Návrh efektivních systémů chlazení kapalin pro datová centra

 

I Komponenty chladicího systému datového centra

 

Většina elektrické energie spotřebované IT zařízeními se přeměňuje na odpadní teplo. Aby bylo zajištěno, že IT zařízení bude fungovat ve vhodném teplotním rozsahu, jsou datová centra vybavena systémy chlazení a odvodu tepla, včetně chladičů, chladicích věží a přesných klimatizačních jednotek, které odvádějí odpadní teplo z datového centra. Proces přenosu tepla je znázorněn na obrázku 1. Mezi klíčové body spotřeby energie patří chladiče, chladicí věže, čerpadla a přesné klimatizační jednotky.

 

▲ Obrázek 1: Přenos tepla v datových centrech

 

V současnosti jsou primárními médii pro přenos tepla v datových centrech vzduch nebo voda. Voda se měrnou tepelnou kapacitou při konstantním tlaku 1,004 kJ/(KgK) a měrnou tepelnou kapacitou 4200 kJ/(KgK) má kapacitu přenosu tepla přibližně 1,000krát větší než vzduch. Využití vody jako chladicího média je proto efektivní metodou úspory energie při navrhování chladicích systémů. Ke zlepšení energetické účinnosti chladicích systémů se k zachycení a přenosu tepla používají opatření, jako jsou vysoce účinné radiátory a přesné dodávky vzduchu.

 

V oblasti přesné klimatizace se chlazení vyvinulo z úrovně místnosti na modulární datové místnosti a chlazení na úrovni racku, čímž se přiblížilo ke zdroji tepla a snížilo spotřebu energie při přepravě chladicí kapaliny. Generování zdrojů chlazení pokročilo od chlazení vzduchem k chlazení vodou a přirozenému chlazení, což zvyšuje účinnost vnějšího přenosu tepla.

 

 

Tradiční chladicí systémy se vyznačují nezávislými řídicími systémy a provozními strategiemi pro přesnou klimatizaci, chladiče a chladicí věže, které lokálně optimalizují účinnost. Celková účinnost chlazení však stále vyžaduje zlepšení.

 

Systematických zlepšení lze dosáhnout komplexním řízením a přesným řízením sběru tepla, přípravy zdroje chlazení a externího přenosu tepla, čímž se sníží spotřeba energie chladicího systému.

 

 

II Konstrukční systém kapalinového chlazení End-to-End

 

1. Design chlazení kapalinou na úrovni desky

S exponenciálním růstem požadavků na výpočetní výkon se výrazně zvýšila integrace a spotřeba energie CPU a GPU, přičemž spotřeba jednoho čipu dosáhla 300 W. Tradiční čipové chladiče a řešení vzduchového chlazení narážely na překážky chlazení. Vzhledem k tomu, že čip je zdrojem tepla, primární výzvou pro systém chlazení datového centra je efektivně odvádět teplo z čipu.

 

Z hlediska odvodu tepla musí být teplo generované čipem nejprve přeneseno do chladiče na úrovni desky. Účinnější řešení chladičů usnadní lepší sběr tepla.

 

Pro jednotlivé čipy se spotřebou energie pod 200W a IT zařízení se spotřebou energie pod 20kW na rack lze jako teplonosné médium nadále používat vzduch. Chladiče heatpipe a chladiče vapor Chamber (VC) v kombinaci s materiály TIM s vysokou tepelnou vodivostí (jako jsou grafitové desky/grafen) účinně snižují tepelný odpor mezi čipem a základnou chladiče a zlepšují tak účinnost chladiče.

 

Pro jednotlivé čipy se spotřebou vyšší než 200W a IT zařízení se spotřebou vyšší než 20kW na rack již vzduch jako teplonosné médium nestačí a pro chlazení je nutné použít kapalné chladivo. Technologie kapalinou chlazených studených desek je v současnosti vyspělým řešením pro chlazení čipů na úrovni desky. Kapalinou chlazená studená deska se skládá ze vstupních a výstupních konektorů, horního krytu a základní desky, které jsou spojeny vakuovým pájením natvrdo, aby vytvořily utěsněnou kapalinovou teplosměnnou komoru. Komora obsahuje distribuční komory a průtokové kanály různé šířky, které řídí proudění tekutiny a zvyšují turbulenci, zlepšují místní chladicí schopnosti a eliminují horká místa způsobená vysoce výkonnými čipy. Vnitřní struktura je znázorněna na obrázku 2.

 

▲ Obrázek 2: Příčný řez kapalinou chlazenou studenou deskou

 

Různé typy desek ve stejném stojanu mají různé úrovně výkonu a horká místa, ale napájecí tlak na vstupním konektoru přívodního potrubí kapaliny je obecně stejný, což vyžaduje, aby distribuční komora studené desky řídila škrcení. U desek s nižší spotřebou čipu snižuje škrcení průtok chladicí kapaliny. V praxi kapalinou chlazené studené desky pokrývají CPU, paměť a další vysoce výkonné komponenty, ale komponenty jako odpory a kondenzátory, které nejsou zakryty, generují zbytkové teplo, které vyžaduje chlazení ventilátorem. Výsledkem je kombinace kapalinového a vzduchového chlazení v systému, což ponechává prostor pro zlepšení účinnosti chlazení.

 

Použitím materiálů TIM k pokrytí všech součástí během konstrukce studené desky lze technicky dosáhnout 100% chlazení kapalinou, ale to zvyšuje náklady a složitost studené desky. Při snaze o účinné chlazení je třeba vzít v úvahu i počáteční náklady. Pokud jsou typy uzlových desek jednotné, lze uvažovat o plně zakryté desce, přičemž počáteční náklady budou kompenzovány škálováním výroby, čímž se dosáhne rovnováhy mezi úsporami energie a investicemi.

 

 

Deionizovaná voda se typicky používá jako chladivo při chlazení kapalin díky své vysoké specifické tepelné kapacitě, která umožňuje rychlou absorpci tepla a přitom je nekorozivní, takže neovlivňuje spolehlivost potrubí. Chladicí kapalinové chlazení je nepřímé, čip není v přímém kontaktu s kapalným chladivem, což má za následek vysokou spolehlivost a vyspělou technologii.

 

Mezi čipem a kapalným chladivem však existuje tepelný odpor, což vede některé výrobce k podpoře řešení ponorného chlazení. Při imerzním chlazení je IT zařízení ponořeno do cirkulující kapaliny, přičemž čip je v přímém kontaktu s chladicí kapalinou, čímž se snižuje tepelný odpor a zároveň se využívá změna fáze k odstranění více tepla, což z něj činí nový hotspot v kapalinovém chlazení. Fluorované kapaliny se běžně používají jako chladicí kapaliny při ponorném chlazení, ale jejich vysoká cena je překážkou komerčního použití ve velkém měřítku.

 

2. Chlazení kapalinou na úrovni stojanu

V datových centrech je vybavení IT uspořádáno do stojanů, ve kterých je umístěno informační zařízení datového centra, jako jsou servery, úložná zařízení a síťové přepínače. Zatímco chlazení na úrovni desky odebírá teplo z jednotlivých IT zařízení, chlazení na úrovni racku shromažďuje a přenáší teplo ven. Mezi klíčové komponenty kapalinového chlazení na úrovni stojanu patří vstupní a výstupní potrubí, monitorovací jednotky, teplotní senzory, solenoidové ventily a zpětné ventily, jak je znázorněno na obrázku 3.

 

▲ Obrázek 3: Konfigurace kapalinového chlazení na úrovni stojanu

 

Rozdělovač se připojuje externě k distribuční jednotce kapalinového chlazení na úrovni místnosti a interně prostřednictvím rychlospojek ke vstupním a výstupním konektorům kapalinou chlazené chladicí desky, což usnadňuje přenos systémového tepla na vnější stranu stojanu.

Hlavní funkce solenoidového ventilu a zpětného ventilu jsou řídit průtok kapaliny a omezit rozsah selhání na jeden stojan v případě úniku.

 

Primární úlohou teplotního čidla je nepřetržitě sledovat teplotu vstupní a výstupní vody. Využitím teplotního rozdílu mezi vstupní a výstupní vodou řídí otevírání solenoidového ventilu, čímž řídí průtok vody a zajišťuje, že teplo a průtok jsou přizpůsobeny.

Kapalinový chladicí systém používá jako pracovní tekutinu deionizovanou vodu, která teoreticky nezpůsobuje zkraty.

 

Desky plošných spojů nebo elektronické součástky však často obsahují prachové částice, a když se deionizovaná voda dostane do kontaktu s obvodovou deskou, může způsobit zkrat. To je jedna z hlavních překážek a problémů při implementaci kapalinového chlazení. K řešení problému netěsnosti studené desky se používají opatření jako kontrola kvality, monitorování mikroúniků a prevence náhlých velkých úniků.

 

Kontrola kvality je rozdělena na výrobní a instalační aplikační fáze. Ve výrobní fázi je zajištěna spolehlivost procesu, 100 % studených plechů prochází tlakovou zkouškou, pro náhodné odběry vzorků a detekci defektů se používá ultrazvuk. Rychloupínací šroubení musí být ověřeno pro účinné zasunutí a dlouhodobou spolehlivost. Ve fázi instalace instalace musí být sekundární potrubí před instalací propláchnuto, aby se zabránilo nečistotám způsobujícím ucpání rychlospojek, vzpříčení pružin nebo selhání pryžových kroužků, čímž se zabrání netěsnostem během provozu. Výše uvedená opatření mají za cíl v maximální možné míře zabránit únikům.

 

 

Pokud se na chladící desce objeví mikroúnik, musí být detekovatelný a spustit alarm, který přiměje pracovníky údržby k okamžité opravě. Existují dvě metody detekce: jedna je pomocí senzoru ponoření do vody, který je instalován na odkapávací misce. Hlavní funkcí odkapávací misky je usnadnit detekci netěsností a zabránit úniku kapaliny mimo stojan, čímž se omezí šíření závad.

 

I když je detekce senzoru ponoření do vody vyspělá a spolehlivá, vyžaduje, aby se prosakující tekutina nahromadila v odkapávací misce poté, co protekla podél hardwarové desky a armatur racku, do té doby může být celkové množství uniklé tekutiny značné a může již desku poškodit. a komponenty během toku.

 

Další metodou je sledování v reálném čase. Do pracovní tekutiny se přimíchá stopovací látka s nízkým bodem varu a v případě úniku ji detekuje čidlo plynu zabudované v desce. Náhlé úniky velkého rozsahu jsou vzácné, ale mají velký dopad. Aby se takovým incidentům předešlo, jsou na vstupu a výstupu rozdělovače na stojanu instalovány zpětné ventily. Tyto zpětné ventily se automaticky uzavřou, když je detekován významný tlakový rozdíl.

 

3. Design chlazení kapalinou na úrovni místnosti

Chlazení na úrovni místnosti je navrženo pro přenos tepla odebraného z rozvaděčů do venkovního prostředí. Řešení kapalinového chlazení na úrovni místnosti zahrnuje kapalinou chlazenou modulární datovou místnost, chladiče, vodní čerpadla, chladicí věže, potrubí a další, jak je znázorněno na obrázku 4.

 

▲ Obrázek 4: Konfigurace kapalinového chlazení na úrovni místnosti

 

Kapalinou chlazená modulární datová místnost obvykle obsahuje dvě záložní jednotky pro distribuci kapalinového chlazení (CDU), 10-20 IT rozvaděče, 1-2 řadové klimatizační jednotky a napájecí zařízení, jak ukazuje obrázek 4.

 

Distribuční jednotka chlazení kapalinou (CDU) je zodpovědná za distribuci pracovní tekutiny mezi IT rozvaděče chlazené kapalinou, zajišťuje distribuci průtoku na sekundární straně, řízení tlaku, fyzickou izolaci a funkce proti kondenzaci. Během skutečného provozu dodává CDU určitý průtok a teplotu chladicí vody do IT rozvaděčů chlazených kapalinou, která vstupuje do kapalinou chlazených studených desek přes rozdělovač, odvádí teplo generované procesory a klíčovými komponenty a vrací ohřáté chlazení zpět. vody do mezilehlé teplosměnné jednotky CDU. Teplo je poté uvolňováno do venkovního potrubí vratné vody a tato část tepla je odváděna do venkovního prostředí prostřednictvím chladičů nebo suchých chladičů, čímž je dokončen proces řízení tepla pro kapalinou chlazené servery.

 

CDU reguluje teplotu a průtok chladicí kapaliny vstupující do kapalinou chlazených chladicích desek, čímž zajišťuje chlazení IT rozvaděčů a distribuci chladicí energie. Vnitřní teplosměnná jednotka také hraje roli při izolaci okruhu přívodu kapaliny mezi modulární datovou místností a venkovním prostředím. Vzhledem ke své kritické roli používá CDU obvykle konfiguraci redundance 1+1. CDU řídí průtok kapalné chladicí kapaliny detekcí vstupní a výstupní teploty vody a tlaku na přívodu a nastavováním rychlosti čerpadla přívodní vody.

 

 

V současné době většina řídicích systémů CDU není propojena s teplotními senzory ve stojanech, což má za následek relativně hrubé řízení. Aby se tento problém vyřešil, některé aplikace nahradily centralizované jednotky CDU distribuovanými jednotkami CDU, které jsou integrovány do stojanů. Tímto způsobem jsou úpravy toku CDU zcela založeny na provozním stavu a kolísání spotřeby energie stojanu. Centralizované jednotky CDU jsou vhodné pro scénáře s velkým počtem stojanů chlazených kapalinou, které lze konsolidovat do modulární datové místnosti, zatímco distribuované jednotky CDU jsou vhodnější pro situace s pouze 2-3 stojany chlazenými kapalinou, což usnadňuje nasazení.

 

 

III Závěr

 

Pod vedením dvou uhlíkových cílů nesou datová centra dvojí poslání: na jedné straně poskytují prostřednictvím intenzivních a škálovaných operací dostatečný výpočetní výkon pro digitální ekonomiku. Široké používání stojanů s vysokou hustotou a vysoce výkonných čipů, poháněné efektivitou výpočetního výkonu datových center, způsobilo, že tradiční vzduchové chlazení naráželo na překážky. Na druhou stranu, využitím vysoce účinných výměníků tepla, kapalinového chlazení a přirozeného chlazení ze suchých chladičů mohou datová centra snížit vlastní spotřebu energie.

 

Po zavedení kapalinového chlazení se účinnost chlazení výrazně zlepšila, přičemž spotřeba energie chladicích systémů se snížila z 37 % na přibližně 10 %, což vede k významným úsporám energie a snížení uhlíku. Pokud 50 % nově vybudovaných datových center po celé zemi zavede kapalinové chlazení, lze ročně ušetřit 45 miliard kWh elektřiny a 3 miliony tun CO₂ emise lze snížit.