Время публикации: 2023-07-25 Происхождение: Работает
С быстрым развитием ресурсоемких приложений, таких как искусственный интеллект, Интернет вещей, криптовалюта, AR/VR и т. д., растущий спрос на компьютеры заставляет центры обработки данных постепенно развиваться в сторону «высокой производительности, высокой плотности и высокого энергопотребления». Энергопотребление центра обработки данных примерно состоит из коммуникационного и сетевого оборудования, системы электропитания и распределения, освещения и вспомогательного оборудования, а также системы охлаждения. Энергопотребление охлаждающей части составляет около 40% от общего энергопотребления дата-центра. Повышение эффективности систем охлаждения центров обработки данных и снижение энергопотребления имеют решающее значение для достижения цели «двойного углерода».
Распространенные методы жидкостного охлаждения включают холодную пластину, распыление и погружение. Среди них иммерсионное жидкостное охлаждение имеет самую высокую эффективность теплопередачи и позволяет избежать локальных горячих точек. В настоящее время это наиболее вероятное техническое средство для решения различных проблем, с которыми сталкиваются системы охлаждения в высокопроизводительных вычислительных средах.
Преимущества технологии погружного жидкостного охлаждения, которая является движущей силой развития новых центров обработки данных следующего поколения, в основном отражаются в следующих аспектах.
При иммерсионном жидкостном охлаждении в качестве теплоносителя используется охлаждающая жидкость. Жидкости обладают более высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью, поэтому они быстрее проводят тепло и более эффективно поглощают тепло. В то же время центры обработки данных, использующие технологию погружного жидкостного охлаждения, имеют более низкий PUE из-за меньшего использования вентиляторов и кондиционеров.
Иммерсионное жидкостное охлаждение может значительно увеличить плотность серверов на единицу площади центра обработки данных, тем самым улучшая поддержку вычислений с высокой плотностью размещения. Традиционные центры обработки данных используют системы воздушного охлаждения, а плотность мощности, которую можно охлаждать, обычно составляет от 10 до 15 кВт. Иммерсионное жидкостное охлаждение может увеличить мощность одной стойки до 100 кВт или даже более 200 кВт. Таким образом, он может полностью удовлетворить требования к рассеиванию тепла в сценариях вычислений с высокой плотностью размещения.
Погружное жидкостное охлаждение поддерживает нужную температуру ИТ-оборудования. Среда погружения эффективно предотвращает неблагоприятное воздействие влажности (вода в воздухе вызывает коррозию компонентов, а охлаждающая жидкость может защитить оборудование), пыли и т. д. на оборудование. Кроме того, эффективно решаются проблемы шума и вибрации, поскольку серверам и компьютерным залам больше не нужны вентиляторы.
Превосходные характеристики рассеивания тепла за счет погружного жидкостного охлаждения позволяют размещать серверы близко друг к другу, не разделяя их. При этом нет необходимости настраивать вентиляторы, а также нет необходимости в кондиционерах и холодильных установках в машинном помещении. Нет необходимости устанавливать герметизирующие устройства для горячих и холодных коридоров и фальшполы, поэтому погружное жидкостное охлаждение занимает больше места, чем традиционные решения для охлаждения.
Огромное потребление воды не только увеличивает эксплуатационные расходы, но и сталкивается с давлением со стороны регулирующих органов в регионах с ограниченным потреблением воды. Традиционная технология воздушного охлаждения обычно требует использования большого количества воды для испарительного охлаждения. Охлаждающая жидкость технологии иммерсионного жидкостного охлаждения может работать при более высоких температурах (до 45°C). Даже в более жарком климате естественное охлаждение можно эффективно использовать, снижая потребность в активном отводе тепла и, следовательно, экономя воду.
Погружное жидкостное охлаждение погружает ИТ-оборудование непосредственно в охлаждающую жидкость, при этом охлаждающая жидкость поглощает тепло, выделяемое оборудованием. В зависимости от того, претерпевает ли охлаждающая жидкость фазовое изменение в процессе циркуляционного рассеивания тепла, ее можно разделить на однофазное погружное жидкостное охлаждение и двухфазное погружное жидкостное охлаждение.
Охлаждающая жидкость однофазного погружного жидкостного охлаждения обычно имеет относительно высокую температуру кипения. После того, как охлаждающая жидкость поглотит тепло, фазового перехода не произойдет, и она всегда останется в жидком состоянии. Он циркулирует охлаждающую жидкость посредством естественной конвекции или с помощью насоса. Процесс циркуляционного отвода тепла, вызванный естественной конвекцией, использует особенность, заключающуюся в том, что плотность объемного расширения жидкости уменьшается после нагрева. Более горячая охлаждающая жидкость естественным образом всплывает вверх и охлаждается теплообменником, подключенным к внешнему контуру охлаждения. Охлажденная жидкость естественным образом опускается под действием силы тяжести, завершая циркуляцию и рассеивание тепла.
По сравнению с естественной конвекцией использование насоса для подачи циркулирующей охлаждающей жидкости может более эффективно улучшить охлаждающую способность. Устройство, состоящее из насоса, теплообменника, датчика и фильтра, называется блоком распределения охлаждающей жидкости (CDU, Coolant Distribution Unit). Температуру и расход теплоносителя можно более точно контролировать с помощью CDU. Охлаждающая охлаждающая жидкость прокачивается через нагревательный элемент, отводя тепло. Нагретый теплоноситель поступает в теплообменник, где охлаждается под приводом насоса, а затем продолжает циркулировать под действием насоса. В теплообменнике в качестве охлаждающей среды обычно используется вода, а тепло окончательно отводится через систему циркуляционной охлаждающей воды.
Принцип работы однофазного погружного жидкостного охлаждения показан на рисунке.
Преимущества однофазного иммерсионного жидкостного охлаждения отражены в двух аспектах. Во-первых, охлаждающая жидкость становится все дешевле и дешевле в использовании. Во-вторых, охлаждающая жидкость не имеет фазового перехода. Нет необходимости беспокоиться о рисках для здоровья, связанных с переливом охлаждающей жидкости или ее вдыханием, что более удобно для технического обслуживания.
При двухфазном погружном жидкостном охлаждении охлаждающая жидкость непрерывно подвергается фазовому переходу из жидкости в газ, а затем обратно в жидкость в процессе циркуляции и отвода тепла. ИТ-оборудование полностью погружено в герметичный резервуар, наполненный низкокипящим хладагентом, который поглощает тепло, выделяемое оборудованием. После того как охлаждающая жидкость поглощает тепло, температура повышается и после достижения точки кипения начинает кипеть. Одновременно из жидкой фазы в газообразное состояние образуется большое количество пара. Пар поднимается из жидкости и выходит над поверхностью жидкости, образуя область газовой фазы в резервуаре с жидкостным охлаждением. Пары охлаждающей жидкости в зоне газовой фазы контактируют с водоохлаждаемым конденсатором, и тепло поглощается конденсатором. Охлаждающая жидкость конденсируется в жидкость, которая каплями попадает обратно в контейнер для рециркуляции. Нагретая охлаждающая вода в конденсаторе отводится через систему циркуляционной охлаждающей воды.
Принцип работы двухфазного иммерсионного жидкостного охлаждения показан на рисунке 3.
Охлаждающая жидкость, используемая для двухфазного погружного жидкостного охлаждения, должна не только иметь хорошие теплофизические свойства, химическую и термическую стабильность и некоррозионность, но также должна иметь подходящую температуру кипения, относительно узкий диапазон кипения и высокую скрытую теплоту парообразования. Силикаты, ароматические вещества, силиконы, алифатические соединения и фторуглероды пытались использовать в двухфазном иммерсионном жидкостном охлаждении. Среди них фторуглеродные соединения обладают лучшими комплексными характеристиками, поэтому их используют чаще.
Двухфазное погружное жидкостное охлаждение полностью использует скрытую теплоту испарения охлаждающей жидкости, что может удовлетворить экстремальные требования мощных нагревательных элементов к рассеиванию тепла. Благодаря этому ИТ-оборудование работает на полную мощность. Однако наличие фазового перехода также требует, чтобы двухфазная система погружного жидкостного охлаждения была герметичной, чтобы предотвратить выход пара. Более того , необходимо учитывать изменение давления воздуха , вызванное процессом смены фаз , и риск для здоровья обслуживающего персонала , вдыхающий газ во время обслуживания системы .
На данном этапе все еще существует множество препятствий и проблем в процессе продвижения центров обработки данных к быстрому внедрению технологии погружного жидкостного охлаждения. Сюда входят ограничения сценариев применения, поддержка поставщиков оборудования, а также затраты на развертывание и модернизацию.
Вопрос о том, можно ли решить вышеуказанные проблемы и каким образом, станет ключом к определению быстрого и широкомасштабного внедрения технологии иммерсионного жидкостного охлаждения в будущем.
Холодильные пластины со встроенными трубками Паяные холодные пластины Холодные плиты FSW Литые холодные пластины Другой