Vývoj a diskusia o inžinierskej technológii dátového centra chladenia kvapalinou

 

Keďže špecifická tepelná kapacita kvapaliny na jednotku objemu je asi 1,000 krát väčšia ako vzduchová, kvapalinové chladenie (rozptyl tepla) má oveľa väčšiu chladiacu kapacitu ako konvenčné vzduchové chladenie. Je to efektívne riešenie na odvádzanie tepla generovaného ultra vysokou hustotou tepelného toku. V roku 1964 vyvinula spoločnosť IBM s cieľom riešiť prehrievanie a prestoje veľkých sálových počítačov prvý chladený vodou chladený počítač na svete System360, priekopník kvapalinou chladených počítačov. V poslednej dobe, poháňaná národnými a miestnymi politikami riadenia energetickej účinnosti, technológia chladenia kvapalinou opäť získala širokú pozornosť v priemysle dátových centier, čo viedlo k vývoju série technológií inžinierstva dátových centier chladených kvapalinou.

 

 

I Spôsoby implementácie chladenia kvapalinou

 

V širšom zmysle sa chladenie kvapalinou vzťahuje na všetky technológie súvisiace s chladením kvapalinou. Priemysel je oboznámený s metódami, ako je inštalácia výmenníkov studenej vody na zadné panely stojanov, ktoré sa považujú za chladenie kvapalinou, spadajúce pod široký koncept chladenia kvapalinou. Čínsky inštitút elektroniky (CIE) počas vývoja série štandardov dizajnu dátových centier chladených kvapalinou objasnil koncept chladenia kvapalinou prostredníctvom priemyselných diskusií. Podľa ich definície sa kvapalinové chladenie špecificky týka priameho odstraňovania tepla generovaného elektronickými čipmi pomocou kvapalín, takže úzka definícia kvapalinového chladenia sa vzťahuje iba na proces chladenia vo vnútri servera.

 

Z hľadiska úzkej definície kvapalinového chladenia ho možno rozdeliť do dvoch hlavných kategórií: priamy kontakt chladiacej kvapaliny s elektronickým čipom alebo nepriamy kontakt prostredníctvom pevného materiálu s vysokou tepelnou vodivosťou. Tie sa potom môžu ďalej deliť na základe formy kontaktu, typu chladiacej kvapaliny a toho, či chladiaca kvapalina prechádza fázovou zmenou. Metódy chladenia kvapalinou sa vo všeobecnosti považujú za metódy spadajúce do ôsmich kategórií (pozri tabuľku 1).

 

▲ Tabuľka 1: Klasifikácia implementácie chladenia kvapalinou

 

 

II Dopyt po kvapalinovom chladení v scenároch dátových centier

 

Rovnako ako bežné vzduchom chladené systémy bežne používané v dátových centrách, úlohou kvapalinového chladenia je odstraňovať teplo generované IT zariadeniami, ako sú servery a iné zariadenia zariadení (napr. batérie UPS), aby sa udržalo relatívne stabilné prostredie s vhodnou teplotou a vlhkosťou. v dátovom centre.

 

Po prvé, potreby odvádzania tepla sú hlavnou hnacou silou vývoja technológie chladenia kvapalinou. Keďže dopyt po schopnostiach spracovania údajov rýchlo rastie, integrácia elektronických čipov bude v budúcnosti pravdepodobne naďalej exponenciálne rásť. To povedie k zvýšeniu hustoty výkonu a hustoty tepelného toku. Potreba vyššej rýchlosti prenosu dát a väčšieho používateľského pohodlia bude viesť k vyššej integrácii zariadení, čo následne povedie k vyšším požiadavkám na odvod tepla pre IT zariadenia, ako sú servery. Tým sa zvýšia aj environmentálne nároky na prevádzku. V dôsledku toho bude vzduchové chladenie vyžadovať ventilátory s vyššou rýchlosťou, väčším priemerom a väčšími kanálmi na odvádzanie tepla, čo bude mať za následok značný hluk, väčší vplyv na životné prostredie a zvýšené náklady na výstavbu a prevádzku. Kvapalinové chladenie ponúka lepší pomer ceny a výkonu.

 

Po druhé, politiky riadenia energetickej účinnosti vedú k prijatiu technológie chladenia kvapalinou. Ďalším dôležitým dôvodom, prečo sa priemysel dátových centier zameriava na chladenie kvapalinou, sú národné a miestne politiky riadenia energetickej účinnosti. Národné a miestne požiadavky na efektívnosť využitia energie dátových centier (PUE) sú čoraz prísnejšie, čím sa kvapalinové chladenie dostáva do centra pozornosti priemyslu dátových centier. Najnovšia národná norma, limitné hodnoty energetickej účinnosti dátového centra a stupne energetickej účinnosti (GB 40879-2021), vyžaduje, aby spotreba energie bola nižšia ako 1,3, čo je vo väčšine častí krajiny ťažké dosiahnuť použitím samotného chladenia vzduchom, čo si vyžaduje použitie technológie chladenia kvapalinou.

 

Po tretie, pohodlie rekuperácie odpadového tepla môže viesť k prijatiu kvapalného chladenia v dátových centrách. Dátové centrá vybudované pomocou riešení kvapalného chladenia majú relatívne kvalitnejšie odpadové teplo a ľahšie sa získavajú. Projekty zhodnocovania odpadového tepla v kvapalinou chladených dátových centrách sú efektívnym spôsobom, ako dosiahnuť komplexné využitie energie a zlepšiť energetickú účinnosť. Niektorí vedci už navrhli myšlienku výstavby rozsiahlych dátových centier ako zdrojov tepla pre mestá alebo priemyselné parky.

 

 

III Vývoj technológie inžinierstva kvapalinou chladených dátových centier

 

Proces odstraňovania tepla generovaného elektronickými čipmi kvapalinovým chladením je len začiatkom chladiaceho procesu v dátovom centre. Nepretržité generovanie tepla z elektronických čipov vyžaduje trvalú, stabilnú a spoľahlivú prevádzku technológie inžinierstva dátového centra s kvapalinovým chladením, aby sa zachovalo chladenie čipu.

 

Princípy a prax kvapalinového chladenia sa líšia od chladenia vzduchom. Konkrétne koncepty rozptylu tepla a chladenia vykazujú jemné rozdiely: začínajúc od vyššej izbovej teploty alebo pod izbovou teplotou. Pre lepšiu organizáciu inžinierskeho technologického rámca kvapalinou chladeného dátového centra sa elektronické čipy považujú za zdroj s cieľom preniesť teplo generované čipmi mimo dátového centra, čím sa zabezpečí stabilná prevádzka IT zariadení. Technika inžinierstva dátových centier chladených kvapalinou je teda rozdelená na primárne a sekundárne chladiace procesy. Tento koncept sa líši od primárnej a sekundárnej strany konvenčného vzduchového chladenia dátového centra.

 

Primárny chladiaci proces kvapalinou chladenej inžinierskej technológie dátových centier ochladzuje komponenty elektronických IT zariadení s vysokou hustotou tepelného toku a prenáša generované teplo mimo rack. Označuje sa tiež ako primárne chladenie (odvod tepla), počiatočné chladenie, vnútorné chladenie alebo vnútorné cirkulačné chladenie. Proces primárneho chladenia je striktne proces chladenia kvapalinou a zvyčajne zahŕňa uzavretú slučku zariadenia alebo komponentov na chladenie kvapaliny na konci čipu, chladiacu distribučnú jednotku (CDU), dávkovače chladiacej kvapaliny a potrubia. Chladiaca distribučná jednotka (CDU) obsahuje čerpadlá a výmenníky tepla, ktoré zabezpečujú cirkulačnú silu pre chladiacu kvapalinu. Typický proces primárneho chladenia zahŕňa cirkuláciu určitej teploty a prietoku chladiacej kvapaliny z jednotky CDU do zariadenia na chladenie kvapaliny alebo komponentov na konci čipu. Chladivo si vymieňa teplo s trieskami priamym alebo nepriamym kontaktom cez materiály s vysokou tepelnou vodivosťou, ako sú kovy. Ohriate vysokoteplotné chladivo alebo para chladiva potom cez potrubia prúdi späť do CDU, kde si vymieňa teplo so sekundárnym chladivom. Po ochladení je nízkoteplotné chladivo hnané späť do zariadenia na chladenie kvapaliny alebo komponentov na konci čipu pomocou CDU, čím sa dokončí celý cyklus. Bežné chladivá používané v procese primárneho chladenia zahŕňajú roztoky etylénglykolu, roztoky propylénglykolu, deionizovanú vodu atď., a niektoré riešenia používajú fluórované kvapaliny, hoci fyzikálne požiadavky na chladivá sa v rôznych riešeniach chladenia kvapalín výrazne líšia.

 

Chladiaca distribučná jednotka (CDU) je bežne používaným zariadením. Typická architektúra CDU je znázornená na obrázku 1. Okrem poskytovania cirkulačnej sily a výmeny tepla pre chladiacu kvapalinu v procese primárneho chladenia plní toto zariadenie aj úlohu distribúcie chladiacej energie (nielen prietoku chladiacej kvapaliny). Preto má zvyčajne nasledujúce funkcie:

 

1) Kontrola teploty a prietoku: Dynamické monitorovanie teploty a prietoku chladiacej kvapaliny v procese primárneho chladenia pomocou snímačov teploty a prietoku. Na základe vstavaných modelov jednotka CDU dynamicky upravuje teplotu, prietok alebo prívodný tlak chladiacej kvapaliny tak, aby poskytovala adekvátnu chladiacu kapacitu a zároveň zabránila kondenzácii v primárnej chladiacej slučke.

2) Zabezpečenie fyzického oddelenia medzi primárnym chladivom a sekundárnym chladivom.

3) Online alebo bypass filtrácia chladiacej kvapaliny.

4) Podpora správy siete.

 

▲ Obrázok 1: Typická architektúra chladiacej distribučnej jednotky (CDU).

 

Proces sekundárneho chladenia inžinierskej technológie dátového centra chladeného kvapalinou prenáša teplo odstránené procesom primárneho chladenia mimo dátového centra, čo je tiež známe ako sekundárne chladenie, externé chladenie, externé cirkulačné chladenie alebo odvod tepla. Sekundárnym chladivom v tomto procese môže byť vzduch, chladiaca voda, roztoky na báze vody (napr. roztoky etylénglykolu, glycerínové roztoky) alebo chladivá, spoločne označované ako sekundárne chladivá. Ak sa ako sekundárne chladivo používa vzduch, proces sekundárneho chladenia je podobný bežnému procesu chladenia vo vnútri dátového centra. Ak sa použije roztok na báze vody, sekundárne chladivo cirkuluje v takzvanej sekundárnej chladiacej slučke.

 

Výmena tepla medzi primárnou a sekundárnou chladiacou slučkou prebieha v CDU. Po výmene tepla v CDU vstupuje vysokoteplotné sekundárne chladivo do zdroja chladenia alebo zariadenia na rekuperáciu odpadového tepla, čím odovzdáva teplo do okolia alebo umožňuje jeho opätovné využitie. Sekundárne chladivo potom po ochladení prúdi späť do výmenníka tepla, čím sa dokončí celý cyklus. Zdrojom chladenia môže byť chladiaca veža, suchý chladič, chladič atď. Keďže proces primárneho chladenia umožňuje, aby vstupná teplota sekundárneho chladiva dosiahla 30 stupňov alebo viac, zdroj chladenia môže fungovať výlučne na prirodzenom chladení, čo vysvetľuje, prečo chladenie kvapalinou technológia dokáže dosiahnuť relatívne ideálnu efektívnosť využitia energie (PUE). Typický diagram technológie chladenia kvapalinou je znázornený na obrázku 2.

 

▲ Obrázok 2: Technologická schéma technológie chladenia kvapalinou

 

Niektoré technológie chladenia kvapalinou využívajú dizajn založený výlučne na procese primárneho chladenia, kde chladivo priamo prenáša teplo do okolia. Vo väčšine prípadov si to však vyžaduje vysoké štandardy fyzickej čistoty chladiacej kvapaliny, čo zvyšuje náklady. Ak sú potrubia príliš dlhé, ovplyvňuje to celkovú ekonomiku systému. Preto sú návrhy primárneho chladenia najvhodnejšie pre kompaktné konfigurácie.

 

 

IV Diskusia o budúcich trendoch vývoja kvapalinou chladených dátových centier

 

Celkovo možno povedať, že budúci vývoj dátových centier chladených kvapalinou stále prináša neistotu.

 

Po prvé, hnacia sila na podporu technológie chladenia kvapalinou bude stále primárne založená na požiadavkách na chladenie (odvádzanie tepla) IT zariadení. Je to však postavené na predpovediach budúcich trendov vo vývoji elektronických čipov, ako aj na predpoklade, že nákladová efektívnosť technológie chladenia kvapalinou postupne vytvorí výhodu oproti technológii chladenia vzduchom. Napriek tomu existuje možnosť, že vysoké náklady na chladenie kvapalinou by mohli viesť k alternatívnym návrhom čipov, ktoré znižujú požiadavky na chladenie a odvod tepla.

 

Po druhé, konštrukcia a model používania kvapalinou chladených dátových centier sa výrazne líši od bežných vzduchom chladených dátových centier. Charakteristickým znakom kvapalinou chladených dátových centier je vysoký stupeň prepojenia medzi IT zariadením a infraštruktúrou. Pokiaľ ide o technické princípy a zabezpečenie spoľahlivosti, v podstate nemôžu dosiahnuť rovnakú úroveň oddelenia ako konvenčné vzduchom chladené dátové centrá. V dôsledku toho rôzni predajcovia technických riešení a zariadení fungujú do značnej miery nezávisle od seba. Majitelia dátových centier sa pravdepodobne pevne spoja s konkrétnym poskytovateľom technologických riešení. Aplikáciu technológie chladenia kvapalinou v dátových centrách možno vnímať ako vývoj založenú na prerušení pôvodného komerčného modelu, konštrukčného modelu a priemyselného modelu konvenčných vzduchom chladených dátových centier. Tradičné služby prenájmu skríň sú vo veľkej miere neaplikovateľné na kvapalinou chladené dátové centrá. To predstavuje významnú prekážku pre ďalšiu podporu technológie chladenia kvapalinou.

 

Po tretie, spoľahlivosť kvapalinou chladených dátových centier si stále vyžaduje overenie. Aj keď súčasní poskytovatelia riešení pre dátové centrá s kvapalinovým chladením navrhli riešenia, ako je vylepšené testovanie spoľahlivosti a pridanie zariadení na detekciu únikov a poplašných zariadení pre chladiacu kvapalinu, obavy z potenciálnych únikov v slučke chladenia kvapaliny v skrini, ktoré vedú k poškodeniu IT zariadení, zostávajú témou rozšíreného záujmu v tomto odvetví.

 

Riešenie týchto neistôt hlboko závisí od rozsahu aplikácie. Na vyriešenie tohto zdanlivo neriešiteľného problému nie je riešením monopolizácia trhu a kontrola nadväzujúcich a nadväzujúcich odvetví, pri ktorých sa nespočetnekrát dokázalo, že porušujú zákony ekonomického rozvoja. História opakovane ukazuje, že tí, ktorí ako prví dokážu vytvoriť priemyselný reťazec a ekosystém založený na deľbe práce a spolupráci, majú väčšiu šancu uspieť v konkurencii. Pred nájdením technickej cesty, ktorá oddelí IT vybavenie od infraštruktúry, štandardizácia nebude magickým riešením problému oddelenia a nebude ani účinným prostriedkom na obmedzenie alebo útok na konkurentov. Avšak používanie štandardizácie ako nástroja na neustále napredovanie v oddeľovaní založenom na hľadaní spoločného základu pri zachovaní rozdielov, efektívnom zdieľaní skúseností a podpore oddelenia výrobných a servisných procesov s cieľom dosiahnuť špecializáciu a zdokonalenie, môže pomôcť znížiť celkové náklady na aplikácie. Neustále zlepšovanie prostredníctvom testovania aplikácií môže viesť k vytvoreniu pozitívnej spätnej väzby, ktorá rozširuje rozsah kvapalinového chladenia a potenciálne sa stáva nevyhnutnou cestou pre vývoj technológie chladenia kvapalinou.

 

 

V Záver

 

V závislosti od faktorov, ako je kompatibilita serverov, typ chladiacej kvapaliny a prevádzková teplota kvapalinového chladenia, sa technické technológie pre kvapalinou chladené dátové centrá zodpovedajúcim spôsobom líšia. V súčasnosti sú strojárske technológie pod každou technickou cestou stále v procese vývoja a finalizácie a zatiaľ neexistuje priemyselne uznávaná dokonalá technická cesta. Neexistuje ani konsenzus o konkrétnych uplatniteľných podpoliach každej technickej cesty. Hľadanie maximálnej istoty bude závisieť od faktorov, ako je hospodárnosť, spoľahlivosť a udržiavateľnosť technológie inžinierstva dátových centier s kvapalinovým chladením, ako aj od hľadania optimálnych riešení prostredníctvom nepretržitej praktickej aplikácie.