Ontwikkeling en bespreking van vloeistofkoeling datacenter-engineeringtechnologie

 

Omdat de specifieke warmtecapaciteit van vloeistof per volume-eenheid ongeveer 1,{1}} maal die van lucht bedraagt, heeft vloeistofkoeling (warmtedissipatie) een veel grotere koelcapaciteit dan conventionele luchtkoeling. Het is een effectieve oplossing voor het afvoeren van warmte die wordt gegenereerd door ultrahoge warmtefluxdichtheden. Om de oververhitting en uitvaltijd van grote mainframes aan te pakken, ontwikkelde IBM in 1964 's werelds eerste gekoelde watergekoelde computer, de System360, een baanbrekende vloeistofgekoelde computer. Onlangs heeft vloeistofkoelingstechnologie, gedreven door nationaal en lokaal beleid op het gebied van energie-efficiëntiebeheer, opnieuw brede aandacht gekregen in de datacenterindustrie, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van een reeks vloeistofgekoelde datacenter-engineeringtechnologieën.

 

 

I Implementatiemethoden voor vloeistofkoeling

 

In brede zin verwijst vloeistofkoeling naar alle technologieën die verband houden met vloeistofkoeling. De industrie is bekend met methoden zoals het installeren van koudwaterbatterijen op de achterpanelen van racks, die worden beschouwd als vloeistofkoeling en vallen onder het brede concept van vloeistofkoeling. Het China Institute of Electronics (CIE) heeft tijdens de ontwikkeling van een reeks ontwerpnormen voor vloeistofgekoelde datacenters het concept van vloeistofkoeling verduidelijkt door middel van discussies in de sector. Volgens hun definitie verwijst vloeistofkoeling specifiek naar de directe verwijdering van warmte die wordt gegenereerd door elektronische chips met behulp van vloeistoffen, dus de enge definitie van vloeistofkoeling verwijst alleen naar het koelproces in de server.

 

Vanuit het perspectief van de enge definitie van vloeistofkoeling kan deze in twee hoofdcategorieën worden ingedeeld: direct contact van de koelvloeistof met de elektronische chip of indirect contact via een vast materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid. Deze kunnen vervolgens verder worden onderverdeeld op basis van de contactvorm, het type koelvloeistof en of de koelvloeistof een faseverandering ondergaat. Er wordt algemeen aangenomen dat methoden voor vloeistofkoeling in acht categorieën vallen (zie Tabel 1).

 

▲ Tabel 1: Classificatie van implementatie van vloeistofkoeling

 

 

II Vraag naar vloeistofkoeling in datacenterscenario's

 

Net als conventionele luchtgekoelde systemen die vaak in datacenters worden gebruikt, is de rol van vloeistofkoeling het verwijderen van de warmte die wordt gegenereerd door IT-apparatuur zoals servers en andere faciliteitsapparatuur (bijvoorbeeld UPS-batterijen) om een ​​relatief stabiele omgeving met de juiste temperatuur en vochtigheid te behouden. in het datacentrum.

 

Ten eerste zijn de behoeften aan warmteafvoer de belangrijkste drijvende kracht achter de ontwikkeling van vloeistofkoelingstechnologie. Omdat de vraag naar gegevensverwerkingsmogelijkheden snel groeit, zal de integratie van elektronische chips in de toekomst waarschijnlijk exponentieel blijven groeien. Dit zal leiden tot een toenemende vermogensdichtheid en warmtefluxdichtheid. De behoefte aan hogere datatransmissiesnelheden en meer gebruikersgemak zal leiden tot een grotere integratie van apparatuur, wat op zijn beurt zal leiden tot grotere eisen aan de warmteafvoer van IT-apparatuur zoals servers. Dit zal ook de milieueisen voor de exploitatie verhogen. Als gevolg hiervan zal luchtkoeling snellere ventilatoren met een grotere diameter en grotere warmteafvoerkanalen vereisen, wat resulteert in aanzienlijk geluid, een grotere impact op de omgevingswarmte en hogere constructie- en bedrijfskosten. Vloeistofkoeling biedt een betere kosten-prestatieverhouding.

 

Ten tweede stimuleert het beleid op het gebied van energie-efficiëntiebeheer de adoptie van vloeistofkoelingstechnologie. Een andere belangrijke reden dat de datacenterindustrie zich richt op vloeistofkoeling is het nationale en lokale beleid op het gebied van energie-efficiëntiebeheer. De nationale en lokale eisen voor de Power Usage Effectiveness (PUE) van datacenters worden strenger, waardoor vloeistofkoeling in de schijnwerpers komt te staan ​​van de datacenterindustrie. De nieuwste nationale norm, Data Center Energy Efficiency Limit Values ​​and Energy Efficiency Grades (GB 40879-2021), vereist dat het energieverbruik lager is dan 1,3, wat in de meeste delen van het land moeilijk te bereiken is met alleen luchtkoeling, waardoor de gebruik van vloeistofkoelingstechnologie.

 

Ten derde kan het gemak van de terugwinning van restwarmte de adoptie van vloeistofkoeling in datacenters stimuleren. Datacenters die zijn gebouwd met behulp van vloeistofkoelingsoplossingen hebben afvalwarmte van relatief hogere kwaliteit en zijn gemakkelijker terug te winnen. Projecten voor de terugwinning van afvalwarmte in vloeistofgekoelde datacenters zijn een effectieve manier om een ​​alomvattend energieverbruik te bereiken en de energie-efficiëntie te verbeteren. Sommige wetenschappers hebben al het idee voorgesteld om grootschalige datacentra te bouwen als warmtebron voor steden of industrieparken.

 

 

III Ontwikkeling van vloeistofgekoelde datacentertechnologie

 

Het proces van het verwijderen van de door elektronische chips gegenereerde warmte door middel van vloeistofkoeling is nog maar het begin van het koelproces in een datacenter. Voortdurende warmteontwikkeling door elektronische chips vereist een duurzame, stabiele en betrouwbare werking van de technische technologie voor vloeistofkoeling in datacenters om de chipkoeling te behouden.

 

De principes en praktijk van vloeistofkoeling verschillen van luchtkoeling. Concreet laten de concepten warmteafvoer en koeling subtiele verschillen zien: beginnend vanaf boven kamertemperatuur of onder kamertemperatuur. Om het vloeistofgekoelde technische technologieframework voor datacenters beter te organiseren, worden elektronische chips als de bron gezien, met als doel de door de chips gegenereerde warmte over te dragen naar buiten het datacenter, waardoor de stabiele werking van IT-apparatuur wordt gegarandeerd. De vloeistofgekoelde datacentertechnologie is dus onderverdeeld in primaire en secundaire koelprocessen. Dit concept verschilt van de primaire en secundaire kanten van conventionele luchtkoeling in datacenters.

 

Het primaire koelproces van vloeistofgekoelde datacentertechnologie koelt componenten met een hoge warmtefluxdichtheid van elektronische IT-apparatuur af en brengt de gegenereerde warmte over naar buiten het rack. Het wordt ook wel primaire koeling (warmteafvoer), initiële koeling, interne koeling of interne circulatiekoeling genoemd. Het primaire koelproces is strikt een vloeistofkoelproces en omvat doorgaans een gesloten lus van vloeistofkoelapparatuur of componenten aan het chipuiteinde, een koeldistributie-eenheid (CDU), koelmiddeldispensers en pijpleidingen. De koeldistributie-eenheid (CDU) bevat pompen en warmtewisselaars, die zorgen voor de circulatiekracht voor de koelvloeistof. Een typisch primair koelproces omvat het circuleren van een bepaalde temperatuur en koelvloeistofstroom van de CDU naar de vloeistofkoelapparatuur of componenten aan het chipuiteinde. Het koelmiddel wisselt warmte uit met de chips door direct contact of indirect contact via materialen met een hoge thermische geleidbaarheid zoals metalen. Het verwarmde hogetemperatuurkoelmiddel of de koelmiddeldamp stroomt vervolgens via de pijpleidingen terug naar de CDU, waar het warmte uitwisselt met het secundaire koelmiddel. Na afkoeling wordt het lage-temperatuur-koelmiddel door de CDU teruggedreven naar de vloeistofkoelapparatuur of componenten aan het chipuiteinde, waardoor een volledige cyclus wordt voltooid. Veel voorkomende koelmiddelen die in het primaire koelproces worden gebruikt, zijn onder meer ethyleenglycoloplossingen, propyleenglycoloplossingen, gedeïoniseerd water, enz., en sommige oplossingen gebruiken gefluoreerde vloeistoffen, hoewel de fysieke vereisten voor koelmiddelen aanzienlijk variëren tussen verschillende vloeistofkoelingsoplossingen.

 

Een koeldistributie-eenheid (CDU) is een veelgebruikt apparaat. Een typische CDU-architectuur wordt getoond in figuur 1. Naast het leveren van circulatiekracht en warmte-uitwisseling voor het koelmiddel in het primaire koelproces, vervult deze apparatuur ook de rol van het distribueren van koelvermogen (niet alleen de koelmiddelstroom). Daarom heeft het doorgaans de volgende functies:

 

1) Temperatuur- en debietregeling: dynamische bewaking van de koelvloeistoftemperatuur en -stroom in het primaire koelproces via temperatuur- en debietsensoren. Op basis van ingebouwde modellen past de CDU de temperatuur, het debiet of de toevoerdruk van het koelmiddel dynamisch aan om voldoende koelcapaciteit te bieden en tegelijkertijd condensatie in het primaire koelcircuit te vermijden.

2) Zorgen voor fysieke scheiding tussen het primaire koelmiddel en het secundaire koelmiddel.

3) Online of bypass-filtratie van de koelvloeistof.

4) Ondersteunen van netwerkbeheer.

 

▲ Afbeelding 1: Een typische architectuur voor een koeldistributie-eenheid (CDU).

 

Het secundaire koelproces van vloeistofgekoelde datacentertechnologie brengt de warmte die door het primaire koelproces wordt verwijderd, over naar buiten het datacenter, ook wel secundaire koeling, externe koeling, externe circulatiekoeling of warmteafvoer genoemd. Het secundaire koelmiddel in dit proces kan lucht, koelwater, oplossingen op waterbasis (bijvoorbeeld ethyleenglycoloplossingen, glycerineoplossingen) of koelmiddelen zijn, gezamenlijk secundaire koelmiddelen genoemd. Als lucht als secundair koelmiddel wordt gebruikt, lijkt het secundaire koelproces op het conventionele koelproces in een datacenter. Als een oplossing op waterbasis wordt gebruikt, circuleert het secundaire koelmiddel in een zogenaamde secundaire koellus.

 

De warmte-uitwisseling tussen de primaire en secundaire koelcircuits vindt plaats in de CDU. Na warmte-uitwisseling in de CDU komt het secundaire koelmiddel met hoge temperatuur in een koelbron of apparatuur voor de terugwinning van afvalwarmte terecht, waardoor de warmte wordt overgedragen aan de omgeving of hergebruik ervan mogelijk wordt gemaakt. Het secundaire koelmiddel stroomt na afkoeling vervolgens terug naar de warmtewisselaar, waardoor een volledige cyclus wordt voltooid. De koelbron kan een koeltoren, droge koeler, koelmachine, enz. zijn. Omdat het primaire koelproces ervoor zorgt dat de inlaattemperatuur van het secundaire koelmiddel 30 graden of hoger kan bereiken, kan de koelbron uitsluitend op natuurlijke koeling werken, wat verklaart waarom vloeistofkoeling technologie kan een relatief ideale Power Usage Effectiveness (PUE) bereiken. Een typisch diagram van vloeistofkoelingstechnologie wordt getoond in Figuur 2.

 

▲ Figuur 2: Diagram van vloeistofkoelingtechniek

 

Sommige vloeistofkoelingstechnologieën gebruiken een ontwerp dat uitsluitend is gebaseerd op het primaire koelproces, waarbij het koelmiddel rechtstreeks warmte aan de omgeving overdraagt. In de meeste gevallen vereist dit echter hoge fysieke zuiverheidsnormen voor het koelmiddel, waardoor de kosten stijgen. Als de pijpleidingen te lang zijn, wordt de algehele economie van het systeem aangetast. Daarom zijn ontwerpen voor primaire koeling het meest geschikt voor compacte configuraties.

 

 

IV Discussie over de toekomstige ontwikkelingstrends van vloeistofgekoelde datacenters

 

Over het geheel genomen is de toekomstige ontwikkeling van vloeistofgekoelde datacenters nog steeds onzeker.

 

Ten eerste zal de drijvende kracht achter de promotie van vloeistofkoelingstechnologie nog steeds primair gebaseerd zijn op de koelingseisen (warmteafvoer) van IT-apparatuur. Dit is echter gebaseerd op voorspellingen van toekomstige trends in de ontwikkeling van elektronische chips, evenals op de veronderstelling dat de kosteneffectiviteit van vloeistofkoelingstechnologie geleidelijk een voordeel zal opleveren ten opzichte van luchtkoelingstechnologie. Niettemin blijft er een mogelijkheid bestaan ​​dat de hoge kosten van vloeistofkoeling kunnen leiden tot alternatieve chipontwerpen die de vereisten voor koeling en warmteafvoer verminderen.

 

Ten tweede verschillen het constructie- en gebruiksmodel van vloeistofgekoelde datacenters aanzienlijk van conventionele luchtgekoelde datacenters. Kenmerkend voor vloeistofgekoelde datacenters is de hoge mate van koppeling tussen IT-apparatuur en infrastructuur. In termen van technische principes en betrouwbaarheidsborging kunnen ze in wezen niet hetzelfde niveau van ontkoppeling bereiken als conventionele luchtgekoelde datacenters. Als gevolg hiervan opereren verschillende leveranciers van technische oplossingen en apparatuur grotendeels onafhankelijk van elkaar. Eigenaren van datacenters zullen waarschijnlijk diep gebonden raken aan een specifieke aanbieder van technologieoplossingen. De toepassing van vloeistofkoelingstechnologie in datacenters kan worden gezien als een ontwikkeling gebaseerd op de verstoring van het oorspronkelijke commerciële model, het constructiemodel en het industriële model van conventionele luchtgekoelde datacenters. Traditionele leasediensten voor kasten zijn grotendeels niet toepasbaar op vloeistofgekoelde datacenters. Dit vormt een aanzienlijk obstakel voor de verdere promotie van vloeistofkoelingstechnologie.

 

Ten derde vereist de betrouwbaarheid van vloeistofgekoelde datacenters nog steeds validatie. Hoewel de huidige leveranciers van vloeistofgekoelde datacenteroplossingen oplossingen hebben voorgesteld zoals verbeterde betrouwbaarheidstests en de toevoeging van lekdetectie- en alarmapparatuur voor de koelvloeistof, bestaat er bezorgdheid over mogelijke lekken in de vloeistofkoelingslus in de kast, wat kan leiden tot schade aan IT-apparatuur, Het blijft een onderwerp van wijdverbreide zorg in de sector.

 

De oplossing van deze onzekerheden is sterk afhankelijk van de schaal van toepassing. Om dit ogenschijnlijk onoplosbare probleem op te lossen, is het monopoliseren van de markt en het controleren van de upstream- en downstream-industrieën, waarvan talloze keren is bewezen dat ze de wetten van de economische ontwikkeling schenden, niet het antwoord. De geschiedenis heeft herhaaldelijk aangetoond dat degenen die als eerste een industriële keten en een ecosysteem op basis van arbeidsverdeling en samenwerking tot stand kunnen brengen, een grotere kans hebben om te slagen in de concurrentiestrijd. Alvorens een technisch pad te vinden dat IT-apparatuur loskoppelt van de infrastructuur, zal standaardisatie geen magische oplossing zijn voor het ontkoppelingsprobleem, noch een effectief middel om concurrenten te beperken of aan te vallen. Het gebruik van standaardisatie als instrument om de ontkoppeling gestaag te bevorderen op basis van het vinden van een gemeenschappelijke basis, terwijl de verschillen behouden blijven, het effectief delen van ervaringen en het bevorderen van de scheiding van productie- en serviceprocessen om specialisatie en verfijning te bereiken, kan de totale toepassingskosten helpen verlagen. Voortdurende verbetering door het testen van toepassingen kan leiden tot de vorming van een positieve feedbacklus die de schaal van vloeistofkoeling vergroot en mogelijk het noodzakelijke pad wordt voor de ontwikkeling van vloeistofkoelingstechnologie.

 

 

V Conclusie

 

Afhankelijk van factoren zoals servercompatibiliteit, het type koelmiddel en de bedrijfstemperatuur van vloeistofkoeling, variëren de technische technologieën voor vloeistofgekoelde datacenters dienovereenkomstig. Momenteel bevinden de engineeringtechnologieën onder elke technische route zich nog in het proces van ontwikkeling en voltooiing, en er bestaat nog geen door de industrie erkende perfecte technische route. Ook bestaat er geen consensus over de specifieke toepasselijke deelgebieden van elke technische route. Het zoeken naar de ultieme zekerheid zal afhangen van factoren zoals de economie, betrouwbaarheid en onderhoudbaarheid van vloeistofgekoelde datacentertechnologie, evenals het vinden van optimale oplossingen door middel van voortdurende praktische toepassing.