Folyadékhűtéses adatközponti mérnöki technológia fejlesztése és megvitatása

 

Mivel a folyadék térfogategységenkénti fajlagos hőkapacitása körülbelül 1,000-szerese a levegőnek, a folyadékhűtés (hőelvezetés) sokkal nagyobb hűtési kapacitással rendelkezik, mint a hagyományos léghűtés. Hatékony megoldás az ultra-nagy hőáram-sűrűség által termelt hő elvezetésére. 1964-ben a nagy nagyszámítógépek túlmelegedésének és leállásának megoldására az IBM kifejlesztette a világ első hűtött vízhűtéses számítógépét, a System360-at, amely úttörő folyadékhűtéses számítógép. A közelmúltban a nemzeti és helyi energiahatékonysági irányítási politikák hatására a folyadékhűtéses technológia ismét széles körű figyelmet kapott az adatközpont-iparban, ami egy sor folyadékhűtéses adatközpont-mérnöki technológia kifejlesztéséhez vezetett.

 

 

I. Folyadékhűtés megvalósítási módszerei

 

Tágabb értelemben a folyadékhűtés a folyadékhűtéssel kapcsolatos összes technológiát jelenti. Az ipar ismeri az olyan módszereket, mint például a hidegvizes tekercsek felszerelése az állványok hátlapjára, amelyek folyadékhűtésnek minősülnek, és amelyek a folyadékhűtés tág fogalma alá tartoznak. A Kínai Elektronikai Intézet (CIE) egy sor folyadékhűtéses adatközpont-tervezési szabvány kidolgozása során iparági megbeszéléseken keresztül tisztázta a folyadékhűtés fogalmát. Meghatározásuk szerint a folyadékhűtés kifejezetten az elektronikus chipek által termelt hő folyadékok segítségével történő közvetlen eltávolítását jelenti, így a folyadékhűtés szűk definíciója csak a szerveren belüli hűtési folyamatra vonatkozik.

 

A folyadékhűtés szűk definíciója szempontjából két fő kategóriába sorolható: a hűtőfolyadék közvetlen érintkezése az elektronikus chippel vagy közvetett érintkezés nagy hővezető képességű szilárd anyagon keresztül. Ezek azután tovább oszthatók az érintkezés formája, a hűtőfolyadék típusa és az alapján, hogy a hűtőfolyadék fázisváltozáson megy keresztül. A folyadékhűtési módszerek általában nyolc kategóriába sorolhatók (lásd 1. táblázat).

 

▲ 1. táblázat: A folyadékhűtés megvalósításának osztályozása

 

 

II Folyékony hűtés iránti igény az adatközponti forgatókönyvekben

 

Az adatközpontokban általánosan használt hagyományos léghűtéses rendszerekhez hasonlóan a folyadékhűtés szerepe az informatikai berendezések, például szerverek és egyéb létesítményi berendezések (pl. UPS akkumulátorok) által termelt hő eltávolítása, hogy viszonylag stabil környezetet tartson fenn megfelelő hőmérséklettel és páratartalommal. az adatközpontban.

 

Először is, a folyadékhűtési technológia fejlesztésének fő hajtóereje a hőelvezetési igény. Mivel az adatfeldolgozási képességek iránti igény gyorsan növekszik, az elektronikus chipek integrációja valószínűleg a jövőben is exponenciálisan növekedni fog. Ez a teljesítménysűrűség és a hőáram sűrűségének növekedéséhez vezet. A gyorsabb adatátviteli sebesség és a nagyobb felhasználói kényelem szükségessége a berendezések magasabb szintű integrációjához vezet, ami viszont nagyobb hőelvezetési követelményekhez vezet az IT-berendezések, például a szerverek számára. Ez növeli a működés környezetvédelmi követelményeit is. Emiatt a léghűtéshez nagyobb sebességű, nagyobb átmérőjű ventilátorokra és nagyobb hőleadó csatornákra lesz szükség, ami jelentős zajjal, nagyobb környezeti hőterheléssel, valamint megnövekedett építési és üzemeltetési költségekkel jár. A folyadékhűtés jobb költség-teljesítmény arányt kínál.

 

Másodszor, az energiahatékonyság-kezelési politikák ösztönzik a folyadékhűtési technológia elfogadását. Egy másik fontos ok, amiért az adatközpont-ipar a folyadékhűtésre összpontosít, a nemzeti és helyi energiahatékonyság-kezelési politikáknak köszönhető. Egyre szigorodnak az adatközpontok energiahasználati hatékonyságára (PUE) vonatkozó nemzeti és helyi követelmények, így a folyadékhűtés az adatközpont-ipar reflektorfényébe kerül. A legújabb nemzeti szabvány, a Data Center Energy Efficiency Limit Values ​​and Energy Efficiency Grades (GB 40879-2021) 1,3 alatti energiafogyasztást ír elő, ami az ország nagy részén csak léghűtéssel nehezen érhető el, ezért szükséges a folyadékhűtés technológia alkalmazása.

 

Harmadszor, a hulladékhő visszanyerésének kényelme ösztönözheti a folyadékhűtés alkalmazását az adatközpontokban. A folyadékhűtési megoldásokkal épített adatközpontok relatíve jobb minőségű hulladékhővel rendelkeznek, és könnyebben visszanyerhetők. A folyadékhűtéses adatközpontokban zajló hulladékhő-hasznosítási projektek hatékony módszert jelentenek az átfogó energiahasznosítás elérésére és az energiahatékonyság javítására. Egyes tudósok már felvetették azt az ötletet, hogy nagyméretű adatközpontokat építsenek hőforrásként városok vagy ipari parkok számára.

 

 

III Folyadékhűtéses adatközponti mérnöki technológia fejlesztése

 

Az elektronikus chipek által termelt hő folyadékhűtéssel történő eltávolítása csak a hűtési folyamat kezdete egy adatközpontban. Az elektronikus chipekből történő folyamatos hőtermelés a folyadékhűtéses adatközponti mérnöki technológia tartós, stabil és megbízható működését igényli a chip hűtésének fenntartásához.

 

A folyadékhűtés elvei és gyakorlata eltér a léghűtéstől. Konkrétan a hőelvezetés és a hűtés fogalmai finom különbségeket mutatnak: szobahőmérséklet feletti vagy szobahőmérséklet alatti hőmérséklettől kezdve. A folyadékhűtéses adatközponti mérnöki technológiai keretrendszer jobb megszervezése érdekében az elektronikus chipeket tekintik forrásnak, azzal a céllal, hogy a chipek által termelt hőt az adatközponton kívülre továbbítsák, biztosítva az informatikai berendezések stabil működését. Így a folyadékhűtéses adatközponti mérnöki technológia elsődleges és másodlagos hűtési folyamatokra oszlik. Ez a koncepció eltér a hagyományos adatközponti léghűtés elsődleges és másodlagos oldalától.

 

A folyadékhűtéses adatközpont-mérnöki technológia elsődleges hűtési folyamata az elektronikus IT-berendezések nagy hőáram-sűrűségű alkatrészeit hűti, és a keletkező hőt a rack-en kívülre továbbítja. Más néven elsődleges hűtés (hőelvezetés), kezdeti hűtés, belső hűtés vagy belső cirkulációs hűtés. Az elsődleges hűtési folyamat szigorúan folyadékhűtési folyamat, és jellemzően folyadékhűtő berendezések vagy alkatrészek zárt hurkából áll a chip végén, hűtőelosztó egységből (CDU), hűtőfolyadék-adagolókból és csővezetékekből. A hűtőelosztó egység (CDU) szivattyúkat és hőcserélőket tartalmaz, amelyek biztosítják a hűtőfolyadék keringető erejét. Egy tipikus elsődleges hűtési folyamat magában foglalja egy bizonyos hőmérsékletű és hűtőfolyadék áramlását a CDU-ból a folyadékhűtő berendezésbe vagy a chip végén lévő alkatrészekbe. A hűtőfolyadék hőt cserél a forgácsokkal közvetlen vagy közvetett érintkezés útján nagy hővezető képességű anyagokon, például fémeken keresztül. A felmelegített, magas hőmérsékletű hűtőközeg vagy hűtőközeg gőz ezután a csővezetékeken keresztül visszaáramlik a CDU-ba, ahol hőt cserél a másodlagos hűtőközeggel. Lehűlés után az alacsony hőmérsékletű hűtőfolyadékot a CDU visszavezeti a folyadékhűtő berendezéshez vagy a chip végén lévő alkatrészekhez, egy teljes ciklust teljesítve. Az elsődleges hűtési folyamatban általánosan használt hűtőközegek közé tartoznak az etilénglikol-oldatok, a propilénglikol-oldatok, az ionmentesített víz stb., és egyes oldatok fluortartalmú folyadékokat használnak, bár a hűtőközegekkel szemben támasztott fizikai követelmények jelentősen eltérnek a különböző folyadékhűtő oldatokban.

 

A hűtőelosztó egység (CDU) egy általánosan használt berendezés. Egy tipikus CDU architektúra az 1. ábrán látható. Amellett, hogy az elsődleges hűtési folyamatban keringető erőt és hőcserét biztosít a hűtőközeg számára, ez a berendezés a hűtőteljesítmény elosztását is szolgálja (nem csak a hűtőfolyadék áramlását). Ezért általában a következő funkciókat látja el:

 

1) Hőmérséklet és áramlásszabályozás: A hűtőfolyadék hőmérsékletének és áramlásának dinamikus felügyelete az elsődleges hűtési folyamatban hőmérséklet- és áramlásérzékelőkkel. A beépített modellek alapján a CDU dinamikusan állítja be a hűtőfolyadék hőmérsékletét, áramlását vagy betáplálási nyomását, hogy megfelelő hűtési kapacitást biztosítson, miközben elkerüli a kondenzációt az elsődleges hűtőkörben.

2) Biztosítani kell a fizikai elválasztást az elsődleges és a másodlagos hűtőközeg között.

3) A hűtőfolyadék online vagy bypass szűrése.

4) A hálózatkezelés támogatása.

 

▲ 1. ábra: A tipikus hűtőelosztó egység (CDU) felépítése

 

A folyadékhűtéses adatközpont-mérnöki technológia másodlagos hűtési folyamata az elsődleges hűtési folyamat által eltávolított hőt az adatközponton kívülre továbbítja, más néven másodlagos hűtés, külső hűtés, külső keringető hűtés vagy hőleadás. Ebben a folyamatban a másodlagos hűtőközeg lehet levegő, hűtővíz, vízbázisú oldatok (pl. etilénglikol oldatok, glicerines oldatok) vagy hűtőközegek, amelyeket összefoglaló néven másodlagos hűtőközegeknek nevezünk. Ha levegőt használnak másodlagos hűtőközegként, a másodlagos hűtési folyamat hasonló az adatközponton belüli hagyományos hűtési folyamathoz. Ha vízbázisú oldatot használunk, a másodlagos hűtőfolyadék az úgynevezett másodlagos hűtőkörben kering.

 

Az elsődleges és másodlagos hűtőkör közötti hőcsere a CDU-ban történik. A CDU-ban történő hőcsere után a magas hőmérsékletű másodlagos hűtőközeg hűtőforrásba vagy hulladékhő-visszanyerő berendezésbe kerül, átadva a hőt a környezetnek, vagy lehetővé téve annak újrafelhasználását. A másodlagos hűtőfolyadék ezután lehűlés után visszafolyik a hőcserélőbe, egy teljes ciklust teljesítve. A hűtőforrás lehet hűtőtorony, szárazhűtő, hűtő stb. Mivel az elsődleges hűtési folyamat lehetővé teszi, hogy a másodlagos hűtőközeg bemeneti hőmérséklete elérje a 30 fokot vagy magasabbat, a hűtőforrás kizárólag természetes hűtéssel működhet, ami megmagyarázza a folyadékhűtést. technológiával viszonylag ideális Power Usage Effectiveness (PUE) érhető el. A folyadékhűtés műszaki technológiájának tipikus diagramja a 2. ábrán látható.

 

▲ 2. ábra: Folyadékhűtés műszaki rajza

 

Egyes folyadékhűtési technológiák kizárólag az elsődleges hűtési folyamaton alapulnak, ahol a hűtőközeg közvetlenül ad át hőt a környezetnek. Ez azonban a legtöbb esetben magas fizikai tisztasági szabványokat követel meg a hűtőfolyadék tekintetében, ami növeli a költségeket. Ha a csővezetékek túl hosszúak, az befolyásolja a rendszer általános gazdaságosságát. Ezért az elsődleges hűtési kialakítások a legalkalmasabbak a kompakt konfigurációkhoz.

 

 

IV. Beszélgetés a folyadékhűtéses adatközpontok jövőbeli fejlesztési irányairól

 

Összességében a folyadékhűtéses adatközpontok jövőbeli fejlesztése továbbra is bizonytalan.

 

Egyrészt a folyadékhűtés technológia népszerűsítésének hajtóereje továbbra is elsősorban az informatikai berendezések hűtési (hőleadási) igényein fog alapulni. Ez azonban az elektronikus chipek fejlesztésének jövőbeli tendenciáira vonatkozó előrejelzésekre épül, valamint arra a feltételezésre, hogy a folyadékhűtési technológia költséghatékonysága fokozatosan előnyt jelent a léghűtéses technológiával szemben. Mindazonáltal továbbra is fennáll annak a lehetősége, hogy a folyadékhűtés magas költségei olyan alternatív chip-konstrukciókhoz vezethetnek, amelyek csökkentik a hűtési és hőelvezetési követelményeket.

 

Másodszor, a folyadékhűtéses adatközpontok felépítése és használati modellje jelentősen eltér a hagyományos léghűtéses adatközpontoktól. A folyadékhűtéses adatközpontok jellemzője az informatikai berendezések és az infrastruktúra magas fokú összekapcsolása. A műszaki alapelvek és a megbízhatóság-biztosítás szempontjából lényegében nem tudják elérni a hagyományos léghűtéses adatközpontokkal azonos szintű szétválasztást. Ennek eredményeként a különböző műszaki megoldások és berendezések szállítói nagyrészt egymástól függetlenül működnek. Az adatközpont-tulajdonosok valószínűleg mélyen kötődnek egy adott technológiai megoldás-szolgáltatóhoz. A folyadékhűtés technológia adatközpontokban történő alkalmazása a hagyományos léghűtéses adatközpontok eredeti kereskedelmi modelljének, konstrukciós modelljének és ipari modelljének megszakításán alapuló fejlődésnek tekinthető. A hagyományos szekrényes lízingszolgáltatások nagyrészt nem alkalmazhatók a folyadékhűtéses adatközpontokban. Ez jelentős akadályt jelent a folyadékhűtési technológia további népszerűsítésében.

 

Harmadszor, a folyadékhűtéses adatközpontok megbízhatósága továbbra is érvényesítést igényel. Bár a jelenlegi folyadékhűtésű adatközpont-megoldások szolgáltatói olyan megoldásokat javasoltak, mint a fokozott megbízhatósági tesztelés, valamint a hűtőfolyadék szivárgásérzékelő és riasztóberendezéseinek hozzáadása, a szekrényen belüli folyadékhűtő hurok esetleges szivárgásával kapcsolatos aggodalmak, amelyek az IT-berendezések károsodásához vezethetnek, továbbra is széles körben foglalkoztatott téma az iparágban.

 

E bizonytalanságok feloldása nagymértékben függ az alkalmazás mértékétől. Ennek a megoldhatatlannak tűnő problémának a megoldására nem a piac monopolizálása, valamint az upstream és downstream iparágak ellenőrzése, amelyről már számtalanszor bebizonyosodott, hogy megsérti a gazdasági fejlődés törvényeit. A történelem többször is bebizonyította, hogy azok, akik először tudnak létrehozni egy munkamegosztáson és együttműködésen alapuló ipari láncot és ökoszisztémát, nagyobb valószínűséggel lesznek sikeresek a versenyben. Mielőtt megtalálnánk az informatikai berendezéseket az infrastruktúrától függetlenítő műszaki utat, a szabványosítás nem lesz varázslatos megoldás a szétválasztási problémára, és nem lesz hatékony eszköz a versenytársak korlátozására vagy megtámadására. Ha azonban a szabványosítást eszközként használjuk a szétválasztás folyamatos előmozdítására a közös pontok megtalálása és a különbségek megőrzése mellett, a tapasztalatok hatékony megosztása, valamint a gyártási és szolgáltatási folyamatok szétválasztásának elősegítése a specializáció és a finomítás elérése érdekében, csökkentheti az általános alkalmazási költségeket. Az alkalmazásteszteken keresztül történő folyamatos fejlesztés egy pozitív visszacsatolási hurok kialakulásához vezethet, amely kiterjeszti a folyadékhűtés skáláját, és potenciálisan a folyadékhűtés technológia fejlesztésének szükséges útjává válhat.

 

 

V Következtetés

 

Az olyan tényezőktől függően, mint a szerver kompatibilitás, a hűtőfolyadék típusa és a folyadékhűtés üzemi hőmérséklete, a folyadékhűtéses adatközpontok mérnöki technológiái ennek megfelelően változnak. Jelenleg az egyes műszaki útvonalak mérnöki technológiái még fejlesztési és véglegesítési folyamatban vannak, és még nincs iparágilag elismert tökéletes műszaki útvonal. Nincs egyetértés az egyes műszaki útvonalak konkrét alkalmazható részterületeivel kapcsolatban sem. A végső bizonyosság keresése olyan tényezőktől függ, mint a folyadékhűtéses adatközponti mérnöki technológia gazdaságossága, megbízhatósága és karbantarthatósága, valamint a folyamatos gyakorlati alkalmazás révén optimális megoldások megtalálása.