Tehnologija tekočinskega hlajenja je pred kratkim zaradi nacionalnih in lokalnih politik upravljanja z energetsko učinkovitostjo spet pridobila široko pozornost v industriji podatkovnih centrov, kar je pripeljalo do razvoja serije tekočinsko hlajenih inženirskih tehnologij podatkovnih centrov.

 

 

I Metode izvedbe tekočinskega hlajenja

 

V širšem smislu se tekočinsko hlajenje nanaša na vse tehnologije, povezane s tekočinskim hlajenjem. Industrija pozna metode, kot je namestitev tuljav s hladno vodo na zadnje plošče stojal, ki se štejejo za tekočinsko hlajenje in spadajo v širok koncept tekočinskega hlajenja. Kitajski inštitut za elektroniko (CIE) je med razvojem serije standardov za načrtovanje tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov razjasnil koncept tekočinskega hlajenja skozi industrijske razprave. Po njihovi definiciji se tekočinsko hlajenje posebej nanaša na neposredno odstranjevanje toplote, ki jo ustvarijo elektronski čipi z uporabo tekočin, zato se ozka definicija tekočinskega hlajenja nanaša samo na proces hlajenja znotraj strežnika.

 

Z vidika ozke definicije tekočinskega hlajenja ga lahko razvrstimo v dve glavni kategoriji: neposredni stik hladilne tekočine z elektronskim čipom ali posredni stik preko trdnega materiala z visoko toplotno prevodnostjo. Nato jih je mogoče nadalje razdeliti glede na obliko stika, vrsto hladilne tekočine in ali je hladilna tekočina podvržena fazni spremembi. Metode tekočega hlajenja na splošno spadajo v osem kategorij (glejte tabelo 1).

 

▲ Tabela 1: Razvrstitev izvedbe hlajenja s tekočino

 

 

II Povpraševanje po tekočem hlajenju v scenarijih podatkovnih centrov

 

Tako kot običajni zračno hlajeni sistemi, ki se običajno uporabljajo v podatkovnih centrih, je vloga tekočinskega hlajenja odstraniti toploto, ki jo proizvaja oprema IT, kot so strežniki in druga oprema objektov (npr. baterije UPS), da se ohrani razmeroma stabilno okolje z ustrezno temperaturo in vlažnostjo. v podatkovnem centru.

 

Prvič, potrebe po odvajanju toplote so glavna gonilna sila za razvoj tehnologije tekočega hlajenja. Ker povpraševanje po zmožnostih obdelave podatkov hitro narašča, bo integracija elektronskih čipov v prihodnosti verjetno eksponentno rasla. To bo povzročilo povečanje gostote moči in gostote toplotnega toka. Potreba po hitrejših hitrostih prenosa podatkov in povečanem udobju za uporabnike bo spodbudila višjo integracijo opreme, kar bo posledično povzročilo večje zahteve po odvajanju toplote za opremo IT, kot so strežniki. To bo povečalo tudi okoljske zahteve za delovanje. Posledično bo zračno hlajenje zahtevalo ventilatorje z večjo hitrostjo, večjim premerom in večje kanale za odvajanje toplote, kar bo povzročilo znaten hrup, večji vpliv toplote na okolje ter povečane stroške gradnje in obratovanja. Tekočinsko hlajenje nudi boljše razmerje med ceno in zmogljivostjo.

 

Drugič, politike upravljanja energetske učinkovitosti spodbujajo sprejetje tehnologije tekočega hlajenja. Drug pomemben razlog, zaradi katerega se industrija podatkovnih centrov osredotoča na tekočinsko hlajenje, so nacionalne in lokalne politike upravljanja energetske učinkovitosti. Nacionalne in lokalne zahteve glede učinkovitosti porabe energije podatkovnega centra (PUE) postajajo strožje, zaradi česar je tekočinsko hlajenje v središču pozornosti industrije podatkovnih centrov. Najnovejši nacionalni standard, mejne vrednosti in stopnje energetske učinkovitosti podatkovnih centrov (GB 40879-2021), zahteva, da je poraba energije pod 1,3, kar je težko doseči samo z zračnim hlajenjem v večini delov države, kar zahteva uporaba tehnologije tekočega hlajenja.

 

Tretjič, priročnost rekuperacije odpadne toplote lahko spodbudi uporabo tekočinskega hlajenja v podatkovnih centrih. Podatkovni centri, zgrajeni z rešitvami za tekoče hlajenje, imajo relativno kakovostnejšo odpadno toploto in jo je lažje obnoviti. Projekti rekuperacije odpadne toplote v tekočinsko hlajenih podatkovnih centrih so učinkovit način za doseganje celovite izrabe energije in izboljšanje energetske učinkovitosti. Nekateri znanstveniki so že predlagali zamisel o izgradnji velikih podatkovnih centrov kot virov toplote za mesta ali industrijske parke.

 

 

III Razvoj tehnologije inženiringa tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov

 

Postopek odvajanja toplote, ki jo ustvarjajo elektronski čipi s tekočinskim hlajenjem, je šele začetek procesa hlajenja v podatkovnem centru. Neprekinjeno ustvarjanje toplote iz elektronskih čipov zahteva trajno, stabilno in zanesljivo delovanje tehnologije inženiringa podatkovnega centra s tekočinskim hlajenjem za vzdrževanje hlajenja čipov.

 

Načela in praksa tekočega hlajenja se razlikujejo od zračnega. Natančneje, koncepta odvajanja toplote in hlajenja kažeta subtilne razlike: začenši pri nad sobno temperaturo ali pod sobno temperaturo. Za boljšo organizacijo tekočinsko hlajenega tehnološkega okvira podatkovnega centra se elektronski čipi obravnavajo kot vir, s ciljem prenosa toplote, ki jo ustvarijo čipi, zunaj podatkovnega centra, kar zagotavlja stabilno delovanje opreme IT. Tehnologija inženiringa podatkovnih centrov s tekočinskim hlajenjem je torej razdeljena na primarne in sekundarne procese hlajenja. Ta koncept se razlikuje od primarne in sekundarne strani običajnega zračnega hlajenja podatkovnih centrov.

 

Postopek primarnega hlajenja tekočinsko hlajene tehnologije inženiringa podatkovnih centrov hladi komponente elektronske IT opreme z visoko gostoto toplotnega toka in prenaša ustvarjeno toploto izven omare. Imenuje se tudi primarno hlajenje (odvajanje toplote), začetno hlajenje, notranje hlajenje ali hlajenje z notranjim kroženjem. Postopek primarnega hlajenja je izključno postopek hlajenja s tekočino in običajno vključuje zaprto zanko opreme ali komponent za hlajenje s tekočino na koncu čipa, enoto za distribucijo hlajenja (CDU), razpršilnike hladilne tekočine in cevovode. Hladilna distribucijska enota (CDU) vsebuje črpalke in izmenjevalnike toplote, ki zagotavljajo krožno silo za hladilno tekočino. Tipičen proces primarnega hlajenja vključuje kroženje določene temperature in pretoka hladilne tekočine iz enote CDU do opreme za tekoče hlajenje ali komponent na koncu čipa. Hladilno sredstvo izmenjuje toploto s čipi z neposrednim stikom ali posrednim stikom preko materialov z visoko toplotno prevodnostjo, kot so kovine. Ogreto visokotemperaturno hladilno sredstvo ali hlapi hladilnega sredstva nato po cevovodih teče nazaj v CDU, kjer izmenjuje toploto s sekundarnim hladilnim sredstvom. Po ohlajanju CDU vrne nizkotemperaturno hladilno sredstvo nazaj v opremo za tekoče hlajenje ali komponente na koncu čipa, s čimer se zaključi celoten cikel. Običajna hladilna sredstva, ki se uporabljajo v procesu primarnega hlajenja, vključujejo raztopine etilenglikola, raztopine propilenglikola, deionizirano vodo itd., nekatere rešitve pa uporabljajo fluorirane tekočine, čeprav se fizikalne zahteve za hladilna sredstva med različnimi raztopinami za hlajenje s tekočinami močno razlikujejo.

 

Hladilna razdelilna enota (CDU) je pogosto uporabljen kos opreme. Tipična arhitektura CDU je prikazana na sliki 1. Poleg tega, da zagotavlja cirkulacijsko silo in izmenjavo toplote za hladilno tekočino v procesu primarnega hlajenja, ta oprema služi tudi vlogi distribucije hladilne moči (ne samo pretoka hladilne tekočine). Zato ima običajno naslednje funkcije:

 

1) Nadzor temperature in pretoka: dinamično spremljanje temperature in pretoka hladilne tekočine v procesu primarnega hlajenja prek senzorjev temperature in pretoka. Na podlagi vgrajenih modelov CDU dinamično prilagodi temperaturo, pretok ali dovodni tlak hladilne tekočine, da zagotovi ustrezno hladilno zmogljivost, hkrati pa prepreči kondenzacijo v primarni hladilni zanki.

2) Zagotavljanje fizične ločitve med primarnim in sekundarnim hladilnim sredstvom.

3) Spletno ali obvodno filtriranje hladilne tekočine.

4) Podpora upravljanju omrežja.

 

▲ Slika 1: Tipična arhitektura hladilne distribucijske enote (CDU).

 

Postopek sekundarnega hlajenja tekočinsko hlajene tehnologije inženiringa podatkovnih centrov prenaša toploto, odvzeto s postopkom primarnega hlajenja, zunaj podatkovnega centra, znan tudi kot sekundarno hlajenje, zunanje hlajenje, hlajenje z zunanjim kroženjem ali odvajanje toplote. Sekundarno hladilno sredstvo v tem procesu je lahko zrak, hladilna voda, raztopine na vodni osnovi (npr. raztopine etilenglikola, raztopine glicerina) ali hladilna sredstva, ki jih skupaj imenujemo sekundarna hladilna sredstva. Če se kot sekundarno hladilno sredstvo uporablja zrak, je postopek sekundarnega hlajenja podoben običajnemu procesu hlajenja v podatkovnem centru. Če se uporablja raztopina na vodni osnovi, sekundarna hladilna tekočina kroži v tako imenovani sekundarni hladilni zanki.

 

Izmenjava toplote med primarnim in sekundarnim hladilnim krogom poteka v CDU. Po izmenjavi toplote v CDU visokotemperaturno sekundarno hladilno sredstvo vstopi v vir hlajenja ali opremo za rekuperacijo odpadne toplote, ki prenaša toploto v okolje ali omogoča njeno ponovno uporabo. Sekundarno hladilno sredstvo se nato po ohlajanju vrne v izmenjevalnik toplote in s tem zaključi celoten cikel. Hladilni vir je lahko hladilni stolp, suhi hladilnik, hladilna naprava itd. Ker proces primarnega hlajenja omogoča, da vhodna temperatura sekundarnega hladilnega sredstva doseže 30 stopinj ali več, lahko hladilni vir deluje izključno na naravnem hlajenju, kar pojasnjuje, zakaj tekočinsko hlajenje. tehnologija lahko doseže relativno idealno učinkovitost porabe energije (PUE). Tipični diagram tehnologije inženiringa za hlajenje s tekočino je prikazan na sliki 2.

 

▲ Slika 2: Diagram tehnologije inženiringa tekočinskega hlajenja

 

Nekatere tehnologije tekočega hlajenja uporabljajo zasnovo, ki temelji izključno na primarnem procesu hlajenja, kjer hladilno sredstvo neposredno prenaša toploto v okolje. Vendar v večini primerov to zahteva visoke standarde fizične čistosti hladilne tekočine, kar povečuje stroške. Če so cevovodi predolgi, to vpliva na celotno ekonomičnost sistema. Zato so zasnove primarnega hlajenja najbolj primerne za kompaktne konfiguracije.

 

 

IV Razprava o prihodnjih razvojnih trendih tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov

 

Na splošno je prihodnji razvoj tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov še vedno negotov.

 

Prvič, gonilna sila za promocijo tehnologije tekočega hlajenja bo še vedno temeljila predvsem na zahtevah IT opreme glede hlajenja (odvajanje toplote). Vendar pa to temelji na napovedih prihodnjih trendov v razvoju elektronskih čipov, pa tudi na predpostavki, da bo stroškovna učinkovitost tehnologije tekočega hlajenja postopoma vzpostavila prednost pred tehnologijo zračnega hlajenja. Kljub temu ostaja možnost, da bi visoki stroški tekočinskega hlajenja vodili do alternativnih zasnov čipov, ki zmanjšujejo zahteve po hlajenju in odvajanju toplote.

 

Drugič, konstrukcija in model uporabe tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov se bistveno razlikujeta od običajnih zračno hlajenih podatkovnih centrov. Značilnost tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov je visoka stopnja povezanosti med IT opremo in infrastrukturo. Z vidika tehničnih načel in zagotavljanja zanesljivosti v bistvu ne morejo doseči enake stopnje ločitve kot običajni zračno hlajeni podatkovni centri. Zato različne tehnične rešitve in prodajalci opreme delujejo v veliki meri neodvisno drug od drugega. Lastniki podatkovnih centrov bodo verjetno postali globoko vezani na določenega ponudnika tehnoloških rešitev. Uporabo tehnologije tekočega hlajenja v podatkovnih centrih lahko razumemo kot razvoj, ki temelji na motnjah prvotnega komercialnega modela, konstrukcijskega modela in industrijskega modela običajnih zračno hlajenih podatkovnih centrov. Tradicionalne storitve zakupa omar so večinoma neuporabne za tekočinsko hlajene podatkovne centre. To predstavlja veliko oviro za nadaljnje spodbujanje tehnologije tekočega hlajenja.

 

Tretjič, zanesljivost tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov še vedno zahteva validacijo. Čeprav so sedanji ponudniki rešitev za tekočinsko hlajene podatkovne centre predlagali rešitve, kot je izboljšano testiranje zanesljivosti ter dodajanje naprav za odkrivanje puščanja in alarmnih naprav za hladilno tekočino, skrbi glede morebitnega puščanja v zanki za hlajenje s tekočino v ohišju, kar bi povzročilo poškodbe opreme IT, ostaja tema, ki vzbuja veliko zaskrbljenosti v industriji.

 

Razrešitev teh negotovosti je močno odvisna od obsega uporabe. Za rešitev tega navidezno nerešljivega problema ni rešitev monopoliziranje trga in obvladovanje zgornjih in spodnjih industrij, ki že neštetokrat dokazano krši zakone gospodarskega razvoja. Zgodovina je vedno znova pokazala, da imajo tisti, ki lahko prvi vzpostavijo industrijsko verigo in ekosistem, ki temelji na delitvi dela in sodelovanju, več možnosti za uspeh v konkurenci. Preden najdemo tehnično pot, ki ločuje opremo IT od infrastrukture, standardizacija ne bo čarobna rešitev problema ločevanja, niti ne bo učinkovito sredstvo za omejevanje ali napad na konkurente. Vendar pa lahko uporaba standardizacije kot orodja za vztrajno napredovanje ločevanja na podlagi iskanja skupnih točk ob ohranjanju razlik, učinkoviti izmenjavi izkušenj in spodbujanju ločevanja proizvodnih in storitvenih procesov za dosego specializacije in izboljšave pomaga zmanjšati skupne stroške uporabe. Nenehne izboljšave s testiranjem aplikacij lahko vodijo do oblikovanja pozitivne povratne zanke, ki razširi obseg tekočinskega hlajenja, kar lahko postane nujna pot za razvoj tehnologije tekočinskega hlajenja.

 

 

V Sklep

 

Odvisno od dejavnikov, kot so združljivost strežnika, vrsta hladilne tekočine in delovna temperatura tekočinskega hlajenja, se inženirske tehnologije za tekočinsko hlajene podatkovne centre ustrezno razlikujejo. Trenutno so inženirske tehnologije pod vsako tehnično potjo še vedno v procesu razvoja in finalizacije, v industriji še ni priznane popolne tehnične poti. Prav tako ni soglasja o posebnih uporabnih podpoljih vsake tehnične poti. Iskanje končne gotovosti bo odvisno od dejavnikov, kot so ekonomičnost, zanesljivost in možnost vzdrževanja tehnologije inženiringa tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov, pa tudi od iskanja optimalnih rešitev s stalno praktično uporabo.