Utvikling og diskusjon av Liquid-Cooling Data Center Engineering Technology

 

Siden den spesifikke varmekapasiteten til væske per volumenhet er omtrent 1,000 ganger den for luft, har væskekjøling (varmespredning) langt større kjølekapasitet enn konvensjonell luftkjøling. Det er en effektiv løsning for å spre varme generert av ultrahøy varmeflukstetthet. I 1964, for å møte overoppheting og nedetid for store stormaskiner, utviklet IBM verdens første vannkjølte datamaskin, System360, banebrytende væskekjølte datamaskiner. Nylig, drevet av nasjonale og lokale retningslinjer for energieffektivitet, har væskekjølingsteknologi igjen fått bred oppmerksomhet i datasenterindustrien, noe som har ført til utviklingen av en serie væskekjølte datasenterteknologier.

 

 

I Implementeringsmetoder for flytende kjøling

 

I vid forstand refererer væskekjøling til alle teknologier knyttet til væskekjøling. Bransjen er kjent med metoder som å installere kaldtvannsspiraler på bakpanelene til stativer, som regnes som væskekjøling, og faller inn under det brede begrepet væskekjøling. China Institute of Electronics (CIE), under utviklingen av en serie væskekjølte datasenterdesignstandarder, klargjorde konseptet med væskekjøling gjennom bransjediskusjoner. I henhold til deres definisjon refererer væskekjøling spesifikt til direkte fjerning av varme generert av elektroniske brikker ved bruk av væsker, så den smale definisjonen av væskekjøling refererer bare til kjøleprosessen inne i serveren.

 

Fra perspektivet til den snevre definisjonen av væskekjøling, kan den klassifiseres i to hovedkategorier: direkte kontakt av kjølevæsken med den elektroniske brikken eller indirekte kontakt via et fast materiale med høy termisk ledningsevne. Disse kan deretter deles inn ytterligere basert på kontaktform, type kjølevæske, og om kjølevæsken gjennomgår en faseendring. Væskekjølingsmetoder anses generelt å falle inn i åtte kategorier (se tabell 1).

 

▲ Tabell 1: Klassifisering av implementering av væskekjøling

 

 

II Etterspørsel etter væskekjøling i datasenterscenarier

 

I likhet med konvensjonelle luftkjølte systemer som vanligvis brukes i datasentre, er væskekjølingens rolle å fjerne varmen som genereres av IT-utstyr som servere og annet utstyr (f.eks. UPS-batterier) for å opprettholde et relativt stabilt miljø med passende temperatur og fuktighet i datasenteret.

 

For det første er behov for varmeavledning kjernedrivkraften bak utviklingen av væskekjølingsteknologi. Ettersom etterspørselen etter databehandlingsevner vokser raskt, vil integrasjonen av elektroniske brikker sannsynligvis fortsette å vokse eksponentielt i fremtiden. Dette vil føre til økende effekttetthet og varmeflukstetthet. Behovet for raskere dataoverføringshastigheter og økt brukervennlighet vil drive høyere integrering av utstyr, som igjen vil føre til større varmespredningskrav for IT-utstyr som servere. Dette vil også øke miljøkravene til drift. Som et resultat vil luftkjøling kreve vifter med høyere hastighet og større diameter og større varmeavledningskanaler, noe som resulterer i betydelig støy, større miljøpåvirkning på varme og økte konstruksjons- og driftskostnader. Væskekjøling gir et bedre forhold mellom kostnad og ytelse.

 

For det andre er retningslinjer for energieffektivitet som driver bruken av væskekjølingsteknologi. En annen viktig grunn til at datasenterindustrien fokuserer på væskekjøling, er på grunn av nasjonale og lokale retningslinjer for energieffektivisering. De nasjonale og lokale kravene til datasenterets strømforbrukseffektivitet (PUE) blir strengere, og bringer væskekjøling inn i søkelyset til datasenterindustrien. Den siste nasjonale standarden, Data Center Energy Efficiency Limit Values ​​and Energy Efficiency Grades (GB 40879-2021), krever at energiforbruket er under 1,3, noe som er vanskelig å oppnå ved bruk av luftkjøling alene i de fleste deler av landet, noe som nødvendiggjør bruk av væskekjølingsteknologi.

 

For det tredje kan bekvemmeligheten med gjenvinning av spillvarme føre til bruk av væskekjøling i datasentre. Datasentre bygget ved hjelp av flytende kjøleløsninger har relativt høyere kvalitet på spillvarme og er lettere å gjenvinne. Gjenvinningsprosjekter for spillvarme i væskekjølte datasentre er en effektiv måte å oppnå omfattende energiutnyttelse og forbedre energieffektiviteten. Noen forskere har allerede foreslått ideen om å bygge store datasentre som varmekilder for byer eller industriparker.

 

 

III Utvikling av væskekjølt datasenterteknologi

 

Prosessen med å fjerne varmen som genereres av elektroniske brikker gjennom væskekjøling er bare begynnelsen på kjøleprosessen i et datasenter. Kontinuerlig varmegenerering fra elektroniske brikker krever vedvarende, stabil og pålitelig drift av datasenterteknologi for væskekjøling for å opprettholde brikkekjøling.

 

Prinsippene og praksisen for væskekjøling skiller seg fra luftkjøling. Spesielt viser konseptene varmespredning og kjøling subtile forskjeller: starter fra over romtemperatur eller under romtemperatur. For å bedre organisere det væskekjølte datasenterets tekniske rammeverk, blir elektroniske brikker sett på som kilden, med mål om å overføre varmen som genereres av brikkene til utenfor datasenteret, og sikre stabil drift av IT-utstyr. Dermed er væskekjølt datasenterteknologi delt inn i primære og sekundære kjøleprosesser. Dette konseptet skiller seg fra primær- og sekundærsiden av konvensjonell datasenterluftkjøling.

 

Den primære kjøleprosessen til væskekjølt datasenterteknologi kjøler ned komponenter med høy varmeflukstetthet i elektronisk IT-utstyr og overfører den genererte varmen utenfor stativet. Det blir også referert til som primær kjøling (varmespredning), initial kjøling, intern kjøling eller intern sirkulasjonskjøling. Den primære kjøleprosessen er strengt tatt en væskekjølingsprosess, og involverer typisk en lukket sløyfe av væskekjøleutstyr eller komponenter ved brikkeenden, en kjølefordelingsenhet (CDU), kjølevæskedispensere og rørledninger. Kjølefordelingsenheten (CDU) inneholder pumper og varmevekslere, som gir sirkulasjonskraften til kjølevæsken. En typisk primær kjøleprosess involverer sirkulering av en viss temperatur og strøm av kjølevæske fra CDU til væskekjøleutstyret eller komponentene ved brikkeenden. Kjølevæsken utveksler varme med brikkene gjennom direkte kontakt eller indirekte kontakt via materialer med høy varmeledningsevne som metaller. Den oppvarmede høytemperaturkjølevæsken eller kjølevæskedampen strømmer deretter tilbake til CDU via rørledningene, hvor den utveksler varme med den sekundære kjølevæsken. Etter avkjøling blir lavtemperaturkjølevæsken drevet tilbake til væskekjøleutstyret eller komponentene ved brikkeenden av CDU, og fullfører en hel syklus. Vanlige kjølevæsker som brukes i den primære kjøleprosessen inkluderer etylenglykolløsninger, propylenglykolløsninger, avionisert vann, etc., og noen løsninger bruker fluorholdige væsker, selv om de fysiske kravene til kjølevæsker varierer betydelig mellom forskjellige flytende kjøleløsninger.

 

En kjølefordelingsenhet (CDU) er et ofte brukt utstyr. En typisk CDU-arkitektur er vist i figur 1. I tillegg til å gi sirkulasjonskraft og varmeveksling for kjølevæsken i den primære kjøleprosessen, tjener dette utstyret også rollen som å distribuere kjølekraft (ikke bare kjølevæskestrøm). Derfor har den vanligvis følgende funksjoner:

 

1) Temperatur- og strømningskontroll: Dynamisk overvåking av kjølevæsketemperatur og strømning i primærkjøleprosessen via temperatur- og strømningssensorer. Basert på innebygde modeller, justerer CDU dynamisk kjølevæskens temperatur, strømning eller tilførselstrykk for å gi tilstrekkelig kjølekapasitet samtidig som man unngår kondens i den primære kjølesløyfen.

2) Sikre fysisk adskillelse mellom primærkjølevæske og sekundærkjølevæske.

3) Online- eller bypass-filtrering av kjølevæsken.

4) Støtte nettverksadministrasjon.

 

▲ Figur 1: En typisk CDU-arkitektur (Cooling Distribution Unit).

 

Den sekundære kjøleprosessen til væskekjølt datasenterteknologi overfører varmen som fjernes av den primære kjøleprosessen utenfor datasenteret, også kjent som sekundærkjøling, ekstern kjøling, ekstern sirkulasjonskjøling eller varmeavledning. Den sekundære kjølevæsken i denne prosessen kan være luft, kjølevann, vannbaserte løsninger (f.eks. etylenglykolløsninger, glyserinløsninger), eller kjølemidler, samlet referert til som sekundære kjølevæsker. Hvis luft brukes som sekundær kjølevæske, er den sekundære kjøleprosessen beslektet med den konvensjonelle kjøleprosessen inne i et datasenter. Hvis det brukes en vannbasert løsning, sirkulerer den sekundære kjølevæsken i det som kalles en sekundær kjølesløyfe.

 

Varmevekslingen mellom den primære og sekundære kjølesløyfen skjer i CDU. Etter varmeveksling i CDU, går det sekundære kjølevæsken med høy temperatur inn i en kjølekilde eller spillvarmegjenvinningsutstyr, og overfører varmen til miljøet eller muliggjør gjenbruk. Den sekundære kjølevæsken strømmer deretter tilbake til varmeveksleren etter avkjøling, og fullfører en hel syklus. Kjølekilden kan være et kjøletårn, tørrkjøler, kjøler osv. Siden den primære kjøleprosessen tillater at den sekundære kjølevæskens innløpstemperatur når 30 grader eller høyere, kan kjølekilden operere utelukkende på naturlig kjøling, noe som forklarer hvorfor væskekjøling teknologi kan oppnå relativt ideell Power Usage Effectiveness (PUE). Et typisk diagram av væskekjølingsteknologi er vist i figur 2.

 

▲ Figur 2: Teknologidiagram for væskekjøling

 

Noen væskekjølingsteknologier bruker et design som utelukkende er basert på den primære kjøleprosessen, hvor kjølevæsken direkte overfører varme til miljøet. Men i de fleste tilfeller krever dette høye fysiske renhetsstandarder for kjølevæsken, noe som øker kostnadene. Hvis rørledningene er for lange, påvirkes den generelle økonomien til systemet. Derfor er primærkjølingsdesign best egnet for kompakte konfigurasjoner.

 

 

IV Diskusjon om fremtidige utviklingstrender for væskekjølte datasentre

 

Samlet sett er det fortsatt usikkerhet om fremtidig utvikling av væskekjølte datasentre.

 

For det første vil drivkraften for promotering av væskekjølingsteknologi fortsatt primært være basert på kjøling (varmespredning) krav til IT-utstyr. Dette er imidlertid bygget på spådommer om fremtidige trender innen utvikling av elektroniske brikker, samt antakelsen om at kostnadseffektiviteten til væskekjøleteknologi gradvis vil etablere en fordel fremfor luftkjølingsteknologi. Ikke desto mindre er det fortsatt en mulighet for at de høye kostnadene ved væskekjøling kan føre til alternative brikkedesign som reduserer kravene til kjøling og varmespredning.

 

For det andre skiller konstruksjons- og bruksmodellen til væskekjølte datasentre seg betydelig fra konvensjonelle luftkjølte datasentre. Det som karakteriserer væskekjølte datasentre er den høye graden av kobling mellom IT-utstyr og infrastruktur. Når det gjelder tekniske prinsipper og pålitelighetssikring, kan de i hovedsak ikke oppnå samme grad av frakobling som konvensjonelle luftkjølte datasentre. Som et resultat opererer ulike tekniske løsninger og utstyrsleverandører stort sett uavhengig av hverandre. Datasentereiere vil sannsynligvis bli dypt bundet til en spesifikk leverandør av teknologiløsninger. Anvendelsen av væskekjølingsteknologi i datasentre kan sees på som utvikling basert på forstyrrelsen av den opprinnelige kommersielle modellen, konstruksjonsmodellen og industrielle modellen til konvensjonelle luftkjølte datasentre. Tradisjonelle kabinettleasingtjenester er stort sett uanvendelige for væskekjølte datasentre. Dette utgjør en betydelig hindring for videre promotering av væskekjølingsteknologi.

 

For det tredje krever påliteligheten til væskekjølte datasentre fortsatt validering. Selv om nåværende leverandører av væskekjølte datasenterløsninger har foreslått løsninger som forbedret pålitelighetstesting og tillegg av lekkasjedeteksjons- og alarmenheter for kjølevæsken, er bekymringer om potensielle lekkasjer i væskekjølesløyfen i kabinettet, noe som fører til skade på IT-utstyr, fortsatt et tema med utbredt bekymring i bransjen.

 

Løsningen av disse usikkerhetene er dypt avhengig av omfanget av bruken. For å løse dette tilsynelatende uløselige problemet, monopolisering av markedet og kontroll av oppstrøms- og nedstrømsindustrien, som utallige ganger har vist seg å bryte med lovene for økonomisk utvikling, er ikke svaret. Historien har gjentatte ganger vist at de som først kan etablere en industrikjede og økosystem basert på arbeidsdeling og samarbeid har større sannsynlighet for å lykkes i konkurranse. Før man finner en teknisk vei som kobler IT-utstyr fra infrastruktur, vil ikke standardisering være en magisk løsning på frakoblingsproblemet, og det vil heller ikke være et effektivt middel for å begrense eller angripe konkurrenter. Imidlertid kan bruk av standardisering som et verktøy for å stadig fremme frakobling basert på å finne felles grunnlag samtidig bevare forskjeller, effektivt dele erfaringer og fremme separasjon av produksjons- og serviceprosesser for å oppnå spesialisering og foredling, bidra til å redusere de totale applikasjonskostnadene. Kontinuerlig forbedring gjennom applikasjonstesting kan føre til dannelsen av en positiv tilbakemeldingssløyfe som utvider omfanget av væskekjøling, og potensielt kan bli den nødvendige veien for utvikling av væskekjølingsteknologi.

 

 

V Konklusjon

 

Avhengig av faktorer som serverkompatibilitet, type kjølevæske og driftstemperatur for væskekjøling, varierer ingeniørteknologiene for væskekjølte datasentre tilsvarende. For øyeblikket er ingeniørteknologiene under hver teknisk rute fortsatt i ferd med utvikling og ferdigstillelse, og det er ennå ikke en bransjeanerkjent perfekt teknisk rute. Det er heller ikke konsensus om de spesifikke gjeldende delfeltene for hver teknisk rute. Å søke den ultimate sikkerheten vil avhenge av faktorer som økonomien, påliteligheten og vedlikeholdsevnen til væskekjølt datasenterteknologi, samt å finne optimale løsninger gjennom kontinuerlig praktisk anvendelse.