Revolucija poslužitelja potpuno hlađenih tekućinom. Učinkovita rješenja za hlađenje CPU-a, memorije i PCIe

 

U kontekstu kineskog 14. petogodišnjeg plana, koji naglašava razvoj digitalnog gospodarstva, podatkovni centri služe kao temeljna infrastruktura koja podržava digitalnu transformaciju, ali se također suočavaju sa značajnim pritiscima emisije ugljika. S povećanjem potrošnje energije čipova i poslužitelja, gustoća snage po stalku raste, a tradicionalno hlađenje zrakom postupno postaje ograničeno u smislu rasipanja topline i optimizacije energije.

 

▲ Podatkovni centri

 

Hlađenje tekućinom, kao tehnologija hlađenja u nastajanju, koristi tekuću rashladnu tekućinu za odvođenje topline koju stvaraju komponente. U usporedbi sa zračnim hlađenjem, hlađenje tekućinom nudi nekoliko prednosti, uključujući podršku za čipove velike snage, produljeni životni vijek čipa, smanjenu PUE (učinkovitost potrošnje energije) podatkovnih centara, poboljšanu učinkovitost prijenosa topline, minimizirane toplinske točke, podršku za veću gustoću regala, smanjenu buka i poboljšana prilagodljivost okolišu. Stoga će hlađenje tekućinom postati važan dio buduće izgradnje podatkovnih centara, presudno za postizanje ciljeva ekološkog računalstva i ugljične neutralnosti.

 

Čvorovi potpuno tekućinom hlađenih poslužitelja sastoje se od kućišta čvora, matične ploče, CPU čipova, memorijskih modula, memorijskih hladnih ploča, CPU hladnih ploča, IO hladnih ploča, izvora napajanja i izmjenjivača topline napajanja.

 

 

I CPU Cold Plate dizajn

 

Modul hladne ploče procesora dizajniran je na temelju zahtjeva za hladnu ploču skalabilnog procesora Intel 5. generacije platforme Xeon. Uzima u obzir čimbenike kao što su rasipanje topline, strukturna izvedba, iskoristivost, cijena i kompatibilnost s različitim materijalima u dizajnu hladne ploče, što rezultira optimiziranim referentnim dizajnom. CPU hladna ploča prvenstveno se sastoji od aluminijskog nosača, hladne ploče i konektora hladne ploče.

 

▲ CPU Cold Plate

 

 

II Dizajn tekućinskog hlađenja memorije

 

Dizajn tekućinskog hlađenja memorije koristi inovativni "rail tie" tekući hladnjak za hlađenje, nazvan po sličnosti s pragovima na željezničkim tračnicama kada su memorijski utori potpuno zauzeti. Ovaj dizajn kombinira tradicionalno hlađenje zrakom s hlađenjem hladnom pločom. Hladnjak, koji uključuje toplinske cijevi (ili izrađene od čistog aluminija/bakra, VaporChamber, itd.), prenosi toplinu iz memorije na oba kraja, koja zatim dolazi u kontakt s hladnom pločom kroz odabrane toplinske jastučiće, dopuštajući tekućem rashladnom sredstvu u hladnoj ploči odnijeti toplinu.

 

Memorija i rashladni element mogu se sastaviti u jedinicu za minimalno održavanje (koja se naziva memorijski modul) izvan sustava pomoću učvršćenja. Memorijska hladna ploča dizajnirana je tako da osigurava dobar kontakt između hladnjaka i memorijske hladne ploče. Ova se konstrukcija može učvrstiti vijcima ili održavati bez alata po potrebi. Gornji dio ploče za hlađenje memorije hladi memoriju, dok dno može hladiti druge komponente na matičnoj ploči koje stvaraju toplinu, kao što je VR, čime se maksimizira korištenje hladne ploče za memoriju. Kako bi se pojednostavio dizajn hladne ploče, može se uvesti adapterski nosač između memorije i matične ploče kako bi se zadovoljio visinski razmak različitih matičnih ploča.

 

▲ Memory Cold Plate

 

U usporedbi s postojećim rješenjima tekućeg hlađenja temeljenim na cijevima na tržištu, dizajn tekućeg hlađenja "tračnice" ima sljedeće prednosti:

 

Jednostavnost održavanja:Tijekom održavanja memorije, memorijski modul se servisira kao i zračno hlađeni memorijski modul, bez potrebe za uklanjanjem hladnjaka i pričvrsnih elemenata. Ovo uvelike poboljšava učinkovitost i pouzdanost sklapanja, a istovremeno smanjuje potencijalna oštećenja memorijskih čipova i termalnih jastučića tijekom instalacije i uklanjanja.

 

Dobra kompatibilnost: Tna učinak hlađenja ne utječu različite debljine ili razmaci memorijskih čipova. Rješenje podržava minimalni memorijski razmak od 7,5 mm i kompatibilno je prema gore. Razdvojeni dizajn hladnjaka i hladne ploče omogućuje ponovnu upotrebu i standardizaciju memorije hlađene tekućinom.

 

Veća isplativost:Hladnjak se može odabrati na temelju potrošnje energije memorije, a broj hladnjaka može se konfigurirati prema zahtjevima memorije. Za memorijski razmak od 7,5 mm, ovo rješenje može zadovoljiti potrebe za hlađenjem memorijskih modula s potrošnjom energije većom od 30 W.

 

Jednostavan za proizvodnju i sastavljanje:Između memorijskih utora nema cijevi za hlađenje tekućinom, što eliminira potrebu za složenim zavarivanjem cijevi i kontrolom procesa. Hladnjak se može proizvesti tradicionalnim zračnim hlađenjem i standardnim tehnikama proizvodnje hladne ploče procesora. Toplinska izvedba nije osjetljiva na tolerancije između hladnjaka i matične ploče u smjeru okomitom na ravninu memorijskog čipa, što olakšava sastavljanje.

 

Visoka pouzdanost:Dizajn tekućeg hlađenja "tračnice" izbjegava potencijalno oštećenje memorijskih čipova i termalnih jastučića tijekom sastavljanja i ispunjava zahtjeve za višestruko umetanje/uklanjanje. Osim toga, eliminira rizik od problema s kontaktom signala između memorije i utičnica zbog neusklađenosti, uvelike povećavajući pouzdanost sustava.

 

 

III SSD dizajn tekućinskog hlađenja

 

Inovativno rješenje za tekuće hlađenje SSD-a prenosi toplinu iz područja SSD-a kroz hladnjak s ugrađenim toplinskim cijevima. Toplina se zatim odvodi na hladnu ploču izvan područja SSD-a kroz izravni kontakt s termalnim jastučićima.

 

Ovo rješenje za tekuće hlađenje SSD-a uglavnom se sastoji od SSD modula s hladnjakom, SSD hladne ploče, mehanizma za zaključavanje SSD modula i SSD nosača. Mehanizam za zaključavanje na nosaču SSD-a osigurava pravilno prednaprezanje za održavanje pouzdanog dugotrajnog kontakta između SSD modula i hladne ploče. Kako bi se olakšala instalacija u skučenim prostorima, SSD nosač ima dizajn tipa ladice u smjeru dubine poslužitelja.

 

▲ SSD dizajn tekućinskog hlađenja

 

U usporedbi s postojećim pokušajima SSD hlađenja tekućinom, napredak u ovom rješenju uključuje:

• Podržava više od 30 umetanja/uklanjanja bez isključivanja bez isključivanja.
• Nema rizika od oštećenja materijala toplinskog sučelja od smicanja tijekom instalacije SSD-a; mehanizam za zaključavanje osigurava dugotrajnu pouzdanost kontakta.
• Niska složenost proizvodnje, zahtijeva samo tradicionalne postupke hlađenja zrakom i CPU hladne ploče.
• Nema vodenih putova između SSD-ova, što omogućuje da više SSD-ova dijeli jednu hladnu ploču, smanjujući broj priključaka i smanjujući rizik od curenja.
• Fleksibilna prilagodba različitim debljinama SSD-a i konfiguracijama sustava.

 

 

IV NPCIe/OCP dizajn kartice s tekućim hlađenjem

 

1. PCIe tekućinsko hlađenje

Rješenje tekućeg hlađenja PCIe kartice temelji se na postojećoj zrakom hlađenoj PCIe kartici. Hlađenje optičkog modula i glavnih čipova na PCIe kartici postiže se razvojem rashladnog modula koji dolazi u kontakt s hladnom pločom sustava. Toplina iz optičkog modula prenosi se putem toplinskih cijevi do glavnog modula hladnjaka na PCIe kartici, koji zatim raspršuje toplinu kroz kontakt s IO hladnom pločom koristeći odgovarajuće materijale toplinskog sučelja.

 

Tekućinom hlađena PCIe kartica prvenstveno se sastoji od QSFP stezaljke hladnjaka, modula hladnjaka PCIe čipa i PCIe kartice. QSFP stezaljka mora imati dovoljnu elastičnost kako bi osigurala ispravan plutajući kontakt tijekom instalacije, sprječavajući oštećenje optičkog modula dok istovremeno osigurava dobar kontakt za optimalne performanse hlađenja.

 

▲ PCIe tekuće hlađenje

 

2. OCP 3.0 Otopina za hlađenje tekućinom

OCP 3.{1}} rješenje za tekuće hlađenje kartice slično je PCIe kartici. Prilagođava hladnjak za tekuće hlađenje za OCP 3.0 karticu, prenoseći toplinu s glavnih čipova kartice na hladnjak za tekuće hlađenje. Toplina se zatim uklanja kroz kontakt između hladnjaka i IO hladne ploče sustava.

 

Modul tekućeg hlađenja OCP 3.{1}} uglavnom se sastoji od modula hladnjaka, kartice OCP 3.0 i njezinog nosača. Zbog ograničenja prostora, mehanizam za zaključavanje koristi opružne vijke kako bi osigurao dugotrajnu pouzdanost kontakta između modula hladnjaka i IO hladne ploče.

 

▲ OCP 3.0 Hlađenje tekućinom

 

S obzirom na potrebu za jednostavnim održavanjem i višestrukim umetanjima/uklanjanjima OCP 3.0 kartice s mogućnošću zamjene bez isključivanja, mehanizam za zaključavanje i materijali toplinskog sučelja optimizirani su za poboljšanje ukupne pouzdanosti i pogodnosti održavanja.

 

 3. IO otopina hladne ploče 

IO hladna ploča je višenamjenska hladna ploča, koja hladi ne samo komponente koje stvaraju toplinu u IO području matične ploče, već i tekućinom hlađene PCIe i OCP 3.0 kartice.

 

▲ IO hladna ploča

 

IO hladna ploča prvenstveno se sastoji od tijela od aluminijske legure i bakrenih cijevi za protok rashladnog sredstva i poboljšanu disipaciju topline. Dizajn mora biti optimiziran prema izgledu matične ploče i zahtjevima za rasipanje topline. Tekućinom hlađeni PCIe i OCP 3.0 moduli kartice dolaze u kontakt s IO hladnom pločom duž određenih putanja. Materijali rashladnog sredstva moraju biti kompatibilni s rashladnim sredstvom cjevovoda sustava i sredstvima za vlaženje.

 

▲ IO hladna ploča

 

Ovo rješenje tekućeg hlađenja za IO hladnu ploču zadovoljava višedimenzionalne potrebe sklapanja nekoliko komponenti, koristeći kombinaciju bakrenih i aluminijskih materijala za rješavanje problema kompatibilnosti. Osigurava učinkovito odvođenje topline, smanjuje težinu hladne ploče za 60% i smanjuje troškove.

 

 

V Napajanje Cold Plate Design

 

Rješenje za tekuće hlađenje napajanja integrira vanjski izmjenjivač topline zrak-tekućina s postojećim napajanjem hlađenim zrakom (PSU), hladeći zrak koji izbacuje ventilator PSU-a i smanjujući učinak predgrijavanja na okolinu vanjskog podatkovnog centra.

 

Stražnji izmjenjivač topline PSU ima višeslojnu strukturu s preklapajućim kanalima protoka i rebrima. Dimenzije izmjenjivača topline optimizirane su za prostorne i funkcionalne potrebe bez utjecaja na priključke PSU kabela. Izmjenjivač topline je neovisno montiran na kućište čvora.

 

▲ Hlađenje tekućinom napajanja

 

Ovo inovativno rješenje za hlađenje tekućinom za napajanje eliminira potrebu za razvojem novih napojnih jedinica hlađenih tekućinom, skraćujući vrijeme razvoja i smanjujući troškove. Njegova visoka prilagodljivost omogućuje fleksibilnu primjenu na različite dizajne PSU-a, čime se štedi više od 60% u usporedbi s prilagođenim PSU-ima hlađenim tekućinom.

 

Za aplikacije u cijelom stalku, može se koristiti centralizirani izmjenjivač topline zrak-tekućina umjesto distribuiranih stražnjih izmjenjivača topline za svaki PSU. Ova centralizirana struktura zamjenjuje pojedinačne PSU izmjenjivače topline, osiguravajući hlađenje kroz sustav koji se integrira s putevima protoka zraka u stalu, osiguravajući da nema utjecaja na okruženje poslužiteljske sobe.

 

Jedan centralizirani izmjenjivač topline može podnijeti 8 kW rashladnog kapaciteta, podržavajući najmanje 150PSU-ovi. Glavne komponente centraliziranog izmjenjivača topline zrak-tekućina uključuju jezgru izmjenjivača topline, ulazne i izlazne otvore za vodu, bakrene cijevi za hlađenje, aluminijsko kućište i rebra za vođenje protoka. Ova postavka omogućuje učinkovito i skalabilno hlađenje PSU-a u podatkovnim centrima visoke gustoće.

 

 

Zaključak

 

▲ Poslužitelj potpuno hlađen tekućinom

 

Tehnologija tekućeg hlađenja, kao što je prikazano ovim optimiziranim dizajnom, ključna je za upravljanje sve većom toplinskom snagom modernih podatkovnih centara, dok istodobno pokreću ciljeve učinkovitosti i održivosti. S inovacijama u rješenjima s hladnim pločama za procesore, memoriju, SSD-ove, PCIe/OCP kartice i napajanja, ovi tekućinom hlađeni poslužitelji utiru put prema budućnosti zelenijih podatkovnih centara s boljim performansama.