В настоящее время технология иммерсионного жидкостного охлаждения постепенно становится горячей темой в сфере центров обработки данных и высокопроизводительных вычислений. Он отличается от традиционного метода воздушного охлаждения. Электронное оборудование, такое как серверы, полностью погружено в изолирующую охлаждающую жидкость, и тепло напрямую отводится благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности жидкости. Эта технология не является новой концепцией, но поскольку энергопотребление чипов продолжает расти, а требования к энергоэффективности становятся более строгими, ее коммерческое применение ускоряется. В этой статье мы подробно рассмотрим это передовое решение для охлаждения со многих точек зрения, таких как принципы, преимущества, проблемы и области применения.
Что такое иммерсионное жидкостное охлаждение?
Иммерсионное жидкостное охлаждение — это метод охлаждения, при котором тепловыделяющие электронные компоненты непосредственно погружаются в высокоизолирующую, маловязкую и химически стабильную (диэлектрическую жидкость). Его суть заключается в удалении воздуха, среды с большим термическим сопротивлением, и достижении контакта на нулевом расстоянии между нагревательным элементом и охлаждающей средой. Обычные охлаждающие жидкости включают минеральное масло, синтетические углеводороды или фторированные жидкости. Эти охлаждающие жидкости не проводят ток и не вызывают коррозии оборудования и могут обеспечить безопасную работу электронного оборудования в жидкостях.
Этот метод обычно разделяют на однофазное погружение и двухфазное погружение. При однофазном погружении теплоноситель всегда находится в жидком состоянии, а для обеспечения отвода тепла используется конвекция жидкости или дополнительный насос, приводящий в движение циркуляцию. Двухфазное погружение предполагает кипение и испарение охлаждающей жидкости на поверхности оборудования, поглощая большое количество скрытого тепла. Пар поднимается в конденсатор и конденсируется обратно в жидкость, завершая цикл. Оба могут достичь чрезвычайно высокой эффективности теплопередачи. Однако существуют различия в сложности и стоимости системы.
Как работает иммерсионное жидкостное охлаждение
При фактическом развертывании серверы или другие вычислительные узлы устанавливаются вертикально или горизонтально в герметичный резервуар или герметичный шкаф, а резервуар заполняется охлаждающей жидкостью. Тепло, выделяемое при работе оборудования, напрямую передается окружающей жидкости. В однофазной системе нагретая жидкость протекает через внешний теплообменник с помощью естественной конвекции или привода насоса и передает тепло системе водяного охлаждения на вторичной стороне или наружному воздуху. Охлажденная жидкость возвращается в резервуар.
В двухфазной системе охлаждающая жидкость с низкой температурой кипения кипит на поверхности источника тепла, например стружки, образуя тем самым пузырьки и отбирая большое количество тепла. Пар поднимается к группе трубок конденсатора в верхней части резервуара. Достигнув этого места, он охлаждается холодной водой в трубке, затем снова завершает сжижение и затем стекает обратно в резервуар с жидкостью. Этот процесс не требует механического насоса для обеспечения циркуляции жидкости и может быть достигнут за счет скрытого тепла процесса фазового перехода и гравитационного возврата. В теории энергоэффективность будет выше, но требования к свойствам теплоносителя и герметизации системы крайне жесткие.
Каковы преимущества иммерсионного жидкостного охлаждения?
Самым значительным преимуществом является чрезвычайно высокая эффективность рассеивания тепла. Теплопроводность жидкости значительно выше, чем у воздуха, а ее удельная теплоемкость также значительно выше, чем у воздуха. Он может поддерживать температуру чипа на уровне, намного более низком, чем тот, который позволяет воздушное охлаждение, что создает возможность разгона чипа или поддержания более высокой устойчивой производительности. В то же время, поскольку это охлаждение с прямым контактом, вентиляторы и ребра радиатора устраняются, а шум системы можно снизить до почти неслышимого уровня, что очень подходит для сред развертывания на периферии с требованиями к бесшумности.
С точки зрения энергопотребления, он практически исключает потребление энергии вентиляторами и снижает энергопотребление перекачки охлаждающей жидкости до очень низкого уровня. Значение PUE (эффективность использования энергии) может легко достигать 1,05 или даже ниже, что означает огромную экономию на счетах за электроэнергию для крупных центров обработки данных. Кроме того, оборудование полностью изолировано от кислорода и влаги, что позволяет избежать таких проблем, как окисление, накопление пыли и конденсация. Теоретически это может значительно продлить срок службы компонентов и повысить надежность системы.
Каковы проблемы иммерсионного жидкостного охлаждения?
Первоначальная проблема заключается в том, что первоначальные инвестиционные затраты очень высоки. Специально используемые погружные баки, большое количество охлаждающих жидкостей, особенно фторсодержащих жидкостей, которые очень дороги, соответствующие конструкции серверов, а также возможные модификации компьютерных залов — все это создает относительно высокие барьеры для раннего входа. Также необходимо оценить стабильность охлаждающей жидкости в течение длительного периода использования, ее совместимость с другим оборудованием и возможность небольших утечек. Замена или пополнение охлаждающей жидкости также является дорогостоящей и эксплуатационной проблемой.
Модель эксплуатации и обслуживания полностью отличается от модели традиционных компьютерных залов. Технические специалисты не могут напрямую осуществлять «горячую замену» компонентов, погруженных в жидкость. В общем, часто приходится поднимать весь узел или модуль. Затем проводится операция слива, а затем необходимо провести работы по очистке, прежде чем можно будет выполнить соответствующие операции, что увеличивает время и сложность, необходимые для обслуживания. Кроме того, в отрасли до сих пор отсутствуют единые стандарты проектирования, эксплуатации и обслуживания, а решения, предоставляемые разными поставщиками, очень плохо совместимы, что в определенной степени препятствует масштабной популяризации.
Для каких сценариев подходит погружное жидкостное охлаждение?
Наиболее понятными сценариями применения на данный момент являются кластеры высокопроизводительных вычислений и обучения искусственному интеллекту. В этих сценариях плотность чипов GPU/ASIC и плотность энергопотребления чрезвычайно высоки. Воздушное охлаждение приближается к пределу. Иммерсионное охлаждение — неизбежный выбор для достижения более высокой плотности вычислительной мощности и энергоэффективности. Многие суперкомпьютерные центры и лаборатории искусственного интеллекта крупных технологических компаний взяли на себя инициативу по его внедрению с целью преодолеть узкое место вычислительного масштаба.
Прежде всего, существуют периферийные вычислительные площадки и корпоративные компьютерные залы, которые чрезвычайно энергоэффективны и малошумны, например, такие как периферийные узлы телекоммуникаций, корабельные информационные центры и дизайн-студии. Во-вторых, помимо этого, в сфере добычи цифровых валют также существует немало приложений для снижения счетов за электроэнергию и повышения стабильности вычислительных мощностей. Тогда для тех компаний, которые планируют построить новые крупномасштабные центры обработки данных, погружное жидкостное охлаждение может стать вариантом, заслуживающим тщательной оценки, при условии, что всегда имеется модель затрат.
Как будет развиваться погружное жидкостное охлаждение в будущем?
Одним из аспектов будущих тенденций развития является инновация материалов охлаждающей жидкости. Ключевым моментом является разработка новых диэлектрических жидкостей, которые более безопасны для окружающей среды, имеют более низкий ПГП (потенциал глобального потепления), более экономичны и имеют стабильные характеристики. Постоянно появляются биоразлагаемые синтетические масла или улучшенные фторированные жидкости. Кроме того, еще одним направлением является стандартизация систем, которая охватывает отраслевые спецификации интерфейсов резервуаров, форм серверов, быстрых разъемов и т. д. с целью снижения сложности и затрат на развертывание.
Неизбежность заключается в более глубокой интеграции с ИТ-оборудованием. Компоновка материнской платы будет оптимизирована для иммерсионного охлаждения, как и упаковка чипа. Даже внутренняя структура чипа может быть оптимизирована, например, путем интеграции канала охлаждающей жидкости непосредственно в корпус чипа. По мере развития цепочки поставок и появления эффекта масштаба общая стоимость владения будет продолжать снижаться. Сценарии применения постепенно перейдут от текущей ситуации «спецназа» к более широкому направлению «обычной армии», а затем станут одним из основных вариантов охлаждения центров обработки данных.
При оценке решений по охлаждению нового поколения для центров обработки данных, помимо самой технологии, решающее значение также имеют глобальные цепочки поставок и надежные каналы закупок оборудования. Предоставляйте глобальные услуги по закупкам слабых текущих интеллектуальных продуктов!
Считаете ли вы, что для тех компаний, которые рассматривают возможность внедрения погружного жидкостного охлаждения, самым большим препятствием для принятия решений на данный момент являются высокие первоначальные затраты или неопределенность относительно новой модели эксплуатации и обслуживания? Добро пожаловать, чтобы поделиться своим личным мнением в области комментариев. Если вы считаете, что эта статья полезна, пожалуйста, поставьте ей лайк и поделитесь ею с другими коллегами.
Добавить комментарий