Chłodzenie centrum danych: znaczenie rozpraszania ciepła w obwodzie wtórnym

Centrum danych, materialne centrum naszej ery cyfrowej, jest jak mózg w pracy: przetwarza miliardy informacji w każdej sekundzie, a każde kliknięcie, każdy streaming wideo, każda transakcja online zależy od tej infrastruktury. Za tym wszystkim kryje się kluczowe wyzwanie: w każdej sekundzie wykonywane są miliardy obliczeń, generując ogromną i nieprzerwaną ilość ciepła. Dlatego tak ważne jest wydajne chłodzenie centrów danych.

W różnych czasach opracowano różne rozwiązania do obsługi tego ciepła: systemy chłodzenia powietrzem i systemy wodne, które przenoszą ciepło do płynu przenoszącego ciepło. W tym miejscu pojawia się również chłodzenie obwodu wtórnego centrów danych, w celu rozproszenia ciepła z tego samego płynu za pomocą różnych rozwiązań: wymienników ciepła, wież chłodniczych, chłodnic adiabatycznych, suchych chłodnic i agregatów chłodniczych.

1. Znaczenie wydajnego chłodzenia w centrach danych: przegląd

Centra danych to fizyczne obiekty, w których znajdują się duże serwery, maszyny do przetwarzania danych i sprzęt pomocniczy, działające nieprzerwanie 24 godziny na dobę. Ta ciągła aktywność generuje ogromne ilości ciepła, którym należy skutecznie zarządzać, aby zapewnić ciągłość działania. Dlatego też wydajne chłodzenie centrów danych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia optymalnej wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu wpływu na środowisko.

Zużycie energii związane z chłodzeniem centrów danych jest dość znaczące: według ostatnich szacunków nawet do 40 procent wewnętrznych zasobów energetycznych. Podkreśla to znaczenie opracowywania coraz bardziej wydajnych rozwiązań chłodzących, zarówno pod względem funkcjonalnym, jak i ekonomicznym.

Najbardziej uważne organizacje starają się zoptymalizować koszty i zmniejszyć szkodliwe dla środowiska emisje, koncentrując się na projektowaniu centrów danych w oparciu o rygorystyczne kryteria wydajności, zwracając uwagę zarówno na zrównoważony rozwój środowiskowy, jak i ekonomiczny.

Istnieją różne systemy chłodzenia dla centrów danych, z których każdy ma swoje zalety.

Europejskie regulacje odgrywają ważną rolę w promowaniu bardziej wydajnych systemów chłodzenia.

2. Chłodzenie centrum danych: obieg wtórny

W tym kontekście obieg wtórny centrum danych jest częścią systemu chłodzenia, która przenosi ciepło ze sprzętu IT (serwerów, pamięci masowej, sieci) do płynu przenoszącego ciepło.

Utrzymywanie chłodziwa w optymalnej temperaturze jest kluczowe z kilku powodów.

• Ochrona sprzętu. Nieodpowiednie chłodzenie może uszkodzić serwery, pamięć masową i inne komponenty centrum danych, prowadząc do wysokich kosztów wymiany. Wysokie temperatury mogą w rzeczywistości skrócić żywotność sprzętu IT. Odpowiednie chłodzenie pomaga chronić sprzęt przed przedwczesną awarią, zmniejszając koszty konserwacji i wymiany.
• Efektywność energetyczna. Dobrze zaprojektowany i konserwowany system może znacznie zmniejszyć zużycie energii w centrum danych. Z kolei im mniej energii zużywa się na chłodzenie, tym więcej jest jej dostępne do przetwarzania danych. Zrównoważony rozwój środowiska oznacza zrównoważony rozwój ekonomiczny.
• Dostępność. Niezawodny system chłodzenia zapewnia ciągłość działania wszystkich urządzeń, których przegrzanie może powodować awarie i przerwy w świadczeniu usług.

3. Systemy chłodzenia powietrzem: zalety i ograniczenia

Zanim wymienimy sposoby rozpraszania ciepła z obwodów wtórnych, cofnijmy się o krok i odkryjmy technologię, która jest szeroko stosowana do chłodzenia centrów danych: systemy chłodzenia powietrzem. Urządzenia te wykorzystują powietrze do rozpraszania ciepła generowanego przez sprzęt IT.

Są to proste urządzenia, które często sprawiają, że obwód wtórny staje się zbędny.

Przyjrzyjmy się najpierw dwóm możliwościom w tej dziedzinie: bezpośredniemu chłodzeniu pomieszczenia i chłodzeniu rzędowemu.

3.1 Chłodzenie pomieszczenia

Główny płyn chłodzący: powietrze.

Tryb wtórnego obiegu chłodzenia: nie dotyczy (obieg powietrza).

Opis: Ciepło jest odprowadzane bezpośrednio do otaczającego powietrza przez radiatory, wentylatory i chłodnice suche.

Zastosowania

• Centra danych o umiarkowanym obciążeniu cieplnym.
• Chłodny i suchy klimat, w którym jest wystarczająca ilość powietrza zewnętrznego do chłodzenia.

Zalety

• Niskie koszty instalacji i konserwacji.
• Brak zużycia wody.

Wady

• Ograniczona wydajność w gorącym klimacie.
• Wrażliwość na zmiany środowiskowe.

Podejście to polega na wykorzystaniu klimatyzatorów komputerowych (CRAC) do chłodzenia całego pomieszczenia.

Do oceny:

1. efektywność energetyczna tego rozwiązania,
2. mieszanie się ciepłego i zimnego powietrza,
3. możliwe powstawanie gorących punktów.

Aby zoptymalizować wydajność chłodzenia pomieszczenia, konieczne jest przestrzeganie wytycznych ASHRAE TC 9.9, które zawierają zalecenia dotyczące dopuszczalnych temperatur i wilgotności dla centrów danych. Ponadto zastosowanie paneli żaluzjowych może zapobiec mieszaniu się gorącego powietrza z zimnym, poprawiając ogólną wydajność systemu.

3.2. Chłodzenie rzędowe

Chłodzenie rzędowe stanowi ewolucję w stosunku do tradycyjnego chłodzenia pomieszczeń. Podejście to polega na instalowaniu jednostek chłodzących bezpośrednio w rzędach szaf serwerowych (tj. fizycznej, podobnej do szafy strukturze zaprojektowanej do przechowywania i organizowania urządzeń sprzętowych), przybliżając źródło chłodzenia do generującego ciepło sprzętu IT.

Zalety chłodzenia rzędowego obejmują

• Zwiększona wydajność: Klimatyzatory rzędowe podążają krótkimi, liniowymi ścieżkami, zmniejszając moc wymaganą do napędzania wentylatorów i zwiększając efektywność energetyczną.
• Elastyczność: chłodzenie można dostosować do konkretnych potrzeb określonych rzędów lub obszarów centrum danych.
• Zarządzanie gorącymi punktami: chłodzenie rzędowe jest bardziej efektywne w obsłudze obszarów o wysokiej gęstości ciepła, zmniejszając ryzyko przegrzania sprzętu.

Aspekty do przeanalizowania

• Koszty początkowe: wdrożenie rzędowego systemu chłodzenia może wymagać wyższych inwestycji początkowych niż tradycyjne chłodzenie pomieszczeń.
• Przestrzeń: rzędowe jednostki chłodzące zajmują miejsce w rzędach szaf, a zatem mogą zmniejszać przestrzeń dostępną dla sprzętu IT.

4. Chłodzenie cieczą

Chłodzenie cieczą to rozwiązanie do chłodzenia głównego obwodu centrów danych.

Technologia ta wykorzystuje doskonałe właściwości cieczy do rozpraszania ciepła bardziej efektywnie niż inne systemy chłodzenia.

Jest to również interesujące ze względu na zwiększoną gęstość mocy i wydajność wymaganą przez sztuczną inteligencję, superkomputery i inne aplikacje obliczeniowe o wysokiej wydajności.

4.1. Bezpośrednie chłodzenie cieczą

Główny płyn chłodzący: woda lub woda + glikol

Tryb chłodzenia obiegu wtórnego:

• Wieże wyparne,
• Chłodnica sucha,
• Chiller.

Opis

Ciecz przepływa bezpośrednio przez komponenty elektroniczne (np. CPU, GPU) za pośrednictwem wymienników ciepła lub dedykowanego orurowania.

Zastosowania

• Centra danych z wysokowydajnym sprzętem.
• Rozwiązania hybrydowe z chłodzeniem powietrzem dla komponentów drugorzędnych.

Zalety

• Ukierunkowane chłodzenie krytycznych komponentów.
• Wyższa wydajność energetyczna niż w przypadku chłodzenia powietrzem.

Wady

• Ryzyko wycieku wody.
• Większa złożoność konserwacji.

Bezpośrednie chłodzenie cieczą, znane również jako chłodzenie bezpośrednio na chipie, polega na wykorzystaniu płyt chłodzących umieszczonych bezpośrednio na komponentach generujących najwięcej ciepła, takich jak procesory CPU i GPU.

Według niektórych szacunków, metoda ta może rozproszyć do 70-75% ciepła wytwarzanego przez sprzęt w szafie. Chłodziwo, którym może być woda lub specjalny płyn, krąży przez te płyty, pochłaniając ciepło i transportując je do zewnętrznego wymiennika ciepła.

Jedną z głównych zalet tej technologii jest jej zdolność do obsługi bardzo dużych gęstości mocy, wspierając procesory i układy GPU o wysokich wymaganiach termicznych. Znacząco zwiększa to gęstość obliczeniową centrów danych, umożliwiając umieszczenie większej liczby serwerów na mniejszej przestrzeni bez ryzyka przegrzania.

Przyjrzyjmy się teraz dwóm głównym formom chłodzenia cieczą (i trybom chłodzenia obwodów wtórnych): chłodzeniu zanurzeniowemu i pośredniemu chłodzeniu cieczą.

4.2. Chłodzenie zanurzeniowe

Główny płyn chłodzący: „płyn dielektryczny

Tryb chłodzenia obwodu wtórnego:

• Płytowe wymienniki ciepła,
• Obwody wtórne z wodą lub wodą + glikolem chłodzone przez wieże wyparne, suche chłodnice lub agregaty chłodnicze.

Opis

Elementy elektroniczne są zanurzone w „płynie dielektrycznym”, który pochłania ciepło i przekazuje je do obwodu wtórnego.

Zastosowania

• Centra danych o dużej gęstości obliczeniowej.
• Krytyczne zastosowania, takie jak obliczenia naukowe lub sztuczna inteligencja.

Zalety

• Maksymalna wydajność termiczna.
• Zmniejszony hałas i zużycie energii dzięki wentylacji.
• Zaawansowana ochrona przed kurzem i wilgocią.

Wady

• Wysoki koszt początkowy.
• Wymaga monitorowania płynu w celu utrzymania właściwości dielektrycznych.

W chłodzeniu zanurzeniowym serwery i inne komponenty elektroniczne są całkowicie zanurzone w przewodzącym ciepło płynie dielektrycznym. Rozwiązanie to eliminuje potrzebę stosowania systemów wentylacyjnych, znacznie zmniejszając hałas i koszty konserwacji.

Istnieją dwa główne warianty chłodzenia zanurzeniowego:

• Jednofazowe: chłodziwo jest stale cyrkulowane i chłodzone w celu rozproszenia ciepła.
• Dwufazowe: używana jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia. Ciepło odparowuje ciecz, która następnie skrapla się i wraca do systemu.

Chłodzenie zanurzeniowe ma wiele zalet. Niektóre z nich to: doskonała wydajność cieplna i zdolność do obsługi ekstremalnie wysokich obciążeń cieplnych. Ponadto technologia ta może prowadzić do znacznych oszczędności energii poprzez zmniejszenie zużycia energii i wody w porównaniu z konwencjonalnymi systemami chłodzenia powietrzem.

Pomimo swoich zalet, chłodzenie cieczą wiąże się również z pewnymi wyzwaniami. Początkowe koszty wdrożenia mogą być wysokie, zwłaszcza w przypadku istniejących centrów danych, które wymagają znacznych zmian w infrastrukturze. Ponadto zarządzanie cieczami w centrum danych wymaga specjalistycznej wiedzy i odpowiednich środków bezpieczeństwa, aby zapobiec utracie i uszkodzeniu sprzętu.

Jednak długoterminowe korzyści w zakresie efektywności energetycznej, gęstości obliczeniowej i zrównoważonego rozwoju skłaniają coraz więcej operatorów centrów danych do poważnego rozważenia zastosowania technologii chłodzenia cieczą. Duże firmy technologiczne, takie jak Google, Microsoft i Facebook, już testują i wdrażają te rozwiązania w swoich centrach danych, demonstrując potencjał tej technologii dla przyszłości branży.

Podsumowując, chłodzenie cieczą w ogóle, a w szczególności chłodzenie zanurzeniowe, staje się obiecującym rozwiązaniem pozwalającym sprostać rosnącym wyzwaniom termicznym i energetycznym nowoczesnych centrów danych. Wraz z ciągłym wzrostem zapotrzebowania na moc obliczeniową i rosnącym naciskiem na zrównoważony rozwój, jest prawdopodobne, że technologia ta odegra lwią część w przyszłości chłodzenia centrów danych.

4.3. Pośrednie chłodzenie cieczą

Główny płyn chłodzący: woda lub woda + glikol

Tryb chłodzenia obiegu wtórnego

• Wieże wyparne,
• Chłodnica sucha,
• Agregat chłodniczy.

Opis. Ciepło jest przenoszone z podzespołów elektronicznych do głównego chłodziwa za pośrednictwem wymienników ciepła.

Zastosowania

• Średnie i duże centra danych.
• Obszary o ograniczonej dostępności wody.

Zalety

• Większa elastyczność w stosowaniu płynów wtórnych.
• Możliwość stosowania zamkniętych obiegów w celu zmniejszenia zużycia wody.

Wady

• Niższa wydajność niż w przypadku bezpośredniego chłodzenia cieczą.
• Wyższe koszty operacyjne w gorących środowiskach.

Pośrednie chłodzenie cieczą w centrach danych to rozwiązanie wykorzystujące ciecz, zwykle wodę lub mieszankę wody i glikolu, do rozpraszania ciepła generowanego przez serwery. W przeciwieństwie do chłodzenia bezpośredniego, w którym ciecz wchodzi w kontakt z komponentami IT, w systemie pośrednim ciepło jest przenoszone przez wymiennik ciepła. Dzięki takiemu podejściu urządzenia są odizolowane od cieczy, co zmniejsza ryzyko ich przypadkowego uszkodzenia.

System ten oferuje kilka zalet, w tym wysoką wydajność energetyczną. Oddzielenie cieczy od komponentów IT zapewnia większe bezpieczeństwo i zmniejsza hałas podczas pracy. Jednak pośrednie chłodzenie cieczą ma również pewne krytyczne problemy. Kilka przykładów: wysokie koszty początkowe, bardziej złożona konserwacja i wymagania dotyczące przestrzeni dla instalacji zewnętrznych. Co więcej, w gorącym klimacie wydajność może być zmniejszona, zwiększając zależność od agregatów chłodniczych.

Pośrednie chłodzenie cieczą jest zatem wszechstronnym i niezawodnym wyborem dla nowoczesnych centrów danych, idealnym do zastosowań o dużej gęstości oraz w kontekstach, w których wymagana jest wydajność i bezpieczeństwo, pod warunkiem, że obszar instalacji nie jest mały.

5. Wnioski

Wybór optymalnego systemu chłodzenia dla centrum danych to złożony proces, który wymaga starannej oceny wielu czynników i zaangażowania wyspecjalizowanych firm: dotyczy to chłodzenia obiegu pierwotnego (powietrze, woda bezpośrednia, woda pośrednia) i obiegu wtórnego (wieże wyparne, chłodnice adiabatyczne, dry coolery, chillery).

Podobnie jak w każdym innym obszarze chłodzenia procesowego i klimatyzacji cywilnej, aby podjąć świadomą decyzję, należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych aspektów, które wpływają na wydajność i efektywność chłodzenia.