Razvoj i rasprava o tehnologiji inženjeringa centara podataka za hlađenje tekućinom

 

Pošto je specifični toplotni kapacitet tečnosti po jedinici zapremine oko 1,000 puta veći od vazduha, tečno hlađenje (odvođenje toplote) ima daleko veći kapacitet hlađenja od konvencionalnog vazdušnog hlađenja. To je efikasno rješenje za odvođenje topline koju stvaraju ultra-visoke gustine toplotnog fluksa. Godine 1964., kako bi se riješio problem pregrijavanja i zastoja velikih velikih računala, IBM je razvio prvi svjetski hlađeni vodeno hlađen kompjuter, System360, pionirski računari hlađeni tekućinom. Nedavno je, vođena nacionalnim i lokalnim politikama upravljanja energetskom efikasnošću, tehnologija hlađenja tekućinom ponovo zadobila široku pažnju u industriji podatkovnih centara, što je dovelo do razvoja serije tehnologija za inženjering centara podataka hlađenih tekućinom.

 

 

I Metode implementacije hlađenja tekućinom

 

U širem smislu, tečno hlađenje se odnosi na sve tehnologije vezane za tečno hlađenje. Industrija je upoznata sa metodama kao što je ugradnja kalemova hladne vode na stražnje panele rekova, koji se smatraju tekućim hlađenjem, što potpada pod širok koncept hlađenja tekućinom. Kineski institut za elektroniku (CIE), tokom razvoja serije standarda za dizajn data centara sa tečnim hlađenjem, razjasnio je koncept tečnog hlađenja kroz industrijske diskusije. Prema njihovoj definiciji, tečno hlađenje se posebno odnosi na direktno odvođenje toplote koju generišu elektronski čipovi koristeći tečnosti, tako da se uska definicija tečnog hlađenja odnosi samo na proces hlađenja unutar servera.

 

Iz perspektive uže definicije tečnog hlađenja, može se klasifikovati u dve glavne kategorije: direktan kontakt rashladne tečnosti sa elektronskim čipom ili indirektni kontakt preko čvrstog materijala visoke toplotne provodljivosti. Oni se zatim mogu dalje podijeliti na osnovu oblika kontakta, vrste rashladne tekućine i da li rashladna tekućina prolazi kroz faznu promjenu. Smatra se da metode hlađenja tekućinom spadaju u osam kategorija (vidi tabelu 1).

 

▲ Tabela 1: Klasifikacija implementacije hlađenja tekućinom

 

 

II Potražnja za tekućim hlađenjem u scenarijima centara podataka

 

Kao i konvencionalni sistemi sa vazdušnim hlađenjem koji se obično koriste u data centrima, uloga tečnog hlađenja je da ukloni toplotu koju generiše IT oprema kao što su serveri i druga oprema (npr. UPS baterije) kako bi se održalo relativno stabilno okruženje sa odgovarajućom temperaturom i vlažnošću u data centru.

 

Prvo, potrebe za rasipanjem topline su ključna pokretačka snaga razvoja tehnologije hlađenja tekućinom. Kako potražnja za mogućnostima obrade podataka brzo raste, integracija elektronskih čipova će vjerovatno nastaviti eksponencijalno rasti u budućnosti. To će dovesti do povećanja gustine snage i gustine toplotnog toka. Potreba za bržim brzinama prijenosa podataka i poboljšanom praktičnošću za korisnike potaknut će veću integraciju opreme, što će zauzvrat dovesti do većih zahtjeva za rasipanje topline za IT opremu kao što su serveri. Ovo će također povećati zahtjeve za životnu sredinu za rad. Kao rezultat toga, hlađenje zrakom će zahtijevati ventilatore veće brzine, većeg prečnika i veće kanale za disipaciju toplote, što će rezultirati značajnom bukom, većim uticajem toplote na okolinu i povećanim troškovima izgradnje i rada. Tečno hlađenje nudi bolji omjer cijene i učinka.

 

Drugo, politike upravljanja energetskom efikasnošću pokreću usvajanje tehnologije tečnog hlađenja. Još jedan važan razlog zašto se industrija data centara fokusira na tečno hlađenje je zbog nacionalnih i lokalnih politika upravljanja energetskom efikasnošću. Državni i lokalni zahtjevi za efektivnost upotrebe energije u podatkovnim centrima (PUE) postaju sve strožiji, stavljajući tečno hlađenje u centar pažnje industrije podatkovnih centara. Najnoviji nacionalni standard, Granične vrijednosti energetske efikasnosti i ocjene energetske efikasnosti podatkovnog centra (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 dovesti do usvajanja tečnog hlađenja u podatkovnim centrima. Data centri izgrađeni korištenjem rješenja za hlađenje tekućinom imaju relativno kvalitetniju otpadnu toplinu i lakše ih je povratiti. Projekti povrata otpadne topline u podatkovnim centrima hlađenim tekućinom su efikasan način za postizanje sveobuhvatnog korištenja energije i poboljšanje energetske efikasnosti. Neki naučnici su već predložili ideju o izgradnji velikih data centara kao izvora toplote za gradove ili industrijske parkove.

 

 

III Razvoj tehnologije inženjeringa centara podataka sa hlađenjem tekućinom

 

Proces uklanjanja topline koju generiraju elektronski čipovi kroz tekućinsko hlađenje je samo početak procesa hlađenja u podatkovnom centru. Kontinuirano stvaranje toplote iz elektronskih čipova zahteva održiv, stabilan i pouzdan rad tehnologije inženjerske tehnologije centara podataka za tečno hlađenje za održavanje hlađenja čipa.

 

Principi i praksa tekućeg hlađenja se razlikuju od hlađenja zrakom. Konkretno, koncepti odvođenja topline i hlađenja pokazuju suptilne razlike: počevši od iznad sobne temperature ili ispod sobne temperature. Da bi se bolje organizirao tekućinom hlađeni tehnološki okvir za podatkovni centar, elektronski čipovi se posmatraju kao izvor, s ciljem prenošenja topline koju generiraju čipovi van centra podataka, osiguravajući stabilan rad IT opreme. Stoga je tehnologija inženjeringa podatkovnih centara hlađena tekućinom podijeljena na primarne i sekundarne procese hlađenja. Ovaj koncept se razlikuje od primarne i sekundarne strane konvencionalnog zračnog hlađenja podatkovnih centara.

 

Primarni proces hlađenja tehnologije inženjeringa data centara sa tekućim hlađenjem hladi komponente elektronske IT opreme visoke gustine toplotnog fluksa i prenosi generisanu toplotu izvan stalka. Takođe se naziva primarno hlađenje (odvođenje toplote), početno hlađenje, unutrašnje hlađenje ili unutrašnje cirkulacijsko hlađenje. Primarni proces hlađenja je striktno proces hlađenja tekućinom i obično uključuje zatvorenu petlju opreme ili komponenti za hlađenje tekućinom na kraju čipa, rashladnu distribucijsku jedinicu (CDU), dozatore rashladne tekućine i cjevovode. Rashladna distributivna jedinica (CDU) sadrži pumpe i izmjenjivače topline, koji osiguravaju cirkulaciju rashladne tekućine. Tipičan proces primarnog hlađenja uključuje cirkulaciju određene temperature i protoka rashladnog sredstva od CDU-a do opreme ili komponenti za hlađenje tekućinom na kraju čipa. Rashladno sredstvo razmjenjuje toplinu sa strugotinama putem direktnog ili indirektnog kontakta putem materijala visoke toplinske provodljivosti kao što su metali. Zagrijana rashladna tekućina ili para rashladne tekućine zatim teče natrag u CDU preko cjevovoda, gdje razmjenjuje toplinu sa sekundarnim rashladnim sredstvom. Nakon hlađenja, niskotemperaturna rashladna tečnost se vraća nazad u opremu za hlađenje tečnosti ili komponente na kraju čipa pomoću CDU-a, završavajući 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 rashladnim tekućinama značajno razlikuju u različitim tečnim rashladnim otopinama.

 

Jedinica za distribuciju hlađenja (CDU) je uobičajena oprema. Tipična CDU arhitektura je prikazana na Slici 1. Pored obezbeđivanja sile cirkulacije i razmene toplote za rashladnu tečnost u procesu primarnog hlađenja, ova oprema takođe ima ulogu distribucije snage hlađenja (ne samo protoka rashladne tečnosti). Stoga obično ima sljedeće funkcije:

 

1) Kontrola temperature i protoka: Dinamičko praćenje temperature rashladne tečnosti i protoka u procesu primarnog hlađenja preko senzora temperature i protoka. Zasnovano na ugrađenim modelima, CDU dinamički prilagođava temperaturu rashladne tečnosti, protok ili dovodni pritisak kako bi se obezbedio adekvatan kapacitet hlađenja, izbegavajući kondenzaciju u primarnoj rashladnoj petlji.

2) Obezbeđivanje fizičkog razdvajanja između primarne rashladne tečnosti i sekundarne rashladne tečnosti.

3) Online ili bypass filtracija rashladnog sredstva.

4) Podrška za upravljanje mrežom.

 

▲ Slika 1: Tipična arhitektura rashladne distributivne jedinice (CDU).

 

Sekundarni proces hlađenja tehnologije inženjeringa podatkovnog centra s tekućim hlađenjem prenosi toplinu uklonjenu primarnim procesom hlađenja izvan podatkovnog centra, također poznat kao sekundarno hlađenje, vanjsko hlađenje, vanjsko cirkulacijsko hlađenje ili disipacija topline. Sekundarna rashladna tečnost u ovom procesu može biti vazduh, rashladna voda, rastvori na bazi vode (npr. rastvori etilen glikola, rastvori glicerina) ili rashladna sredstva, koja se zajednički nazivaju sekundarnim rashladnim tečnostima. Ako se kao sekundarno rashladno sredstvo koristi zrak, proces sekundarnog hlađenja je sličan konvencionalnom procesu hlađenja unutar podatkovnog centra. Ako se koristi otopina na bazi vode, sekundarna rashladna tekućina cirkulira u onome što se zove sekundarna rashladna petlja.

 

Razmjena topline između primarne i sekundarne rashladne petlje se odvija u CDU. Nakon izmjene topline u CDU-u, visokotemperaturna sekundarna rashladna tekućina ulazi u izvor hlađenja ili opremu za povrat otpadne topline, prenoseći toplinu u okolinu ili omogućavajući njeno ponovno korištenje. Sekundarna rashladna tečnost zatim teče nazad u izmjenjivač topline nakon hlađenja, završavajući puni ciklus. Izvor hlađenja može biti rashladni toranj, suhi hladnjak, chiller, itd. Pošto proces primarnog hlađenja omogućava da temperatura sekundarnog rashladnog sredstva na ulazu dostigne 30 stepeni ili više, izvor hlađenja može raditi isključivo na prirodnom hlađenju, što objašnjava zašto hlađenje tekućinom tehnologija može postići relativno idealnu efikasnost upotrebe energije (PUE). Tipičan dijagram inženjerske tehnologije hlađenja tekućinom prikazan je na slici 2.

 

▲ Slika 2: Dijagram tehnologije tehnologije hlađenja tekućinom

 

Neke tehnologije hlađenja tekućinom koriste dizajn zasnovan isključivo na procesu primarnog hlađenja, gdje rashladna tekućina direktno prenosi toplinu u okolinu. Međutim, u većini slučajeva to zahtijeva visoke standarde fizičke čistoće rashladne tekućine, povećavajući troškove. Ako su cjevovodi predugački, to utiče na ukupnu ekonomiju sistema. Stoga su dizajni primarnog hlađenja najprikladniji za kompaktne konfiguracije.

 

 

IV Diskusija o budućim trendovima razvoja centara podataka hlađenih tekućinom

 

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

 

Prvo, pokretačka snaga za promociju tehnologije tekućeg hlađenja i dalje će se prvenstveno bazirati na zahtjevima IT opreme za hlađenjem (odvođenje topline). Međutim, ovo je izgrađeno na predviđanjima budućih trendova u razvoju elektronskih čipova, kao i na pretpostavci da će isplativost tehnologije tekućeg hlađenja postepeno uspostaviti prednost u odnosu na tehnologiju hlađenja zrakom. Ipak, ostaje mogućnost da visoki troškovi tekućeg hlađenja mogu dovesti do alternativnih dizajna čipova koji smanjuju zahtjeve za hlađenjem i rasipanjem topline.

 

Drugo, konstrukcija i model korištenja podatkovnih centara s tekućinom hlađenja značajno se razlikuju od konvencionalnih podatkovnih centara hlađenih zrakom. Karakteristika podatkovnih centara hlađenih tekućinom je visok stepen povezanosti IT opreme i infrastrukture. U pogledu tehničkih principa i osiguranja pouzdanosti, oni u suštini ne mogu postići isti nivo razdvajanja kao konvencionalni zračno hlađeni podatkovni centri. Kao rezultat toga, različita tehnička rješenja i dobavljači opreme rade uglavnom neovisno jedni od drugih. Vlasnici centara podataka će vjerovatno postati duboko vezani za određenog dobavljača tehnoloških rješenja. Primjena tehnologije tekućeg hlađenja u podatkovnim centrima može se posmatrati kao razvojna na temelju narušavanja originalnog komercijalnog modela, modela konstrukcije i industrijskog modela konvencionalnih zračno hlađenih podatkovnih centara. Tradicionalne usluge iznajmljivanja ormara su uglavnom neprimjenjive na centre podataka hlađene tekućinom. Ovo predstavlja značajnu prepreku daljnjoj promociji tehnologije hlađenja tekućinom.

 

Treće, pouzdanost centara podataka hlađenih tekućinom i dalje zahtijeva validaciju. Iako su trenutni dobavljači rješenja za podatkovne centre hlađeni tekućinom predložili rješenja poput poboljšanog testiranja pouzdanosti i dodavanja uređaja za detekciju curenja i alarma za rashladnu tekućinu, zabrinutost zbog potencijalnih curenja u tečnom rashladnoj petlji unutar ormarića, što dovodi do oštećenja IT opreme, ostaju tema široko rasprostranjene zabrinutosti u industriji.

 

Rješavanje ovih neizvjesnosti duboko ovisi o razmjeru primjene. Za rješavanje ovog naizgled nerješivog problema, monopolizacija tržišta i kontrola upstream i downstream industrije, za koju je bezbroj puta dokazano da krši zakone ekonomskog razvoja, nije rješenje. Istorija je više puta pokazala da je veća vjerovatnoća da će uspjeti u konkurenciji oni koji prvi uspostave industrijski lanac i ekosistem zasnovan na podjeli rada i saradnji. Prije pronalaženja tehničkog puta koji razdvaja IT opremu od infrastrukture, standardizacija neće biti magično rješenje za problem razdvajanja, niti će biti efikasno sredstvo za ograničavanje ili napad na konkurenciju. Međutim, korištenje standardizacije kao alata za stalno unapređenje razdvajanja zasnovanog na pronalaženju zajedničkih osnova uz očuvanje razlika, efektivnu razmjenu iskustava i promoviranje razdvajanja proizvodnih i uslužnih procesa radi postizanja specijalizacije i prefinjenosti, može pomoći u smanjenju ukupnih troškova primjene. Kontinuirano poboljšanje kroz testiranje aplikacija može dovesti do formiranja pozitivne povratne sprege koja proširuje skalu tečnog hlađenja, potencijalno postajući neophodan put za razvoj tehnologije hlađenja tekućinom.

 

 

V Zaključak

 

U zavisnosti od faktora kao što su kompatibilnost servera, vrsta rashladne tečnosti i radna temperatura tečnog hlađenja, inženjerske tehnologije za centre podataka sa tečnim hlađenjem variraju u skladu sa tim. Trenutno su inženjerske tehnologije u okviru svake tehničke rute još uvijek u procesu razvoja i finalizacije, a još uvijek ne postoji savršena tehnička ruta priznata u industriji. Niti postoji konsenzus o specifičnim primjenjivim potpoljima svake tehničke rute. Traženje krajnje sigurnosti ovisit će o faktorima kao što su ekonomičnost, pouzdanost i održivost tehnologije inženjeringa podatkovnih centara s tekućim hlađenjem, kao i od pronalaženja optimalnih rješenja kroz kontinuiranu praktičnu primjenu.