Razvoj i rasprava o tehnologiji inženjeringa podatkovnih centara za hlađenje tekućinom

 

Budući da je specifični toplinski kapacitet tekućine po jedinici volumena oko 1,000 puta veći od zraka, hlađenje tekućinom (disipacija topline) ima daleko veći kapacitet hlađenja od konvencionalnog hlađenja zrakom. To je učinkovito rješenje za raspršivanje topline koju stvaraju ultra-visoke gustoće toplinskog toka. Godine 1964., kako bi riješio problem pregrijavanja i zastoja velikih mainframe računala, IBM je razvio prvo rashlađeno vodom hlađeno računalo na svijetu, System360, pionirsko tekućinsko hlađeno računalo. Nedavno je, potaknuta nacionalnom i lokalnom politikom upravljanja energetskom učinkovitošću, tehnologija tekućeg hlađenja ponovno privukla široku pozornost u industriji podatkovnih centara, što je dovelo do razvoja niza tekućinsko hlađenih inženjerskih tehnologija podatkovnih centara.

 

 

I Metode implementacije hlađenja tekućinom

 

U širem smislu, hlađenje tekućinom odnosi se na sve tehnologije povezane s hlađenjem tekućinom. Industrija je upoznata s metodama kao što je ugradnja zavojnica hladne vode na stražnje ploče regala, koje se smatraju hlađenjem tekućinom, potpadajući pod široki koncept hlađenja tekućinom. Kineski institut za elektroniku (CIE), tijekom razvoja niza standarda dizajna podatkovnih centara hlađenih tekućinom, razjasnio je koncept hlađenja tekućinom kroz industrijske rasprave. Prema njihovoj definiciji, hlađenje tekućinom posebno se odnosi na izravno uklanjanje topline koju generiraju elektronički čipovi pomoću tekućina, tako da se uska definicija hlađenja tekućinom odnosi samo na proces hlađenja unutar poslužitelja.

 

Iz perspektive uske definicije tekućinskog hlađenja, ono se može klasificirati u dvije glavne kategorije: izravan kontakt rashladne tekućine s elektroničkim čipom ili neizravni kontakt preko čvrstog materijala visoke toplinske vodljivosti. Zatim se mogu dalje podijeliti na temelju oblika kontakta, vrste rashladne tekućine i toga je li rashladna tekućina podvrgnuta faznoj promjeni. Općenito se smatra da metode hlađenja tekućinom spadaju u osam kategorija (vidi tablicu 1).

 

▲ Tablica 1: Klasifikacija implementacije hlađenja tekućinom

 

 

II Potražnja za hlađenjem tekućinom u scenarijima podatkovnih centara

 

Poput konvencionalnih sustava hlađenja zrakom koji se obično koriste u podatkovnim centrima, uloga hlađenja tekućinom je uklanjanje topline koju stvara IT oprema kao što su poslužitelji i druga oprema za objekte (npr. UPS baterije) kako bi se održalo relativno stabilno okruženje s odgovarajućom temperaturom i vlagom. u podatkovnom centru.

 

Prvo, potrebe za disipacijom topline glavna su pokretačka snaga razvoja tehnologije hlađenja tekućinom. Kako potražnja za mogućnostima obrade podataka brzo raste, integracija elektroničkih čipova vjerojatno će eksponencijalno rasti u budućnosti. To će dovesti do povećanja gustoće snage i gustoće toplinskog toka. Potreba za bržim brzinama prijenosa podataka i poboljšanom korisničkom pogodnošću potaknut će veću integraciju opreme, što će zauzvrat dovesti do većih zahtjeva za rasipanjem topline za IT opremu kao što su poslužitelji. To će također povećati ekološke zahtjeve za rad. Kao rezultat toga, hlađenje zrakom će zahtijevati veće brzine, ventilatore većeg promjera i veće kanale za raspršivanje topline, što će rezultirati znatnom bukom, većim utjecajem na toplinu na okoliš i povećanim troškovima izgradnje i rada. Hlađenje tekućinom nudi bolji omjer cijene i učinka.

 

Drugo, politike upravljanja energetskom učinkovitošću potiču usvajanje tehnologije hlađenja tekućinom. Još jedan važan razlog zbog kojeg se industrija podatkovnih centara fokusira na tekuće hlađenje jesu nacionalne i lokalne politike upravljanja energetskom učinkovitošću. Nacionalni i lokalni zahtjevi za učinkovitost potrošnje energije podatkovnog centra (PUE) postaju stroži, čime je hlađenje tekućinom u središtu pozornosti industrije podatkovnih centara. Najnoviji nacionalni standard, granične vrijednosti energetske učinkovitosti podatkovnog centra i stupnjevi energetske učinkovitosti (GB 40879-2021), zahtijeva da potrošnja energije bude ispod 1,3, što je teško postići korištenjem samo hlađenja zrakom u većini dijelova zemlje, što zahtijeva korištenje tehnologije hlađenja tekućinom.

 

Treće, pogodnost povrata otpadne topline može potaknuti usvajanje hlađenja tekućinom u podatkovnim centrima. Podatkovni centri izgrađeni pomoću rješenja za tekuće hlađenje imaju relativno kvalitetniju otpadnu toplinu i lakše se oporabe. Projekti povrata otpadne topline u podatkovnim centrima hlađenim tekućinom učinkovit su način postizanja sveobuhvatnog iskorištenja energije i poboljšanja energetske učinkovitosti. Neki su znanstvenici već predložili ideju o izgradnji velikih podatkovnih centara kao izvora topline za gradove ili industrijske parkove.

 

 

III Razvoj tehnologije inženjeringa podatkovnih centara hlađenih tekućinom

 

Proces uklanjanja topline koju generiraju elektronički čipovi kroz tekuće hlađenje samo je početak procesa hlađenja u podatkovnom centru. Neprekidno stvaranje topline iz elektroničkih čipova zahtijeva trajan, stabilan i pouzdan rad tehnologije inženjeringa podatkovnog centra za hlađenje tekućinom za održavanje hlađenja čipa.

 

Načela i praksa hlađenja tekućinom razlikuju se od hlađenja zrakom. Konkretno, koncepti rasipanja topline i hlađenja pokazuju suptilne razlike: počevši od temperature iznad sobne ili ispod sobne temperature. Kako bi se bolje organizirao tehnološki okvir inženjeringa podatkovnog centra hlađenog tekućinom, elektronički se čipovi smatraju izvorom, s ciljem prijenosa topline koju generiraju čipovi izvan podatkovnog centra, osiguravajući stabilan rad IT opreme. Stoga se tehnologija inženjeringa podatkovnog centra hlađena tekućinom dijeli na primarne i sekundarne procese hlađenja. Ovaj koncept razlikuje se od primarne i sekundarne strane konvencionalnog zračnog hlađenja podatkovnog centra.

 

Primarni proces hlađenja tekućinom hlađene inženjerske tehnologije podatkovnog centra hladi komponente visoke gustoće toplinskog toka elektroničke IT opreme i prenosi generiranu toplinu izvan okvira. Također se naziva primarno hlađenje (odvođenje topline), početno hlađenje, unutarnje hlađenje ili unutarnje cirkulacijsko hlađenje. Primarni proces hlađenja je isključivo proces hlađenja tekućinom i obično uključuje zatvorenu petlju opreme ili komponenti za hlađenje tekućinom na kraju čipa, jedinicu za distribuciju hlađenja (CDU), dozatore rashladne tekućine i cjevovode. Jedinica za distribuciju hlađenja (CDU) sadrži pumpe i izmjenjivače topline, koji osiguravaju cirkulacijsku silu za rashladnu tekućinu. Tipičan proces primarnog hlađenja uključuje cirkulaciju određene temperature i protoka rashladnog sredstva od CDU do opreme za tekuće hlađenje ili komponenti na kraju čipa. Rashladno sredstvo izmjenjuje toplinu s čipovima izravnim ili neizravnim kontaktom putem materijala visoke toplinske vodljivosti poput metala. Zagrijana visokotemperaturna rashladna tekućina ili para rashladne tekućine zatim teče natrag u CDU preko cjevovoda, gdje izmjenjuje toplinu sa sekundarnom rashladnom tekućinom. Nakon hlađenja, rashladno sredstvo niske temperature vraća se natrag u opremu za tekuće hlađenje ili komponente na kraju čipa pomoću CDU-a, dovršavajući puni ciklus. Uobičajena rashladna sredstva koja se koriste u procesu primarnog hlađenja uključuju otopine etilen glikola, otopine propilen glikola, deioniziranu vodu itd., a neka rješenja koriste fluorirane tekućine, iako se fizički zahtjevi za rashladna sredstva značajno razlikuju među različitim tekućim rashladnim rješenjima.

 

Jedinica za distribuciju hlađenja (CDU) često je korišten dio opreme. Tipična CDU arhitektura prikazana je na slici 1. Osim što osigurava cirkulacijsku silu i izmjenu topline za rashladnu tekućinu u primarnom procesu hlađenja, ova oprema također služi ulozi distribucije snage hlađenja (ne samo protoka rashladne tekućine). Stoga obično ima sljedeće funkcije:

 

1) Kontrola temperature i protoka: Dinamičko praćenje temperature rashladne tekućine i protoka u primarnom procesu hlađenja putem senzora temperature i protoka. Na temelju ugrađenih modela, CDU dinamički prilagođava temperaturu rashladne tekućine, protok ili dovodni tlak kako bi osigurao adekvatan kapacitet hlađenja dok izbjegava kondenzaciju u primarnoj rashladnoj petlji.

2) Osiguravanje fizičkog odvajanja između primarnog i sekundarnog rashladnog sredstva.

3) Online ili premosna filtracija rashladne tekućine.

4) Podrška upravljanju mrežom.

 

▲ Slika 1: Tipična arhitektura jedinice za distribuciju hlađenja (CDU).

 

Proces sekundarnog hlađenja tehnologije inženjeringa podatkovnog centra hlađenog tekućinom prenosi toplinu uklonjenu primarnim procesom hlađenja izvan podatkovnog centra, također poznat kao sekundarno hlađenje, vanjsko hlađenje, vanjsko cirkulacijsko hlađenje ili odvođenje topline. Sekundarno rashladno sredstvo u ovom procesu može biti zrak, rashladna voda, otopine na bazi vode (npr. otopine etilen glikola, otopine glicerina) ili rashladna sredstva, koja se zajednički nazivaju sekundarna rashladna sredstva. Ako se kao sekundarno rashladno sredstvo koristi zrak, sekundarni proces hlađenja sličan je konvencionalnom procesu hlađenja unutar podatkovnog centra. Ako se koristi otopina na bazi vode, sekundarna rashladna tekućina cirkulira u onome što se naziva sekundarna rashladna petlja.

 

Izmjena topline između primarne i sekundarne rashladne petlje događa se u CDU. Nakon izmjene topline u CDU-u, visokotemperaturno sekundarno rashladno sredstvo ulazi u izvor hlađenja ili opremu za povrat otpadne topline, prenoseći toplinu u okoliš ili omogućujući njezinu ponovnu upotrebu. Sekundarna rashladna tekućina zatim teče natrag u izmjenjivač topline nakon hlađenja, dovršavajući puni ciklus. Izvor hlađenja može biti rashladni toranj, suhi hladnjak, hladnjak itd. Budući da proces primarnog hlađenja omogućuje da ulazna temperatura sekundarne rashladne tekućine dosegne 30 stupnjeva ili više, izvor hlađenja može raditi isključivo na prirodnom hlađenju, što objašnjava zašto hlađenje tekućinom tehnologija može postići relativno idealnu učinkovitost korištenja energije (PUE). Tipični dijagram inženjerske tehnologije tekućeg hlađenja prikazan je na slici 2.

 

▲ Slika 2: Inženjerski tehnološki dijagram hlađenja tekućinom

 

Neke tehnologije tekućeg hlađenja koriste dizajn koji se temelji isključivo na primarnom procesu hlađenja, gdje rashladno sredstvo izravno prenosi toplinu u okolinu. Međutim, u većini slučajeva to zahtijeva visoke standarde fizičke čistoće rashladnog sredstva, što povećava troškove. Ako su cjevovodi predugi, to utječe na ukupnu ekonomičnost sustava. Stoga su dizajni primarnog hlađenja najprikladniji za kompaktne konfiguracije.

 

 

IV Rasprava o budućim trendovima razvoja podatkovnih centara hlađenih tekućinom

 

Sve u svemu, budući razvoj podatkovnih centara hlađenih tekućinom još uvijek nosi neizvjesnost.

 

Prvo, pokretačka snaga za promicanje tehnologije tekućeg hlađenja i dalje će se prvenstveno temeljiti na zahtjevima IT opreme za hlađenjem (odvodom topline). Međutim, ovo se temelji na predviđanjima budućih trendova u razvoju elektroničkih čipova, kao i na pretpostavci da će isplativost tehnologije tekućeg hlađenja postupno uspostaviti prednost u odnosu na tehnologiju zračnog hlađenja. Unatoč tome, ostaje mogućnost da bi visoki troškovi tekućeg hlađenja mogli dovesti do alternativnih dizajna čipova koji smanjuju zahtjeve za hlađenjem i rasipanjem topline.

 

Drugo, konstrukcija i model korištenja podatkovnih centara hlađenih tekućinom značajno se razlikuju od konvencionalnih podatkovnih centara hlađenih zrakom. Karakteristika podatkovnih centara hlađenih tekućinom je visok stupanj sprege između IT opreme i infrastrukture. U smislu tehničkih principa i osiguranja pouzdanosti, oni u biti ne mogu postići istu razinu odvajanja kao konvencionalni podatkovni centri hlađeni zrakom. Kao rezultat toga, razna tehnička rješenja i dobavljači opreme djeluju uglavnom neovisno jedni o drugima. Vlasnici podatkovnih centara vjerojatno će postati duboko vezani za određenog pružatelja tehnoloških rješenja. Primjena tehnologije tekućeg hlađenja u podatkovnim centrima može se promatrati kao razvoj koji se temelji na poremećaju izvornog komercijalnog modela, modela izgradnje i industrijskog modela konvencionalnih podatkovnih centara hlađenih zrakom. Tradicionalne usluge zakupa ormara uglavnom su neprimjenjive na podatkovne centre hlađene tekućinom. To predstavlja značajnu prepreku daljnjem promicanju tehnologije hlađenja tekućinom.

 

Treće, pouzdanost podatkovnih centara hlađenih tekućinom i dalje zahtijeva provjeru valjanosti. Iako su trenutni pružatelji rješenja za podatkovne centre hlađene tekućinom predložili rješenja kao što su poboljšano testiranje pouzdanosti i dodavanje uređaja za otkrivanje curenja i alarmnih uređaja za rashladnu tekućinu, zabrinutost zbog potencijalnih curenja u petlji za hlađenje tekućinom unutar kućišta, što dovodi do oštećenja IT opreme, ostaju tema koja izaziva veliku zabrinutost u industriji.

 

Rješavanje ovih nesigurnosti duboko ovisi o opsegu primjene. Za rješenje ovog naizgled nerješivog problema nije rješenje monopoliziranje tržišta i kontroliranje uzvodnih i nizvodnih industrija, za koje je nebrojeno puta dokazano da krše zakone ekonomskog razvoja. Povijest je opetovano pokazala da oni koji prvi mogu uspostaviti industrijski lanac i ekosustav temeljen na podjeli rada i suradnji imaju veću vjerojatnost da će uspjeti u konkurenciji. Prije pronalaska tehničkog puta koji odvaja IT opremu od infrastrukture, standardizacija neće biti čarobno rješenje za problem odvajanja, niti će biti učinkovito sredstvo za ograničavanje ili napad na konkurente. Međutim, korištenje standardizacije kao alata za postojano unaprjeđenje odvajanja temeljeno na pronalaženju zajedničkog jezika uz očuvanje razlika, učinkovitu razmjenu iskustava i promicanje odvajanja proizvodnih i uslužnih procesa radi postizanja specijalizacije i usavršavanja, može pomoći u smanjenju ukupnih troškova primjene. Kontinuirano poboljšanje putem testiranja aplikacija može dovesti do stvaranja petlje pozitivne povratne sprege koja proširuje ljestvicu hlađenja tekućinom, potencijalno postajući neophodan put za razvoj tehnologije hlađenja tekućinom.

 

 

V Zaključak

 

Ovisno o čimbenicima kao što su kompatibilnost poslužitelja, vrsta rashladnog sredstva i radna temperatura tekućeg hlađenja, inženjerske tehnologije za podatkovne centre hlađene tekućinom razlikuju se u skladu s tim. Trenutačno su inženjerske tehnologije pod svakom tehničkom rutom još uvijek u procesu razvoja i finalizacije, a još uvijek ne postoji savršena tehnička ruta priznata u industriji. Također ne postoji konsenzus o specifičnim primjenjivim potpoljima svake tehničke rute. Traženje krajnje sigurnosti ovisit će o čimbenicima kao što su ekonomičnost, pouzdanost i mogućnost održavanja tehnologije inženjeringa podatkovnih centara hlađenih tekućinom, kao i o pronalaženju optimalnih rješenja kontinuiranom praktičnom primjenom.