Развој и дискусија о технологији инжењеринга центара података са течним хлађењем

 

Пошто је специфични топлотни капацитет течности по јединици запремине око 1,000 пута већи од ваздуха, течно хлађење (одвођење топлоте) има далеко већи капацитет хлађења од конвенционалног ваздушног хлађења. То је ефикасно решење за одвођење топлоте коју стварају ултра-високе густине топлотног флукса. Године 1964., да би се позабавио проблемима прегревања и застоја великих великих рачунара, ИБМ је развио први рачунар на свету са хлађењем водом, Систем360, пионирски рачунари са течним хлађењем. Недавно, вођена националним и локалним политикама управљања енергетском ефикасношћу, технологија течног хлађења је поново привукла широку пажњу у индустрији дата центара, што је довело до развоја серије технологија за инжењеринг центара података са течним хлађењем.

 

 

И Методе имплементације течног хлађења

 

У ширем смислу, течно хлађење се односи на све технологије везане за течно хлађење. Индустрија је упозната са методама као што је уградња калемова хладне воде на задње плоче рекова, који се сматрају течним хлађењем, што потпада под широк концепт течног хлађења. Кинески институт за електронику (ЦИЕ), током развоја серије стандарда за дизајн центара података са течним хлађењем, разјаснио је концепт течног хлађења кроз индустријске дискусије. Према њиховој дефиницији, течно хлађење се посебно односи на директно уклањање топлоте коју стварају електронски чипови користећи течности, тако да се уска дефиниција течног хлађења односи само на процес хлађења унутар сервера.

 

Из перспективе уске дефиниције течног хлађења, може се класификовати у две главне категорије: директан контакт расхладне течности са електронским чипом или индиректни контакт преко чврстог материјала високе топлотне проводљивости. Они се затим могу даље поделити на основу облика контакта, типа расхладне течности и да ли је расхладна течност подвргнута промени фазе. Обично се сматра да методе хлађења течности спадају у осам категорија (видети табелу 1).

 

▲ Табела 1: Класификација имплементације течног хлађења

 

 

ИИ Потреба за течним хлађењем у сценаријима центара података

 

Као и конвенционални системи са ваздушним хлађењем који се обично користе у центрима података, улога течног хлађења је да уклони топлоту коју генерише ИТ опрема као што су сервери и друга опрема за објекте (нпр. УПС батерије) како би се одржало релативно стабилно окружење са одговарајућом температуром и влажношћу у дата центру.

 

Прво, потребе за расипањем топлоте су кључна покретачка снага развоја технологије хлађења течностима. Како потражња за могућностима обраде података брзо расте, интеграција електронских чипова ће вероватно наставити да расте експоненцијално у будућности. То ће довести до повећања густине снаге и густине топлотног флукса. Потреба за већим брзинама преноса података и побољшаном практичношћу за корисника ће подстаћи већу интеграцију опреме, што ће заузврат довести до већих захтева за расипање топлоте за ИТ опрему као што су сервери. Ово ће такође повећати еколошке захтеве за рад. Као резултат тога, ваздушно хлађење ће захтевати вентилаторе веће брзине, већег пречника и веће канале за дисипацију топлоте, што резултира значајном буком, већим утицајем топлоте на околину и повећаним трошковима изградње и рада. Течно хлађење нуди бољи однос трошкова и перформанси.

 

Друго, политике управљања енергетском ефикасношћу подстичу усвајање технологије течног хлађења. Још један важан разлог зашто се индустрија центара података фокусира на течно хлађење је због националних и локалних политика управљања енергетском ефикасношћу. Национални и локални захтеви за ефикасност коришћења енергије (ПУЕ) центара података постају све строжији, стављајући течно хлађење у центар пажње индустрије дата центара. Најновији национални стандард, граничне вредности енергетске ефикасности и степен енергетске ефикасности у центру података (ГБ 40879-2021), захтева да потрошња енергије буде испод 1,3, што је тешко постићи коришћењем само ваздушног хлађења у већини делова земље, што захтева коришћење технологије течног хлађења.

 

Треће, погодност поврата отпадне топлоте може довести до усвајања течног хлађења у центрима података. Дата центри изграђени коришћењем решења за течно хлађење имају релативно квалитетнију отпадну топлоту и лакше их је повратити. Пројекти поврата отпадне топлоте у центрима података са течним хлађењем су ефикасан начин да се постигне свеобухватно коришћење енергије и побољша енергетска ефикасност. Неки научници су већ предложили идеју о изградњи великих центара података као извора топлоте за градове или индустријске паркове.

 

 

ИИИ Развој технологије инжењеринга центара података са течним хлађењем

 

Процес уклањања топлоте коју стварају електронски чипови кроз течно хлађење је само почетак процеса хлађења у дата центру. Континуирано генерисање топлоте из електронских чипова захтева одржив, стабилан и поуздан рад технологије инжењерске технологије центара података за течно хлађење како би се одржало хлађење чипа.

 

Принципи и пракса течног хлађења се разликују од ваздушног. Конкретно, концепти одвођења топлоте и хлађења показују суптилне разлике: почевши од изнад собне температуре или испод собне температуре. Да би се боље организовао течно хлађени технолошки оквир за дата центар, електронски чипови се посматрају као извор, са циљем да пренесу топлоту коју генеришу чипови ван центра података, обезбеђујући стабилан рад ИТ опреме. Дакле, технологија инжењеринга центара података са течним хлађењем је подељена на примарне и секундарне процесе хлађења. Овај концепт се разликује од примарне и секундарне стране конвенционалног ваздушног хлађења центара података.

 

Примарни процес хлађења технологије инжењеринга дата центара са течним хлађењем хлади компоненте електронске ИТ опреме високе густине топлотног флукса и преноси произведену топлоту ван рек-а. Такође се назива примарно хлађење (одвођење топлоте), почетно хлађење, унутрашње хлађење или унутрашње циркулацијско хлађење. Примарни процес хлађења је стриктно процес течног хлађења и обично укључује затворену петљу опреме за течно хлађење или компоненти на крају чипа, јединицу за дистрибуцију хлађења (ЦДУ), дозаторе расхладне течности и цевоводе. Расхладна дистрибутивна јединица (ЦДУ) садржи пумпе и измењиваче топлоте, обезбеђујући циркулацијску силу за расхладну течност. Типичан процес примарног хлађења укључује циркулацију одређене температуре и протока расхладне течности од ЦДУ до опреме или компоненти за хлађење течности на крају чипа. Расхладна течност размењује топлоту са струготинама путем директног или индиректног контакта преко материјала високе топлотне проводљивости као што су метали. Загрејана расхладна течност високе температуре или пара расхладне течности затим тече назад у ЦДУ преко цевовода, где размењује топлоту са секундарним расхладним средством. Након хлађења, нискотемпературна расхладна течност се враћа назад у опрему за хлађење течности или компоненте на крају чипа помоћу ЦДУ-а, завршавајући пуни циклус. Уобичајена расхладна средства која се користе у процесу примарног хлађења укључују растворе етилен гликола, растворе пропилен гликола, дејонизовану воду итд., а нека решења користе флуороване течности, иако физички захтеви за расхладним течностима значајно варирају у зависности од различитих раствора за хлађење течности.

 

Јединица за дистрибуцију хлађења (ЦДУ) је уобичајена опрема. Типична ЦДУ архитектура је приказана на слици 1. Поред обезбеђивања силе циркулације и размене топлоте за расхладну течност у процесу примарног хлађења, ова опрема такође има улогу дистрибуције снаге хлађења (не само протока расхладне течности). Стога, обично има следеће функције:

 

1) Контрола температуре и протока: Динамичко праћење температуре расхладне течности и протока у процесу примарног хлађења преко сензора температуре и протока. На основу уграђених модела, ЦДУ динамички прилагођава температуру расхладне течности, проток или доводни притисак како би обезбедио адекватан капацитет хлађења, избегавајући кондензацију у примарној расхладној петљи.

2) Обезбеђивање физичког раздвајања између примарне и секундарне расхладне течности.

3) Онлине или бајпас филтрација расхладне течности.

4) Подршка за управљање мрежом.

 

▲ Слика 1: Типична архитектура дистрибутивне јединице за хлађење (ЦДУ).

 

Секундарни процес хлађења технологије инжењеринга дата центара са течним хлађењем преноси топлоту уклоњену примарним процесом хлађења ван дата центра, такође познат као секундарно хлађење, екстерно хлађење, екстерно циркулационо хлађење или дисипација топлоте. Секундарна расхладна течност у овом процесу може бити ваздух, расхладна вода, раствори на бази воде (нпр. раствори етилен гликола, раствори глицерина) или расхладни флуиди, који се заједнички називају секундарним расхладним течностима. Ако се као секундарно расхладно средство користи ваздух, процес секундарног хлађења је сличан конвенционалном процесу хлађења унутар центра података. Ако се користи раствор на бази воде, секундарна расхладна течност циркулише у такозваној секундарној расхладној петљи.

 

Размена топлоте између примарне и секундарне расхладне петље се дешава у ЦДУ. Након размене топлоте у ЦДУ, високотемпературна секундарна расхладна течност улази у извор хлађења или опрему за рекуперацију отпадне топлоте, преносећи топлоту у околину или омогућавајући њено поновно коришћење. Секундарна расхладна течност затим тече назад у измењивач топлоте након хлађења, завршавајући пуни циклус. Извор за хлађење може бити расхладни торањ, суви хладњак, чилер, итд. Пошто процес примарног хлађења омогућава да температура на улазу секундарног расхладног средства достигне 30 степени или више, извор хлађења може да ради искључиво на природном хлађењу, што објашњава зашто течно хлађење технологија може постићи релативно идеалну ефикасност употребе енергије (ПУЕ). Типичан дијаграм инжењерске технологије течног хлађења приказан је на слици 2.

 

▲ Слика 2: Дијаграм технологије технологије хлађења течним хлађењем

 

Неке технологије течног хлађења користе дизајн заснован искључиво на процесу примарног хлађења, где расхладна течност директно преноси топлоту у околину. Међутим, у већини случајева, ово захтева високе стандарде физичке чистоће расхладне течности, што повећава трошкове. Ако су цевоводи предугачки, то утиче на укупну економију система. Због тога су дизајни примарног хлађења најпогоднији за компактне конфигурације.

 

 

ИВ Дискусија о будућим трендовима развоја центара података хлађених течношћу

 

Све у свему, будући развој центара података са течним хлађењем и даље носи неизвесност.

 

Прво, покретачка снага за промоцију технологије течног хлађења ће и даље првенствено бити заснована на захтевима за хлађењем (одвођење топлоте) ИТ опреме. Међутим, ово је изграђено на предвиђањима будућих трендова у развоју електронских чипова, као и на претпоставци да ће исплативост технологије течног хлађења постепено успоставити предност у односу на технологију ваздушног хлађења. Без обзира на то, остаје могућност да високи трошкови течног хлађења могу довести до алтернативних дизајна чипова који смањују захтеве за хлађењем и расипањем топлоте.

 

Друго, конструкција и модел коришћења дата центара са течним хлађењем значајно се разликују од конвенционалних ваздушно хлађених дата центара. Карактеристика центара података са течним хлађењем је висок степен повезаности ИТ опреме и инфраструктуре. У погледу техничких принципа и осигурања поузданости, они у суштини не могу постићи исти ниво раздвајања као конвенционални центри података са ваздушним хлађењем. Као резултат тога, различита техничка решења и продавци опреме раде у великој мери независно један од другог. Власници центара података ће вероватно постати дубоко везани за одређеног добављача технолошких решења. Примена технологије течног хлађења у центрима података може се посматрати као развој на основу нарушавања оригиналног комерцијалног модела, модела конструкције и индустријског модела конвенционалних ваздушно хлађених дата центара. Традиционалне услуге закупа кабинета су углавном неприменљиве на центре података хлађене течношћу. Ово представља значајну препреку даљем унапређењу технологије течног хлађења.

 

Треће, поузданост центара података са течним хлађењем и даље захтева валидацију. Иако су тренутни добављачи решења за дата центар са течним хлађењем предложили решења као што су побољшано тестирање поузданости и додатак уређаја за детекцију цурења и аларма за расхладну течност, забринутост због потенцијалног цурења у течном расхладној петљи унутар кабинета, што доводи до оштећења ИТ опреме, остају тема широко распрострањене забринутости у индустрији.

 

Решавање ових неизвесности дубоко зависи од обима примене. За решавање овог наизглед нерешивог проблема, монополизација тржишта и контрола упстреам и довнстреам индустрије, за коју је небројено пута доказано да крши законе економског развоја, није решење. Историја је више пута показала да је већа вероватноћа да ће успети у конкуренцији они који прво могу да успоставе индустријски ланац и екосистем заснован на подели рада и сарадњи. Пре него што се пронађе технички пут који раздваја ИТ опрему од инфраструктуре, стандардизација неће бити магично решење за проблем раздвајања, нити ће бити ефикасно средство за ограничавање или напад на конкуренцију. Међутим, коришћење стандардизације као алата за стално унапређење раздвајања заснованог на проналажењу заједничких основа уз очување разлика, ефективну размену искустава и промовисање раздвајања производних и услужних процеса ради постизања специјализације и префињености, може помоћи у смањењу укупних трошкова примене. Континуирано побољшање кроз тестирање апликација може довести до формирања петље позитивне повратне спреге која проширује скалу течног хлађења, потенцијално постајући неопходан пут за развој технологије хлађења течностима.

 

 

В Закључак

 

У зависности од фактора као што су компатибилност сервера, тип расхладне течности и радна температура течног хлађења, инжењерске технологије за центре података са течним хлађењем варирају у складу са тим. Тренутно су инжењерске технологије у оквиру сваке техничке руте још увек у процесу развоја и финализације, а још увек не постоји савршена техничка рута која је призната у индустрији. Нити постоји консензус о специфичним применљивим потпољима сваке техничке руте. Тражење крајње извесности зависиће од фактора као што су економичност, поузданост и одрживост технологије инжењеринга центара података са течним хлађењем, као и од проналажења оптималних решења кроз континуирану практичну примену.