Šķidruma dzesēšanas datu centra inženierijas tehnoloģijas izstrāde un diskusija

 

Tā kā šķidruma īpatnējā siltuma jauda uz tilpuma vienību ir aptuveni 1, 000 reizes lielāka nekā gaisa, šķidruma dzesēšanai (siltuma izkliedei) ir daudz lielāka dzesēšanas jauda nekā parastajai gaisa dzesēšanai. Tas ir efektīvs risinājums īpaši augsta siltuma plūsmas blīvuma radītā siltuma izkliedēšanai. 1964. gadā, lai novērstu lielo lieldatoru pārkaršanu un dīkstāves problēmas, IBM izstrādāja pasaulē pirmo ar ūdeni dzesējamo datoru System360, kas ir novatorisks ar šķidrumu dzesējams dators. Pēdējā laikā, pateicoties valsts un vietējai energoefektivitātes pārvaldības politikai, šķidruma dzesēšanas tehnoloģija atkal ir ieguvusi plašu uzmanību datu centru nozarē, kā rezultātā tika izstrādāta virkne ar šķidrumu dzesējamu datu centru inženierijas tehnoloģiju.

 

 

I Šķidruma dzesēšanas ieviešanas metodes

 

Plašā nozīmē šķidruma dzesēšana attiecas uz visām tehnoloģijām, kas saistītas ar šķidruma dzesēšanu. Nozare ir pazīstama ar tādām metodēm kā aukstā ūdens spoļu uzstādīšana plauktu aizmugurējos paneļos, ko uzskata par šķidruma dzesēšanu, kas ietilpst plašajā šķidruma dzesēšanas jēdzienā. Ķīnas Elektronikas institūts (CIE), izstrādājot virkni ar šķidrumu dzesējamu datu centru projektēšanas standartu, nozares diskusijās precizēja šķidruma dzesēšanas jēdzienu. Saskaņā ar to definīciju šķidruma dzesēšana īpaši attiecas uz elektronisko mikroshēmu radītā siltuma tiešu noņemšanu, izmantojot šķidrumus, tāpēc šaurā šķidruma dzesēšanas definīcija attiecas tikai uz dzesēšanas procesu serverī.

 

No šaurās šķidruma dzesēšanas definīcijas viedokļa to var iedalīt divās galvenajās kategorijās: tiešs dzesēšanas šķidruma kontakts ar elektronisko mikroshēmu vai netiešs kontakts ar augstas siltumvadītspējas cieto materiālu. Pēc tam tos var sīkāk iedalīt, pamatojoties uz kontakta veidu, dzesēšanas šķidruma veidu un to, vai dzesēšanas šķidrumā notiek fāzes maiņa. Šķidruma dzesēšanas metodes parasti tiek iedalītas astoņās kategorijās (sk. 1. tabulu).

 

▲ 1. tabula. Šķidruma dzesēšanas ieviešanas klasifikācija

 

 

II Pieprasījums pēc šķidruma dzesēšanas datu centru scenārijos

 

Tāpat kā parastajām gaisa dzesēšanas sistēmām, ko parasti izmanto datu centros, šķidruma dzesēšanas uzdevums ir noņemt IT iekārtu, piemēram, serveru un citu iekārtu (piemēram, UPS akumulatoru) radīto siltumu, lai uzturētu relatīvi stabilu vidi ar atbilstošu temperatūru un mitrumu. datu centrā.

 

Pirmkārt, siltuma izkliedes vajadzības ir galvenais šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas attīstības virzītājspēks. Tā kā pieprasījums pēc datu apstrādes iespējām strauji aug, elektronisko mikroshēmu integrācija, visticamāk, turpinās eksponenciāli pieaugt arī nākotnē. Tas palielinās jaudas blīvumu un siltuma plūsmas blīvumu. Nepieciešamība pēc lielāka datu pārraides ātruma un uzlabotas lietotāju ērtības veicinās augstāku iekārtu integrāciju, kas savukārt radīs lielākas siltuma izkliedes prasības IT iekārtām, piemēram, serveriem. Tas arī paaugstinās darbības vides prasības. Līdz ar to gaisa dzesēšanai būs nepieciešami lielāka ātruma, lielāka diametra ventilatori un lielāki siltuma izkliedes kanāli, kā rezultātā radīsies ievērojams troksnis, lielāka siltuma ietekme uz vidi, kā arī palielinās būvniecības un ekspluatācijas izmaksas. Šķidruma dzesēšana piedāvā labāku izmaksu un veiktspējas attiecību.

 

Otrkārt, energoefektivitātes pārvaldības politika veicina šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas ieviešanu. Vēl viens svarīgs iemesls, kāpēc datu centru nozare pievēršas šķidruma dzesēšanai, ir valsts un vietējā energoefektivitātes pārvaldības politika. Valsts un vietējās prasības datu centru jaudas izmantošanas efektivitātei (PUE) kļūst stingrākas, izvirzot šķidruma dzesēšanu datu centru nozares uzmanības centrā. Saskaņā ar jaunāko valsts standartu Datu centra energoefektivitātes robežvērtības un energoefektivitātes pakāpes (GB 40879-2021) enerģijas patēriņam jābūt zem 1,3, ko ir grūti sasniegt, izmantojot tikai gaisa dzesēšanu lielākajā daļā valsts, tāpēc ir nepieciešams šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas izmantošana.

 

Treškārt, siltuma atgūšanas ērtība var veicināt šķidruma dzesēšanas ieviešanu datu centros. Datu centriem, kas būvēti, izmantojot šķidruma dzesēšanas risinājumus, ir salīdzinoši kvalitatīvāks siltuma pārpalikums, un tos ir vieglāk atgūt. Atkritumu siltuma reģenerācijas projekti ar šķidrumu dzesējamos datu centros ir efektīvs veids, kā panākt visaptverošu enerģijas izmantošanu un uzlabot energoefektivitāti. Daži zinātnieki jau ir ierosinājuši ideju būvēt liela mēroga datu centrus kā siltuma avotus pilsētām vai industriālajiem parkiem.

 

 

III Šķidruma dzesēšanas datu centra inženiertehniskās tehnoloģijas izstrāde

 

Elektronisko mikroshēmu radītā siltuma noņemšanas process ar šķidruma dzesēšanu ir tikai dzesēšanas procesa sākums datu centrā. Nepārtrauktai siltuma ģenerēšanai no elektroniskām mikroshēmām ir nepieciešama ilgstoša, stabila un uzticama šķidruma dzesēšanas datu centra inženierijas tehnoloģijas darbība, lai uzturētu mikroshēmu dzesēšanu.

 

Šķidruma dzesēšanas principi un prakse atšķiras no gaisa dzesēšanas. Konkrēti, siltuma izkliedes un dzesēšanas jēdzieni parāda smalkas atšķirības: sākot no istabas temperatūras virs vai zem istabas temperatūras. Lai labāk sakārtotu ar šķidrumu dzesējamo datu centra inženiertehnisko ietvaru, par avotu tiek uzskatītas elektroniskās mikroshēmas, kuru mērķis ir čipu radīto siltumu nodot ārpus datu centra, nodrošinot IT iekārtu stabilu darbību. Tādējādi ar šķidrumu dzesējamā datu centra inženiertehniskā tehnoloģija ir sadalīta primārajā un sekundārajā dzesēšanas procesos. Šī koncepcija atšķiras no parastā datu centra gaisa dzesēšanas primārās un sekundārās puses.

 

Ar šķidrumu dzesējamās datu centra inženierijas tehnoloģijas primārais dzesēšanas process atdzesē elektronisko IT iekārtu komponentus ar augstu siltuma plūsmas blīvumu un nodod radīto siltumu ārpus statīva. To sauc arī par primāro dzesēšanu (siltuma izkliedi), sākotnējo dzesēšanu, iekšējo dzesēšanu vai iekšējās cirkulācijas dzesēšanu. Primārais dzesēšanas process ir tikai šķidruma dzesēšanas process, un tas parasti ietver slēgtu šķidruma dzesēšanas iekārtu vai komponentu cilpu mikroshēmas galā, dzesēšanas sadales bloku (CDU), dzesēšanas šķidruma dozatorus un cauruļvadus. Dzesēšanas sadales blokā (CDU) ir sūkņi un siltummaiņi, kas nodrošina dzesēšanas šķidruma cirkulācijas spēku. Tipisks primārās dzesēšanas process ietver noteiktas temperatūras un dzesēšanas šķidruma plūsmas cirkulāciju no CDU uz šķidruma dzesēšanas iekārtu vai komponentiem mikroshēmas galā. Dzesēšanas šķidrums apmaina siltumu ar skaidām tiešā vai netiešā saskarē ar materiāliem ar augstu siltumvadītspēju, piemēram, metāliem. Uzkarsētais augstas temperatūras dzesēšanas šķidrums vai dzesēšanas šķidruma tvaiki pēc tam pa cauruļvadiem plūst atpakaļ uz CDU, kur tas apmaina siltumu ar sekundāro dzesēšanas šķidrumu. Pēc atdzesēšanas zemas temperatūras dzesēšanas šķidrums tiek novadīts atpakaļ uz šķidruma dzesēšanas iekārtu vai komponentiem mikroshēmas galā ar CDU, pabeidzot pilnu ciklu. Parasti primārajā dzesēšanas procesā izmantotie dzesēšanas šķidrumi ir etilēnglikola šķīdumi, propilēnglikola šķīdumi, dejonizēts ūdens utt., un dažos šķīdumos tiek izmantoti fluorēti šķidrumi, lai gan dzesēšanas šķidrumu fiziskās prasības dažādiem šķidruma dzesēšanas šķīdumiem ievērojami atšķiras.

 

Dzesēšanas sadales iekārta (CDU) ir plaši izmantota iekārta. Tipiska CDU arhitektūra ir parādīta 1. attēlā. Papildus dzesēšanas šķidruma cirkulācijas spēka un siltuma apmaiņas nodrošināšanai primārajā dzesēšanas procesā šī iekārta kalpo arī dzesēšanas jaudas (ne tikai dzesēšanas šķidruma plūsmas) sadalei. Tāpēc tam parasti ir šādas funkcijas:

 

1) Temperatūras un plūsmas kontrole: Dinamiska dzesēšanas šķidruma temperatūras un plūsmas uzraudzība primārajā dzesēšanas procesā, izmantojot temperatūras un plūsmas sensorus. Pamatojoties uz iebūvētajiem modeļiem, CDU dinamiski pielāgo dzesēšanas šķidruma temperatūru, plūsmu vai padeves spiedienu, lai nodrošinātu atbilstošu dzesēšanas jaudu, vienlaikus izvairoties no kondensāta rašanās primārajā dzesēšanas kontūrā.

2) primārā dzesēšanas šķidruma un sekundārā dzesēšanas šķidruma fiziskas atdalīšanas nodrošināšana.

3) Dzesēšanas šķidruma filtrēšana tiešsaistē vai apiet.

4) Tīkla pārvaldības atbalstīšana.

 

▲ 1. attēls. Tipiska dzesēšanas sadales bloka (CDU) arhitektūra

 

Šķidruma dzesēšanas datu centra inženierijas tehnoloģijas sekundārais dzesēšanas process primārajā dzesēšanas procesā izņemto siltumu pārnes ārpus datu centra, ko sauc arī par sekundāro dzesēšanu, ārējo dzesēšanu, ārējās cirkulācijas dzesēšanu vai siltuma izkliedi. Sekundārais dzesēšanas šķidrums šajā procesā var būt gaiss, dzesēšanas ūdens, šķīdumi uz ūdens bāzes (piemēram, etilēnglikola šķīdumi, glicerīna šķīdumi) vai aukstumaģenti, ko kopā dēvē par sekundārajiem dzesēšanas šķidrumiem. Ja gaiss tiek izmantots kā sekundārais dzesēšanas šķidrums, sekundārais dzesēšanas process ir līdzīgs parastajam dzesēšanas procesam datu centrā. Ja tiek izmantots ūdens bāzes šķīdums, sekundārais dzesēšanas šķidrums cirkulē tā sauktajā sekundārajā dzesēšanas kontūrā.

 

Siltuma apmaiņa starp primāro un sekundāro dzesēšanas cilpu notiek CDU. Pēc siltuma apmaiņas CDU augstas temperatūras sekundārais dzesēšanas šķidrums nonāk dzesēšanas avotā vai siltuma atgūšanas iekārtā, pārnesot siltumu uz vidi vai ļaujot to izmantot atkārtoti. Pēc tam sekundārais dzesēšanas šķidrums pēc dzesēšanas ieplūst atpakaļ siltummainī, pabeidzot pilnu ciklu. Dzesēšanas avots var būt dzesēšanas tornis, sausais dzesētājs, dzesētājs utt. Tā kā primārais dzesēšanas process ļauj sekundārā dzesēšanas šķidruma ieplūdes temperatūrai sasniegt 30 grādus vai augstāku, dzesēšanas avots var darboties tikai ar dabisko dzesēšanu, kas izskaidro šķidruma dzesēšanu. tehnoloģija var sasniegt salīdzinoši ideālu enerģijas izmantošanas efektivitāti (PUE). Tipiska šķidruma dzesēšanas inženierijas tehnoloģijas diagramma ir parādīta 2. attēlā.

 

▲ 2. attēls. Šķidruma dzesēšanas inženierijas tehnoloģijas diagramma

 

Dažās šķidruma dzesēšanas tehnoloģijās tiek izmantots dizains, kas balstīts tikai uz primāro dzesēšanas procesu, kur dzesēšanas šķidrums tieši pārnes siltumu uz vidi. Tomēr vairumā gadījumu tas prasa augstus dzesēšanas šķidruma fiziskās tīrības standartus, palielinot izmaksas. Ja cauruļvadi ir pārāk gari, tiek ietekmēta sistēmas vispārējā ekonomika. Tāpēc primārās dzesēšanas konstrukcijas ir vislabāk piemērotas kompaktām konfigurācijām.

 

 

IV Diskusija par ar šķidrumu dzesējamu datu centru attīstības tendencēm nākotnē

 

Kopumā ar šķidrumu dzesējamo datu centru turpmākā attīstība joprojām ir neskaidra.

 

Pirmkārt, šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas veicināšanas virzītājspēks joprojām galvenokārt būs balstīts uz IT aprīkojuma dzesēšanas (siltuma izkliedes) prasībām. Tomēr tas ir balstīts uz prognozēm par nākotnes tendencēm elektronisko mikroshēmu attīstībā, kā arī uz pieņēmumu, ka šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas rentabilitāte pakāpeniski iegūs priekšrocības salīdzinājumā ar gaisa dzesēšanas tehnoloģiju. Tomēr joprojām pastāv iespēja, ka augstās šķidruma dzesēšanas izmaksas var radīt alternatīvas mikroshēmu konstrukcijas, kas samazina dzesēšanas un siltuma izkliedes prasības.

 

Otrkārt, ar šķidrumu dzesējamo datu centru uzbūve un lietošanas modelis būtiski atšķiras no parastajiem gaisa dzesēšanas datu centriem. Šķidruma dzesēšanas datu centru iezīme ir augsta IT aprīkojuma un infrastruktūras savienojuma pakāpe. Runājot par tehniskajiem principiem un uzticamības nodrošināšanu, tie būtībā nevar sasniegt tādu pašu atsaistes līmeni kā tradicionālie datu centri ar gaisa dzesēšanu. Rezultātā dažādi tehniskie risinājumi un iekārtu pārdevēji darbojas lielā mērā neatkarīgi viens no otra. Datu centru īpašnieki, visticamāk, būs cieši saistīti ar konkrētu tehnoloģiju risinājumu nodrošinātāju. Šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas pielietojumu datu centros var uzskatīt par tādu, kas attīstās, pamatojoties uz parasto gaisa dzesēšanas datu centru sākotnējā komerciālā modeļa, būvniecības modeļa un rūpnieciskā modeļa pārtraukšanu. Tradicionālie skapju nomas pakalpojumi lielākoties nav piemērojami ar šķidrumu dzesējamiem datu centriem. Tas ir būtisks šķērslis šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas turpmākai veicināšanai.

 

Treškārt, ar šķidrumu dzesējamo datu centru uzticamība joprojām ir jāapstiprina. Lai gan pašreizējie ar šķidrumu dzesējamo datu centru risinājumu nodrošinātāji ir ierosinājuši tādus risinājumus kā uzlabota uzticamības pārbaude un dzesēšanas šķidruma noplūdes noteikšanas un trauksmes ierīču pievienošana, pastāv bažas par iespējamām noplūdēm šķidruma dzesēšanas cilpā, kas var izraisīt IT aprīkojuma bojājumus, nozarē joprojām ir plaši izplatīts jautājums.

 

Šo neskaidrību risinājums ir ļoti atkarīgs no pielietojuma mēroga. Lai atrisinātu šo šķietami neatrisināmo problēmu, nav risinājums tirgus monopolizācija un augšupējo un pakārtoto nozaru kontrole, kas neskaitāmas reizes ir pierādījusi, ka tās pārkāpj ekonomiskās attīstības likumus. Vēsture vairākkārt ir parādījusi, ka tiem, kuri vispirms var izveidot rūpniecisku ķēdi un ekosistēmu, kuras pamatā ir darba dalīšana un sadarbība, ir lielāka iespēja konkurēt. Pirms tiek atrasts tehnisks ceļš, kas atsaista IT aprīkojumu no infrastruktūras, standartizācija nebūs maģisks risinājums atsaistes problēmai, kā arī nebūs efektīvs līdzeklis konkurentu ierobežošanai vai uzbrukšanai. Tomēr, izmantojot standartizāciju kā līdzekli, lai nepārtraukti veicinātu atsaistīšanu, pamatojoties uz kopīgā pamata atrašanu, vienlaikus saglabājot atšķirības, efektīvu dalīšanos pieredzē un veicinot ražošanas un pakalpojumu procesu nodalīšanu, lai panāktu specializāciju un pilnveidošanu, var palīdzēt samazināt kopējās pielietošanas izmaksas. Nepārtraukta uzlabošana, izmantojot lietojumprogrammu testēšanu, var novest pie pozitīvas atgriezeniskās saites cilpas veidošanās, kas paplašina šķidruma dzesēšanas mērogu, potenciāli kļūstot par nepieciešamo ceļu šķidruma dzesēšanas tehnoloģijas attīstībai.

 

 

V Secinājums

 

Atkarībā no tādiem faktoriem kā servera saderība, dzesēšanas šķidruma veids un šķidruma dzesēšanas darba temperatūra, ar šķidrumu dzesējamo datu centru inženierijas tehnoloģijas attiecīgi atšķiras. Pašlaik katrā tehniskajā maršrutā esošās inženiertehniskās tehnoloģijas vēl ir izstrādes un pabeigšanas procesā, un vēl nav nozarē atzīta ideāla tehniskā maršruta. Tāpat nav vienprātības par katra tehniskā maršruta konkrētajiem piemērojamajiem apakšlaukiem. Galīgās noteiktības meklēšana būs atkarīga no tādiem faktoriem kā ar šķidrumu dzesējamo datu centru inženierijas tehnoloģiju ekonomika, uzticamība un apkopes spēja, kā arī no optimālu risinājumu atrašanas, izmantojot nepārtrauktu praktisku pielietojumu.