Hatékony folyadékhűtő rendszerek tervezése adatközpontokhoz

 

I Az adatközpont hűtőrendszerének összetevői

 

Az informatikai berendezések által fogyasztott elektromos energia nagy része hulladékhővé alakul. Az informatikai berendezések megfelelő hőmérsékleti tartományon belüli működése érdekében az adatközpontokat hűtő- és hőleadó rendszerekkel látják el, beleértve a hűtőket, hűtőtornyokat és precíziós klímaberendezéseket, amelyek eltávolítják a hulladékhőt az adatközpontból. A hőátadási folyamatot az 1. ábra szemlélteti. A legfontosabb energiafogyasztási pontok közé tartoznak a hűtők, hűtőtornyok, szivattyúk és a precíziós légkondicionáló egységek.

 

▲ 1. ábra: Hőátvitel az adatközpontokban

 

Jelenleg az adatközpontokban az elsődleges hőátadó közeg a levegő vagy a víz. Az állandó nyomású 1,004 kJ/(KgK) fajlagos hőkapacitású és 4200 kJ/(KgK) fajlagos hőkapacitású víz hőátadó képessége körülbelül 1,000-szer nagyobb, mint a levegő. Ezért a víz hűtőközegként való felhasználása hatékony energiatakarékos módszer a hűtőrendszerek tervezésében. A hűtőrendszerek energiahatékonyságának javítása érdekében olyan intézkedéseket alkalmaznak, mint a nagy hatásfokú radiátorok és a precíz levegőszállítás a hő felfogására és átadására.

 

A precíziós légkondicionálásban a hűtés a szobaszintről moduláris adatszobákra és rack szintű hűtésre fejlődött, közelebb kerülve a hőforráshoz, és csökkentve az energiafogyasztást a hűtőközeg szállításában. A hűtőforrások előállítása a léghűtésről a vízhűtésre és a természetes hűtésre fejlődött, javítva a külső hőátadás hatékonyságát.

 

 

A hagyományos hűtőrendszerek független vezérlőrendszerekkel és működési stratégiákkal rendelkeznek a precíziós légkondicionáláshoz, hűtőberendezésekhez és hűtőtornyokhoz, így helyileg optimalizálják a hatékonyságot. Az általános hűtési hatékonyság azonban még javításra szorul.

 

Szisztematikus fejlesztések érhetők el a hőgyűjtés, a hűtőforrás előkészítés és a külső hőátadás teljes körű kezelésével és precíz szabályozásával, ezáltal csökkentve a hűtőrendszer energiafogyasztását.

 

 

II Folyékony hűtőrendszer végponttól végpontig történő tervezése

 

1. Tábla-szintű folyadékhűtés

A számítási teljesítményigény exponenciális növekedésével a CPU-k és GPU-k integrációja és energiafogyasztása jelentősen megnőtt, az egychipes energiafogyasztás elérte a 300 W-ot. A hagyományos chip hűtőbordák és léghűtéses megoldások hűtési szűk keresztmetszetekbe ütköztek. Mivel a chip a hőforrás, az adatközpont hűtőrendszerének elsődleges kihívása a hő hatékony eltávolítása a chip belsejéből.

 

Hőelvezetés szempontjából a chip által termelt hőt először a táblaszintű hűtőbordára kell átadni. A hatékonyabb hűtőborda-megoldások elősegítik a jobb hőgyűjtést.

 

A 200 W alatti energiafogyasztású egyedi chipek és rackenként 20 kW alatti energiafogyasztású informatikai berendezések esetében továbbra is levegő használható hőhordozóként. A hűtőcsövek hűtőbordái és a gőzkamrás (VC) hűtőbordák nagy hővezető képességű TIM anyagokkal (például grafitlapokkal/grafénnel) kombinálva hatékonyan csökkentik a chip és a hűtőborda alapja közötti hőellenállást, javítva a hűtőborda hatékonyságát.

 

A 200 W-ot meghaladó fogyasztású egyedi chipeknél és a 20 kW-ot meghaladó rack-felhasználó informatikai berendezéseknél a levegő már nem elegendő hőhordozó közegként, a hűtéshez folyékony hűtőfolyadékot kell használni. A folyadékhűtéses hideglemezes technológia jelenleg kiforrott megoldás a táblaszintű forgácshűtésre. A folyadékhűtéses hideglemez bemeneti és kimeneti csatlakozókból, egy felső burkolatból és egy alaplemezből áll, amelyeket vákuumforrasztással kötnek össze, hogy egy lezárt folyadékhőcserélő kamrát képezzenek. A kamra elosztó kamrákat és különböző szélességű áramlási csatornákat tartalmaz, amelyek szabályozzák a folyadék áramlását és növelik a turbulenciát, javítva a helyi hűtési képességeket és kiküszöbölve a nagy teljesítményű chipek által okozott forró pontokat. A belső szerkezet a 2. ábrán látható.

 

▲ 2. ábra: Folyadékhűtéses hideglemez keresztmetszete

 

Az ugyanazon a rack-en belüli különböző típusú táblák teljesítményszintje és forró pontja eltérő, de a tápnyomás a folyadékellátó vezeték bemeneti csatlakozójánál általában azonos, ezért a hűtőlemez elosztó kamrájának kell szabályoznia a fojtást. Alacsonyabb forgácsfogyasztású lapoknál a fojtás csökkenti a hűtőfolyadék áramlását. A gyakorlatban folyadékhűtéses hideglemezek fedik le a CPU-t, a memóriát és más nagy teljesítményű alkatrészeket, de az olyan alkatrészek, mint az ellenállások és a kondenzátorok, amelyek nincsenek lefedve, maradékhőt termelnek, amely ventilátorhűtést igényel. Ez a rendszeren belül a folyadék- és levegőhűtés kombinációját eredményezi, teret hagyva a hűtési hatékonyság javítására.

 

A hideglemezes tervezés során az összes alkatrész lefedésére szolgáló TIM anyagok használatával műszakilag 100%-os folyadékhűtés érhető el, de ez megnöveli a hűtőlemez költségét és bonyolultságát. A hatékony hűtésre való törekvés mellett a kezdeti költségbefektetést is figyelembe kell venni. Ha a csomóponti táblatípusok egységesek, akkor szóba jöhet egy teljesen fedett tábla, amelynek kezdeti költségeit a termelés méretarányos ellensúlyozása ellensúlyozza, egyensúlyt teremtve az energiamegtakarítás és a beruházás között.

 

 

Az ionmentesített vizet jellemzően hűtőközegként használják a folyékony hűtéshez, mivel nagy fajlagos hőkapacitása gyors hőelnyelést tesz lehetővé, miközben nem korrozív, így nem befolyásolja a csővezeték megbízhatóságát. A hideglemezes folyadékhűtés közvetett, a chip nem érintkezik közvetlenül a folyékony hűtőközeggel, ami nagy megbízhatóságot és kiforrott technológiát eredményez.

 

A forgács és a folyékony hűtőfolyadék között azonban hőellenállás van, ami arra készteti a gyártókat, hogy a merülő hűtési megoldásokat népszerűsítsék. A merülő hűtés során az informatikai berendezéseket keringő folyadékba merítik, a chip közvetlenül érintkezik a hűtőfolyadékkal, csökkentve a hőellenállást, miközben a fázisváltást kihasználva több hőt távolít el, így a folyadékhűtés új gócpontja. A fluortartalmú folyadékokat általában hűtőközegként használják merülőhűtésben, de magas költségük akadályozza a nagyszabású kereskedelmi felhasználást.

 

2. Rack-szintű folyadékhűtés

Az adatközpontokban az informatikai berendezéseket rack-ekbe rendezik, amelyekben adatközponti információs berendezések, például szerverek, tárolóeszközök és hálózati kapcsolók helyezkednek el. Míg a táblaszintű hűtés elvonja a hőt az egyes informatikai eszközöktől, a rack szintű hűtés összegyűjti és a szabadba továbbítja a hőt. A rack-szintű folyadékhűtés kulcsfontosságú összetevői közé tartoznak a bemeneti és kimeneti elosztók, a felügyeleti egységek, a hőmérséklet-érzékelők, a mágnesszelepek és a visszacsapó szelepek, amint az a 3. ábrán látható.

 

▲ 3. ábra: Rack-szintű folyadékhűtés konfigurációja

 

Az elosztó kívülről a szobaszintű folyadékhűtés-elosztó egységhez, belül pedig gyorscsatlakozókon keresztül a folyadékhűtéses hűtőlemez bemeneti és kimeneti csatlakozóihoz csatlakozik, megkönnyítve a rendszerhő átvitelét a rack külső oldalára.

A mágnesszelep és a visszacsapó szelep fő funkciója a folyadék áramlásának szabályozása és a meghibásodás mértékének korlátozása egyetlen fogaslécre szivárgás esetén.

 

A hőmérséklet-érzékelő elsődleges feladata a be- és kilépő víz hőmérsékletének folyamatos figyelése. A bemeneti és kilépő víz közötti hőmérséklet-különbség felhasználásával szabályozza a mágnesszelep nyitását, ezáltal szabályozza a víz áramlását, és biztosítja a hő és az áramlás összhangját.

A folyékony hűtőrendszer ioncserélt vizet használ munkaközegként, ami elméletileg nem okoz rövidzárlatot.

 

Az áramköri lapokon vagy elektronikus alkatrészeken azonban gyakran vannak porszemcsék, és ha ionmentesített víz érintkezik az áramköri lappal, az rövidzárlatot okozhat. Ez az egyik legnagyobb akadály és aggály a folyadékhűtés megvalósításában. A hideglemez-szivárgás problémájának megoldása érdekében olyan intézkedéseket alkalmaznak, mint a minőség-ellenőrzés, a mikroszivárgás megfigyelése és a hirtelen nagy szivárgások megelőzése.

 

A minőség-ellenőrzés gyártási és telepítési alkalmazási szakaszokra oszlik. A gyártási szakaszban a folyamat megbízhatósága biztosított, a hideglemezek 100%-án nyomáspróbát végeznek, és ultrahangot használnak a véletlenszerű mintavételhez és a hibaészleléshez. A gyorscsatlakozó szerelvényeket hitelesíteni kell a hatékony behelyezés és a hosszú távú megbízhatóság érdekében. A telepítési alkalmazási szakaszban a másodlagos csöveket a beépítés előtt tisztára kell öblíteni, hogy a szennyeződések ne okozzanak eltömődést a gyorscsatlakozós szerelvényekben, rugóelakadásokat vagy gumigyűrű-meghibásodásokat, ezáltal megakadályozzák a szivárgást működés közben. A fenti intézkedések célja a szivárgások lehetőség szerinti megakadályozása.

 

 

Ha egy hideg lemezen mikroszivárgás alakul ki, annak észlelhetőnek kell lennie, és riasztást kell kiváltania, hogy a karbantartó személyzet azonnal megjavítsa. Két észlelési módszer létezik: az egyik a csepegtetőtálcára szerelt vízbemerülő érzékelő használata. A csepptálca fő funkciója, hogy megkönnyítse a szivárgás észlelését és megakadályozza a folyadék szivárgását az állványon kívülre, csökkentve a hibák terjedését.

 

Míg a vízbemerítő érzékelő érzékelése érett és megbízható, megköveteli, hogy a szivárgó folyadék felhalmozódjon a csepptálcában, miután végigfolyik a hardverlapon és az állványszerelvényeken, ekkorra a szivárgó folyadék teljes mennyisége jelentős lehet, és már károsíthatja a táblát. és alkatrészek az áramlás során.

 

A másik módszer a valós idejű monitorozás. A munkaközegbe alacsony forráspontú nyomjelző anyagot kevernek, szivárgás esetén a táblába épített gázérzékelő érzékeli. A nagy léptékű hirtelen szivárgás ritka, de nagyon hatásos. Az ilyen események elkerülése érdekében visszacsapó szelepeket kell felszerelni az állványon lévő elosztó be- és kimeneténél. Ezek a visszacsapó szelepek automatikusan zárnak, ha jelentős nyomáskülönbséget észlel.

 

3. Szobaszintű folyadékhűtés

A szobaszintű hűtés célja, hogy a rackekből kivont hőt a szabadba továbbítsa. A szobaszintű folyadékhűtési megoldás tartalmaz egy folyadékhűtéses moduláris adatszobát, hűtőket, vízszivattyúkat, hűtőtornyokat, csöveket és egyebeket, amint az a 4. ábrán látható.

 

▲ 4. ábra: A helyiségszintű folyadékhűtés konfigurációja

 

A folyadékhűtéses moduláris adatszoba jellemzően két tartalék folyadékhűtő elosztó egységet (CDU), 10-20 IT-állványt, 1-2 sorszintű klímaberendezést és tápegységet tartalmaz, amint az a 4. ábrán látható.

 

A folyadékhűtés elosztó egység (CDU) felelős a munkaközeg elosztásáért az IT folyadékhűtéses állványok között, biztosítva a másodlagos oldali áramláselosztást, a nyomásszabályozást, a fizikai leválasztást és a kondenzáció elleni funkciókat. A tényleges működés során a CDU bizonyos térfogatáramú és hőmérsékletű hűtővizet juttat az IT folyadékhűtéses rack-ekbe, amely az elosztón keresztül jut be a folyadékhűtéses hideglemezekbe, eltávolítja a processzorok és a kulcselemek által termelt hőt, és visszaadja a felmelegített hűtést. vizet a CDU közbenső hőcserélő egységéhez. A hő ezután a kültéri visszatérő vízvezetékbe kerül, és a hőnek ez a része hűtőkon vagy szárazhűtőkön keresztül a kültéri környezetbe távozik, ezzel befejezve a folyadékhűtéses szerverek hőkezelési folyamatát.

 

A CDU szabályozza a folyadékhűtéses hűtőlemezekbe belépő hűtőfolyadék hőmérsékletét és áramlását, ezáltal hűtést biztosít az IT-állványok számára, és elosztja a hűtőteljesítményt. A belső hőcserélő egység szerepet játszik a moduláris adatszoba és a kültéri környezet közötti folyadékellátó áramkör leválasztásában is. Kritikus szerepe miatt a CDU általában 1+1 redundancia konfigurációt alkalmaz. A CDU szabályozza a folyékony hűtőfolyadék áramlását a bemeneti és kilépő víz hőmérsékletének, valamint a tápnyomásnak, valamint a befúvó vízszivattyú sebességének beállításával.

 

 

Jelenleg a legtöbb CDU vezérlőrendszer nem kapcsolódik a rackekben lévő hőmérséklet-érzékelőkhöz, ami viszonylag durva szabályozást eredményez. A probléma megoldása érdekében egyes alkalmazások a központosított CDU-kat elosztott CDU-kra cserélték, amelyek az állványokba vannak integrálva. Így a CDU áramlási beállításai teljes mértékben a rack működési állapotán és energiafogyasztási ingadozásán alapulnak. A központosított CDU-k olyan forgatókönyvekhez alkalmasak, ahol nagyszámú folyadékhűtéses rack van, amelyek moduláris adatszobává konszolidálhatók, míg az elosztott CDU-k jobban megfelelnek azokra a helyzetekre, ahol csak 2-3 folyadékhűtéses állványok vannak, így könnyebb a telepítés.

 

 

III Következtetés

 

A kettős szén-dioxid-kibocsátási célok irányítása alatt az adatközpontok kettős küldetést töltenek be: egyrészt intenzív és skálázott működésük révén elegendő számítási teljesítményt biztosítanak a digitális gazdaság számára. A nagy sűrűségű rackek és nagy teljesítményű chipek széles körben elterjedt alkalmazása, amelyet az adatközpontok számítási teljesítményének hatékonysága vezérel, a hagyományos léghűtés szűk keresztmetszetekbe ütközött. Másrészt a nagy hatásfokú hőcserélők, a folyadékhűtés és a száraz hűtőkből származó természetes hűtés alkalmazásával az adatközpontok csökkenthetik saját energiafogyasztásukat.

 

A folyékony hűtés bevezetése után a hűtési hatékonyság jelentősen javul, a hűtőrendszerek energiafogyasztása 37%-ról körülbelül 10%-ra csökken, ami jelentős energiamegtakarítást és szén-dioxid-kibocsátást eredményez. Ha országszerte az újonnan épült adatközpontok 50%-a alkalmazza a folyadékhűtést, akkor évente 45 milliárd kWh villamos energia és 3 millió tonna szén-dioxid takarítható meg.₂ csökkenthető a kibocsátás.