Technologia chłodzenia cieczą - nowy sposób na oszczędzanie energii i zmniejszenie zużycia w centrach danych

W dobie gospodarki cyfrowej i Internetu Rzeczy obliczanie i przetwarzanie ogromnych ilości danych wymaga ciągłego poszerzania skali infrastruktury centrów danych, co wiąże się także z problemem gwałtownego wzrostu zużycia energii. Według „Raportu badawczego na temat rozwoju chińskiej „nowej infrastruktury” do 2025 r. globalne centra danych będą miały największy udział w światowym zużyciu energii, aż do 33%. W Chinach zużycie energii przez krajowe centra danych wyniosło wzrasta w tempie ponad 12% przez osiem kolejnych lat, a udział zużycia energii elektrycznej w społeczeństwie będzie w przyszłości nadal rósł.

 

 

Zużycie energii w centrach danych wynika głównie z dwóch aspektów: zużycia energii przez same serwery oraz mocy chłodzenia wymaganej do chłodzenia serwerów. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej w centrach danych największą inwestycją w nowo budowane centra danych nie jest sam budynek, ale koszt sprzętu zapewniającego zasilanie i koszt chłodzenia centrum danych. Według statystyk, system chłodniczy w centrach danych odpowiada za około 40% zużycia energii przez całe centrum danych.

 

 

Technologia chłodzenia cieczą odnosi się do wykorzystania cieczy jako nośnika ciepła do wymiany ciepła dla elementów grzewczych i odbioru ciepła, zamiast pośredniego chłodzenia powietrzem, jak w przypadku chłodzenia powietrzem. Ciecz ma lepszą przewodność cieplną, 25 razy większą niż powietrze oraz szybszy i lepszy efekt przenoszenia temperatury. Tymczasem ze względu na dużą pojemność cieplną właściwą cieczy, ich temperatura po pochłonięciu dużej ilości ciepła nie zmienia się znacząco, stabilizując w ten sposób temperaturę procesora. Technologię chłodzenia cieczą można podzielić na trzy typy: typ natryskowy, typ zanurzeniowy i typ zimnej płyty.

 

 

Chłodzenie cieczą typu natryskowego:

Przechowuj ciecz i otwieraj otwory w górnej części obudowy, umożliwiając natryskiwanie chłodziwa na element grzejny zgodnie z jego położeniem i wielkością wytwarzanego ciepła, osiągając cel chłodzenia sprzętu. Rozpylana ciecz ma bezpośredni kontakt z chłodzonym urządzeniem, co skutkuje dużą wydajnością chłodzenia; Jednakże podczas procesu natryskiwania ciecz będzie dryfować i parować w przypadku napotkania obiektów o wysokiej temperaturze. Krople mgły i gazy będą emitowane wzdłuż szczelin w otworach obudowy na zewnątrz obudowy, powodując zmniejszenie czystości środowiska w pomieszczeniu komputerowym lub wpływając na inny sprzęt.

 

 

Chłodzenie cieczą typu zanurzeniowego:

Elementy elektroniczne zanurza się bezpośrednio w cieczy dielektrycznej, którą umieszcza się w szczelnym, ale łatwo dostępnym pojemniku, a ciepło przekazywane jest z elementów elektronicznych do cieczy. Zwykle do przepływu podgrzanego roztworu fluorku elektronicznego do wymiennika ciepła stosuje się pompę obiegową, gdzie następuje jego ochłodzenie i cyrkulacja z powrotem do pojemnika. Typ zanurzeniowy można podzielić na dwa typy: jednofazowy i dwufazowy. W jednofazowym chłodzeniu cieczą zanurzeniową elektroniczny płyn fluorowy pozostaje w stanie ciekłym; W dwufazowym chłodzeniu cieczą zanurzeniową proces wrzenia i kondensacji elektronicznej cieczy fluorującej wykładniczo poprawia efektywność wymiany ciepła cieczy.

 

 

Chłodzenie cieczą zimnej płyty:

Bezpośrednie chłodzenie chipa poprzez cyrkulację ciekłego medium przez pompę przez zimną płytę zmontowaną w komponenty elektroniczne w celu rozpraszania ciepła. Płyny nie mają bezpośredniego kontaktu z urządzeniami elektronicznymi. Chociaż do bezpośredniego chłodzenia chipów powszechnie stosuje się ciecze niedielektryczne (takie jak woda/glikol etylenowy), dielektryczne elektroniczne ciecze fluorujące mogą być również stosowane do bezpośrednich zastosowań chipów, zmniejszając ryzyko związane z wyciekami i poprawiając niezawodność sprzętu/sprzętu IT. Do bezpośredniego chłodzenia wiórów można zastosować technologie jednofazowe i dwufazowe.

 

 

Obecnie technologia chłodzenia cieczą została zastosowana i sprawdzona w niektórych centrach danych w kraju i za granicą. Na przykład:
Alibaba Cloud: W 2018 roku Alibaba Cloud uruchomiła pierwszy na świecie klaster superkomputerowy oparty na technologii immersyjnego chłodzenia cieczą - X-Dragon Super Computing Cluster. Klaster ten wykorzystuje dwufazowe rozwiązanie do chłodzenia cieczą zanurzeniową, całkowicie zanurzając serwery w roztworze fluoru i uzyskując efektywne odprowadzanie ciepła poprzez gotowanie i kondensację roztworu fluoru. Według Alibaba Cloud klaster ten może zmniejszyć zużycie energii serwera o 50%, poprawić wydajność chłodzenia o 80% oraz zaoszczędzić miejsce w centrum danych i koszty konserwacji.

 

 

Firma Tencent Cloud zbudowała pierwsze na świecie centrum danych oparte na technologii chłodzenia cieczą w sprayu, Guiyang T3 Data Center, w Guizhou w 2019 r. W centrum danych zastosowano schemat chłodzenia cieczą w sprayu, który natryskuje roztwór fluoru w formie atomizacji nad serwerem i zapewnia rozpraszanie ciepła poprzez wymianę ciepła pomiędzy roztworem fluoru i powietrzem. Według Tencent Cloud centrum danych może obniżyć PUE poniżej 1,2, zaoszczędzić 30% miejsca w sali komputerowej oraz poprawić wydajność i niezawodność serwerów.

 

 

Firma Microsoft zatopiła Project Natick, centrum danych oparte na technologii zanurzonego chłodzenia cieczą, pod powierzchnią morza w Szkocji w 2020 r. W centrum danych zastosowano jednofazowy schemat zanurzeniowego chłodzenia cieczą, polegający na całkowitym zanurzeniu serwera w zbiorniku ciśnieniowym wypełnionym azotem i wykorzystaniu wody morskiej do rozpraszanie ciepła. Według Microsoftu centrum danych jest w stanie zapewnić samowystarczalność dostaw energii oraz charakteryzuje się wyższą niezawodnością i bezpieczeństwem.

 

 

Wraz z ciągłym rozszerzaniem skali centrów danych, rosnącą gęstością obliczeniową, rosnącymi kosztami energii i rosnącymi wymaganiami środowiskowymi, tradycyjna technologia chłodzenia powietrzem nie jest już w stanie sprostać potrzebom rozwojowym centrów danych. Z drugiej strony technologia chłodzenia cieczą ma oczywiste zalety, takie jak oszczędność energii i redukcja zużycia, możliwość dostosowania do środowiska, elastyczna konstrukcja, wykorzystanie ciepła odpadowego i przyjazność dla środowiska, co czyni ją przyszłym kierunkiem rozwoju technologii chłodzenia centrów danych.