Tehokkaiden nestejäähdytysjärjestelmien suunnittelu palvelinkeskuksiin

 

I Palvelinkeskuksen jäähdytysjärjestelmän osat

 

Suurin osa IT-laitteiden käyttämästä sähköenergiasta muunnetaan hukkalämmöksi. IT-laitteiden toiminnan asianmukaisen lämpötila-alueen varmistamiseksi palvelinkeskukset on varustettu jäähdytys- ja lämmönpoistojärjestelmillä, mukaan lukien jäähdyttimet, jäähdytystornit ja tarkkuusilmastointiyksiköt, jotka poistavat hukkalämpöä konesalista. Lämmönsiirtoprosessi on havainnollistettu kuvassa 1. Keskeisiä energiankulutuskohteita ovat jäähdyttimet, jäähdytystornit, pumput ja tarkkuusilmastointiyksiköt.

 

▲ Kuva 1: Lämmönsiirto palvelinkeskuksissa

 

Tällä hetkellä palvelinkeskusten ensisijaiset lämmönsiirtovälineet ovat ilma tai vesi. Veden, jonka vakiopaineinen ominaislämpökapasiteetti on 1,004 kJ/(KgK) ja ominaislämpökapasiteetti 4200 kJ/(KgK), lämmönsiirtokyky on noin 1,000 kertaa suurempi kuin ilman. Siksi veden käyttö jäähdytysväliaineena on tehokas energiaa säästävä menetelmä jäähdytysjärjestelmien suunnittelussa. Jäähdytysjärjestelmien energiatehokkuuden parantamiseksi lämmön talteenottamiseen ja siirtämiseen käytetään toimenpiteitä, kuten tehokkaita lämpöpattereita ja tarkkaa ilmansyöttöä.

 

Tarkkuusilmastointissa jäähdytys on kehittynyt huonetasosta modulaarisiin datahuoneisiin ja telinetason jäähdytykseen, siirtyen lähemmäs lämmönlähdettä ja vähentäen jäähdytysnesteen kuljetuksen energiankulutusta. Jäähdytyslähteiden tuotanto on edennyt ilmajäähdytyksestä vesijäähdytykseen ja luonnolliseen jäähdytykseen, mikä tehostaa ulkoista lämmönsiirtoa.

 

 

Perinteisissä jäähdytysjärjestelmissä on itsenäiset ohjausjärjestelmät ja toimintastrategiat tarkkuusilmastointia, jäähdyttimiä ja jäähdytystorneja varten, mikä optimoi tehokkuuden paikallisesti. Kokonaisjäähdytystehokkuus vaatii kuitenkin edelleen parantamista.

 

Systemaattisia parannuksia voidaan saavuttaa päästä päähän -hallinnan ja tarkan lämmönkeruun, jäähdytyslähteen valmistelun ja ulkoisen lämmönsiirron ohjauksen avulla, mikä vähentää jäähdytysjärjestelmän virrankulutusta.

 

 

II Nestejäähdytysjärjestelmän kokonaissuunnittelu

 

1. Board-tason nestejäähdytyssuunnittelu

Laskentatehokysynnän eksponentiaalisessa kasvussa prosessorien ja grafiikkasuorittimien integrointi ja virrankulutus ovat lisääntyneet merkittävästi, ja yhden sirun virrankulutus on noussut 300 wattiin. Perinteiset lastujen jäähdytyselementit ja ilmajäähdytysratkaisut ovat kohdanneet jäähdytyksen pullonkauloja. Koska siru on lämmönlähde, palvelinkeskuksen jäähdytysjärjestelmän tärkein haaste on poistaa tehokkaasti lämpöä sirun sisältä.

 

Lämmönpoiston näkökulmasta sirun tuottama lämpö on ensin siirrettävä levytason jäähdytyselementtiin. Tehokkaammat jäähdytyselementtiratkaisut helpottavat lämmön talteenottoa.

 

Yksittäisillä siruilla, joiden virrankulutus on alle 200 W, ja IT-laitteissa, joiden virrankulutus on alle 20 kW per teline, ilmaa voidaan edelleen käyttää lämmönsiirtoaineena. Lämmitysputkien jäähdytyselementit ja höyrykammio (VC) -jäähdytyselementit yhdistettynä korkean lämmönjohtavuuden omaaviin TIM-materiaaleihin (kuten grafiittilevyihin/grafeeniin) vähentävät tehokkaasti sirun ja jäähdytyselementin pohjan välistä lämpövastusta, mikä parantaa jäähdytyselementin tehokkuutta.

 

Yksittäisillä siruilla, joiden virrankulutus on yli 200 W, ja IT-laitteissa, joiden tehonkulutus on yli 20 kW per teline, ilma ei enää riitä lämmönsiirtoväliaineeksi, vaan jäähdytykseen on käytettävä nestemäistä jäähdytysnestettä. Nestejäähdytetty kylmälevyteknologia on tällä hetkellä kypsä ratkaisu levytason lastun jäähdytykseen. Nestejäähdytteinen kylmälevy koostuu tulo- ja ulostuloliittimistä, ylemmästä kannesta ja pohjalevystä, jotka on yhdistetty tyhjiöjuottamalla tiiviiksi nestelämmönvaihtokammioksi. Kammioon kuuluu jakelukammioita ja erileveisiä virtauskanavia, jotka säätelevät nestevirtausta ja lisäävät turbulenssia, parantaen paikallista jäähdytyskykyä ja eliminoivat suuritehoisten sirujen aiheuttamia kuumia kohtia. Sisäinen rakenne on esitetty kuvassa 2.

 

▲ Kuva 2: Nestejäähdytteisen kylmälevyn poikkileikkaus

 

Saman telineen erityyppisillä levyillä on vaihtelevat tehotasot ja kuumat pisteet, mutta syöttöpaine nesteen syöttölinjan tuloliittimessä on yleensä sama, mikä vaatii kylmälevyn jakokammion ohjaamaan kuristusta. Levyillä, joissa lastujen tehonkulutus on pienempi, kuristus vähentää jäähdytysnesteen virtausta. Käytännössä nestejäähdytteiset kylmälevyt peittävät prosessorin, muistin ja muut suuritehoiset komponentit, mutta peittämättömät komponentit, kuten vastukset ja kondensaattorit, tuottavat jäännöslämpöä, joka vaatii tuuletinjäähdytystä. Tämä johtaa neste- ja ilmajäähdytyksen yhdistelmään järjestelmässä, mikä jättää tilaa jäähdytystehokkuuden parantamiselle.

 

Käyttämällä TIM-materiaaleja peittämään kaikki komponentit kylmälevysuunnittelun aikana voidaan saavuttaa 100 % nestejäähdytys teknisesti, mutta tämä lisää kylmälevyn kustannuksia ja monimutkaisuutta. Tehokkaaseen jäähdytykseen pyrkiessä on myös otettava huomioon alkukustannusinvestointi. Jos solmulevytyypit ovat yhtenäisiä, voidaan harkita täysin katettua korttia, jonka alkukustannukset tasoitetaan skaalaamalla tuotantoa, mikä saavuttaa tasapainon energiansäästön ja investointien välillä.

 

 

Deionisoitua vettä käytetään tyypillisesti jäähdytysaineena nestejäähdytyksessä sen suuren ominaislämpökapasiteetin ansiosta, mikä mahdollistaa nopean lämmön imeytymisen samalla kun se ei syövytä, mikä ei vaikuta putkiston luotettavuuteen. Kylmälevyn nestejäähdytys on epäsuoraa, siru ei kosketa suoraan nestemäiseen jäähdytysnesteeseen, mikä johtaa korkeaan luotettavuuteen ja kypsään tekniikkaan.

 

Sirun ja nestemäisen jäähdytysnesteen välillä on kuitenkin lämpövastus, mikä saa jotkut valmistajat edistämään uppojäähdytysratkaisuja. Upotusjäähdytyksessä IT-laitteet upotetaan kiertävään nesteeseen, jolloin siru koskettaa suoraan jäähdytysnestettä, mikä vähentää lämpövastusta ja hyödyntää vaiheen muutosta poistaakseen enemmän lämpöä, mikä tekee siitä uuden hotspotin nestejäähdytyksessä. Fluorattuja nesteitä käytetään yleisesti jäähdytysaineina uppojäähdytyksessä, mutta niiden korkea hinta on este laajamittaiselle kaupalliselle käytölle.

 

2. Telinetason nestejäähdytys

Konesaleissa IT-laitteet on järjestetty räkkeihin, joissa on konesalin tietolaitteita, kuten palvelimia, tallennuslaitteita ja verkkokytkimiä. Korttitason jäähdytys poistaa lämpöä yksittäisistä IT-laitteista, kun taas telinetason jäähdytys kerää ja siirtää lämmön ulos. Telinetason nestejäähdytyksen avainkomponentteja ovat imu- ja poistosarjat, valvontayksiköt, lämpötila-anturit, solenoidiventtiilit ja takaiskuventtiilit, kuten kuvassa 3.

 

▲ Kuva 3: Telinetason nestejäähdytyksen kokoonpano

 

Jakotukki liitetään ulkopuolelta huonetason nestejäähdytyksen jakeluyksikköön ja sisäisesti pikaliittimien kautta nestejäähdytteisen kylmälevyn tulo- ja poistoliittimiin, mikä helpottaa järjestelmän lämmön siirtymistä telineen ulkopuolelle.

Solenoidiventtiilin ja takaiskuventtiilin päätehtävät ovat nesteen virtauksen säätely ja vian rajoittaminen yhteen telineeseen vuodon sattuessa.

 

Lämpötila-anturin ensisijainen tehtävä on seurata jatkuvasti tulo- ja poistoveden lämpötiloja. Hyödyntämällä tulo- ja poistoveden välistä lämpötilaeroa se ohjaa magneettiventtiilin avautumista, sääteleen siten veden virtausta ja varmistaen, että lämpö ja virtaus kohtaavat.

Nestejäähdytysjärjestelmä käyttää työnesteenä deionisoitua vettä, joka ei teoriassa aiheuta oikosulkuja.

 

Piirilevyissä tai elektronisissa komponenteissa on kuitenkin usein pölyhiukkasia, ja kun deionisoitu vesi joutuu kosketuksiin piirilevyn kanssa, se voi aiheuttaa oikosulun. Tämä on yksi suurimmista esteistä ja huolenaiheista nestejäähdytyksen toteutuksessa. Kylmälevyn vuotoongelman ratkaisemiseksi käytetään toimenpiteitä, kuten laadunvalvontaa, mikrovuotojen seurantaa ja äkillisten suurten vuotojen estämistä.

 

Laadunvalvonta on jaettu tuotanto- ja asennusvaiheisiin. Tuotantovaiheessa prosessin luotettavuus varmistetaan, 100 % kylmälevyistä tehdään painetestauksilla ja satunnaisnäytteenotossa ja vikojen havaitsemisessa käytetään ultraääntä. Pikaliittimet on validoitava tehokkaan asennuksen ja pitkän aikavälin luotettavuuden varmistamiseksi. Asennusvaiheessa toisioputkisto on huuhdeltava puhtaaksi ennen asennusta, jotta epäpuhtaudet eivät aiheuta tukoksia pikaliittimiin, jousitukoksia tai kumirengasvaurioita, mikä estää vuodot käytön aikana. Edellä mainituilla toimenpiteillä pyritään estämään vuodot mahdollisimman hyvin.

 

 

Jos kylmälevyyn kehittyy mikrovuoto, sen on oltava havaittavissa ja laukaistava hälytys, jotta huoltohenkilöstö saa korjauksen viipymättä. Havaitsemismenetelmiä on kaksi: toinen käyttää vesiuppoanturia, joka on asennettu tippakaukaloon. Tippa-altaan päätehtävä on helpottaa vuotojen havaitsemista ja estää nesteen vuotamista telineen ulkopuolelle, mikä vähentää vikojen leviämistä.

 

Vaikka vesiupotusanturin tunnistus on kypsää ja luotettavaa, se vaatii vuotavan nesteen kerääntyvän tippakaukaloon virtauksen jälkeen laitteistolevyä ja telineliittimiä pitkin, jolloin vuotaneen nesteen kokonaismäärä voi olla huomattava ja se voi olla jo vahingoittanut levyä. ja komponentit virtauksen aikana.

 

Toinen tapa on reaaliaikainen seuranta. Työnesteeseen sekoitetaan matalan kiehumispisteen merkkiainetta ja vuodon sattuessa levyyn rakennettu kaasuanturi havaitsee sen. Laajamittainen äkilliset vuodot ovat harvinaisia, mutta erittäin vaikuttavia. Tällaisten tapausten estämiseksi telineeseen asennetaan takaiskuventtiilit jakotukin sisään- ja ulostuloon. Nämä takaiskuventtiilit sulkeutuvat automaattisesti, kun havaitaan merkittävä paine-ero.

 

3. Huonetason nestejäähdytyssuunnittelu

Huonetason jäähdytys on suunniteltu siirtämään telineistä otettu lämpö ulos. Huonetason nestejäähdytysratkaisu sisältää nestejäähdytteisen modulaarisen datahuoneen, jäähdyttimet, vesipumput, jäähdytystornit, putkistot ja paljon muuta, kuten kuvassa 4.

 

▲ Kuva 4: Huonetason nestejäähdytyksen kokoonpano

 

Nestejäähdytteisessä modulaarisessa datahuoneessa on tyypillisesti kaksi nestejäähdytyksen varajakeluyksikköä (CDU), 10-20 IT-telineet, 1-2 rivitason ilmastointilaitteet ja virtalähdelaitteet, kuten kuvassa 4 näkyy.

 

Nestejäähdytyksen jakeluyksikkö (CDU) vastaa työnesteen jakamisesta IT-nestejäähdytteisten telineiden kesken ja tarjoaa toisiopuolen virtauksen jakautumisen, paineenhallinnan, fyysisen eristyksen ja kondensaation estotoiminnot. Varsinaisen toiminnan aikana CDU toimittaa tietyn virtauksen ja lämpötilan jäähdytysvettä IT-nestejäähdytteisille telineille, joka tulee nestejäähdytteisille kylmälevyille jakoputken kautta, poistaa prosessorien ja avainkomponenttien tuottaman lämmön ja palauttaa lämmitetyn jäähdytyksen. vettä CDU:n lämmönvaihtoyksikköön. Lämpö vapautuu sitten ulkona olevaan paluuvesiputkeen, ja tämä osa lämmöstä johdetaan ulkoympäristöön jäähdyttimien tai kuivajäähdyttimien kautta, jolloin nestejäähdytteisten palvelimien lämmönhallintaprosessi on valmis.

 

CDU säätelee nestejäähdytteisille kylmälevyille tulevan jäähdytysnesteen lämpötilaa ja virtausta, mikä jäähdyttää IT-telineitä ja jakaa jäähdytystehoa. Sisäisellä lämmönvaihdinyksiköllä on myös rooli nesteensyöttöpiirin eristämisessä modulaarisen datahuoneen ja ulkoympäristön välillä. Kriittisestä roolistaan ​​johtuen CDU käyttää yleensä 1+1 redundanssikokoonpanoa. CDU ohjaa nestemäisen jäähdytysnesteen virtausta havaitsemalla tulo- ja poistoveden lämpötilat ja syöttöpaineet sekä säätämällä tulovesipumpun nopeutta.

 

 

Tällä hetkellä useimmat CDU-ohjausjärjestelmät eivät ole yhteydessä telineiden lämpötila-antureihin, mikä johtaa suhteellisen karkeaan säätöön. Tämän ongelman ratkaisemiseksi jotkin sovellukset ovat korvanneet keskitetyt CDU:t hajautetuilla CDU:illa, jotka on integroitu telineisiin. Tällä tavalla CDU-virtauksen säädöt perustuvat kokonaan telineen toimintatilaan ja virrankulutuksen vaihteluihin. Keskitetyt CDU:t sopivat skenaarioihin, joissa on suuri määrä nestejäähdytteisiä telineitä, jotka voidaan yhdistää modulaariseen datahuoneeseen, kun taas hajautetut CDU:t sopivat paremmin tilanteisiin, joissa on vain 2-3 nestejäähdytteisiä telineitä, mikä helpottaa käyttöönottoa.

 

 

III Johtopäätös

 

Dual-carbon-tavoitteiden ohjauksessa palvelinkeskuksilla on kaksi tehtävää: toisaalta ne tarjoavat intensiivisen ja skaalatun toiminnan kautta riittävästi laskentatehoa digitaalitalouteen. Suuritiheyksisten telineiden ja suuritehoisten sirujen laaja käyttö, joka perustuu konesalin laskentatehon tehokkuuteen, on aiheuttanut perinteisen ilmajäähdytyksen pullonkauloja. Toisaalta hyödyntämällä tehokkaita lämmönvaihtimia, nestejäähdytystä ja kuivajäähdyttimien luonnollista jäähdytystä konesalit voivat vähentää omaa energiankulutustaan.

 

Nestejäähdytyksen käyttöönoton jälkeen jäähdytystehokkuus paranee merkittävästi, ja jäähdytysjärjestelmien energiankulutus pienenee 37 prosentista noin 10 prosenttiin, mikä johtaa merkittäviin energiansäästöihin ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen. Jos 50 % hiljattain rakennetuista palvelinkeskuksista valtakunnallisesti ottaa käyttöön nestejäähdytyksen, voidaan säästää 45 miljardia kWh sähköä vuodessa ja 3 miljoonaa tonnia hiilidioksidia.₂ päästöjä voidaan vähentää.