Исследование технологии иммерсионного жидкостного охлаждения для центров обработки данных

С быстрым развитием ресурсоемких приложений, таких как искусственный интеллект, Интернет вещей, криптовалюта, AR/VR и т. д., растущий спрос на вычислительные ресурсы заставляет центры обработки данных постепенно развиваться в направлении «высокой производительности, высокой плотности и высокого энергопотребления».Энергопотребление центра обработки данных примерно складывается 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 центра обработки данных.Повышение эффективности систем охлаждения центров обработки данных и снижение энергопотребления имеют решающее значение для достижения цели «двойного выброса 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 иммерсионного жидкостного охлаждения в качестве движущей силы новой разработки крупного центра обработки данных нового поколения в основном отражены в следующих аспектах.

(1) Более высокое использование энергии

В иммерсионном жидкостном охлаждении в качестве теплоносителя используется хладагент.Жидкости обладают более высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью, поэтому они быстрее проводят тепло и эффективнее поглощают тепло.В то же время центры обработки данных, использующие технологию иммерсионного жидкостного охлаждения, имеют более низкий PUE из-за меньшего использования вентиляторов и кондиционеров.

(2) Более высокая плотность мощности

Иммерсионное жидкостное охлаждение может значительно увеличить плотность серверов на единицу площади центра обработки данных, тем самым лучше поддерживая вычисления с высокой плотностью.В традиционных центрах обработки данных используются системы с воздушным охлаждением, а плотность охлаждаемой мощности в стойках 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 по рассеиванию тепла в сценариях с высокой плотностью вычислений.

(3) Повышенная надежность оборудования

Иммерсионное жидкостное охлаждение поддерживает нужную температуру ИТ-оборудования.Иммерсионная среда 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 с шумом и вибрацией, поскольку серверы и компьютерные залы больше не нуждаются в вентиляторах.

(4) Более эффективное использование пространства

Отличные характеристики рассеивания тепла иммерсионным жидкостным охлаждением 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 зале.Нет необходимости в установке герметизации горячих и холодных коридоров и фальшполов, поэтому иммерсионное жидкостное охлаждение занимает больше места, чем традиционные решения для охлаждения.

(5) Меньшее потребление воды

Огромный расход воды не только увеличивает эксплуатационные расходы, но и сталкивается с регулятивным давлением в районах с ограниченным водопользованием.Традиционная технология воздушного охлаждения обычно требует использования большого количества воды для испарительного охлаждения.Хладагент иммерсионной технологии жидкостного охлаждения может работать при более высокой температуре (до 45°С).Даже в более жарком климате можно эффективно использовать естественное охлаждение, уменьшая потребность в активном отводе тепла и, следовательно, экономя воду.

Иммерсионное жидкостное охлаждение погружает ИТ-оборудование непосредственно в хладагент, полагаясь на то, что хладагент поглощает тепло, выделяемое оборудованием.В зависимости от того, претерпевает ли охлаждающая жидкость фазовый переход в процессе рассеивания циркулирующего тепла, ее можно разделить на однофазное иммерсионное жидкостное охлаждение и двухфазное иммерсионное жидкостное охлаждение.

Охлаждающая жидкость однофазного иммерсионного жидкостного охлаждения обычно имеет относительно высокую температуру кипения.После того, как охлаждающая жидкость поглотит тепло, фазового перехода не будет, и она всегда будет оставаться в жидком состоянии.Он обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости за счет естественной конвекции или с помощью насоса.Циркуляционный процесс рассеивания тепла, обусловленный естественной конвекцией, использует то преимущество, что плотность объемного расширения жидкости уменьшается после нагревания.Более горячий хладагент естественным образом всплывает вверх и охлаждается теплообменником, подключенным к внешнему контуру охлаждения.Охлажденная жидкость естественным образом опускается под действием силы тяжести для завершения циркуляции и отвода тепла.

По сравнению с естественной конвекцией использование насоса для привода циркулирующей охлаждающей жидкости может более эффективно улучшить охлаждающую способность.Устройство, состоящее из насоса, теплообменника, датчика и фильтра, называется блоком распределения охлаждающей жидкости (CDU, блок распределения охлаждающей жидкости).Температуру и расход теплоносителя можно более точно контролировать с помощью CDU.Охлаждающая жидкость прокачивается через нагревательный элемент, отводя тепло.Нагретый теплоноситель поступает в теплообменник для охлаждения под действием насоса, а затем продолжает циркулировать под действием насоса.Теплообменник обычно использует воду в качестве охлаждающей среды, а тепло в конечном итоге отводится через систему циркуляции охлаждающей воды.

Принцип работы однофазного иммерсионного жидкостного охлаждения показан на рисунке.

Преимущества однофазного иммерсионного жидкостного охлаждения проявляются в двух аспектах.Во-первых, охлаждающая жидкость дешевле и дешевле в развертывании.Во-вторых, хладагент не имеет фазового перехода.Нет необходимости беспокоиться о рисках для здоровья, связанных с переливом охлаждающей жидкости в результате испарения или вдыханием персонала, что более благоприятно для технического обслуживания.

При двухфазном иммерсионном жидкостном охлаждении охлаждающая жидкость непрерывно претерпевает фазовый переход от жидкости к газу, а затем обратно к жидкости в процессе циркуляции и отвода тепла.ИТ-оборудование полностью погружено в герметичный бак, заполненный низкокипящим теплоносителем, который поглощает выделяемое оборудованием тепло.После того, как теплоноситель поглощает тепло, температура повышается и начинает кипеть после достижения точки кипения.При переходе из жидкой фазы в газообразное одновременно образуется большое количество пара.Пар поднимается из жидкости и выходит над поверхностью жидкости, образуя область газовой фазы в баке с жидкостным охлаждением.Пары теплоносителя в области газовой фазы контактируют с водоохлаждаемым конденсатором, и тепло поглощается конденсатором.Охлаждающая жидкость конденсируется в жидкость, которая каплями падает обратно в контейнер для рециркуляции.Нагретая охлаждающая вода в конденсаторе выбрасывается через систему циркуляции охлаждающей воды.

Принцип работы двухфазного иммерсионного жидкостного охлаждения показан на рисунке 3.

Хладагент, используемый для двухфазного иммерсионного жидкостного охлаждения, должен обладать не только хорошими теплофизическими свойствами, химической и термической стабильностью, неагрессивностью, но и подходящей температурой кипения, относительно узким интервалом кипения и высокой скрытой теплотой парообразования.Силикаты, ароматические вещества, силиконы, алифатические соединения и фторуглероды - все это пытались использовать в двухфазном иммерсионном жидкостном охлаждении.Среди них фторуглеродные соединения обладают лучшими комплексными характеристиками, поэтому их чаще используют.

Двухфазное иммерсионное жидкостное охлаждение полностью использует скрытую теплоту испарения охлаждающей жидкости, что может удовлетворить экстремальные требования мощных нагревательных элементов к отводу тепла.Благодаря этому ИТ-оборудование работает на полную мощность.Однако наличие фазового перехода также требует, чтобы двухфазная иммерсионная система жидкостного охлаждения была герметичной, чтобы предотвратить утечку пара. Что’больше, необходимо учитывать изменение давления воздуха, вызванное процессом фазового перехода, и риск для здоровья обслуживающего персонала, вдыхающего газ во время технического обслуживания системы.

На данном этапе все еще существует много препятствий и проблем в процессе продвижения центров обработки данных для быстрого внедрения технологии иммерсионного жидкостного охлаждения.Сюда входят ограничения сценария применения, поддержка поставщиков оборудования, а также затраты на развертывание и модернизацию.

Способность решить вышеуказанные проблемы и каким образом станет ключом к быстрому и крупномасштабному внедрению технологии иммерсионного жидкостного охлаждения в будущем.