Design av effektiva vätskekylningssystem för datacenter

 

I Komponenter i datacentrets kylsystem

 

Merparten av den elektriska energi som förbrukas av IT-utrustning omvandlas till spillvärme. För att säkerställa att IT-utrustningen fungerar inom ett lämpligt temperaturintervall är datacenter utrustade med kyl- och värmeavledningssystem, inklusive kylare, kyltorn och precisionsluftkonditioneringsenheter, som tar bort spillvärme från datacentret. Värmeöverföringsprocessen illustreras i figur 1. Viktiga energiförbrukningspunkter inkluderar kylaggregat, kyltorn, pumpar och precisionsaggregat för luftkonditionering.

 

▲ Figur 1: Värmeöverföring i datacenter

 

För närvarande är de primära värmeöverföringsmedierna i datacenter luft eller vatten. Vatten, med en konstant tryck specifik värmekapacitet på 1,004 kJ/(KgK) och en specifik värmekapacitet på 4200 kJ/(KgK), har en värmeöverföringskapacitet ungefär 1,000 gånger större än luft. Att använda vatten som kylmedium är därför en effektiv energibesparande metod vid design av kylsystem. För att förbättra energieffektiviteten i kylsystem används åtgärder som högeffektiva radiatorer och exakt lufttillförsel för att fånga upp och överföra värme.

 

Inom precisionsluftkonditionering har kylning utvecklats från rumsnivå till modulära datarum och kylning på racknivå, flyttat närmare värmekällan och minskat energiförbrukningen vid kylvätsketransport. Genereringen av kylkällor har gått från luftkylning till vattenkylning och naturlig kylning, vilket förbättrar den externa värmeöverföringens effektivitet.

 

 

Traditionella kylsystem har oberoende styrsystem och driftstrategier för precisionsluftkonditionering, kylaggregat och kyltorn, vilket optimerar effektiviteten lokalt. Den totala kyleffektiviteten kräver dock fortfarande förbättring.

 

Systematiska förbättringar kan uppnås genom end-to-end-hantering och exakt styrning av värmeuppsamling, kylkällaförberedelse och extern värmeöverföring, och därigenom minska kylsystemets energiförbrukning.

 

 

II End-to-end vätskekylsystem Design

 

1. Design för vätskekylning på kortnivå

Med den exponentiella ökningen av efterfrågan på datorkraft har integrationen och strömförbrukningen för CPU:er och GPU:er ökat avsevärt, med en chips strömförbrukning på 300W. Traditionella chipkylflänsar och luftkylningslösningar har stött på kylflaskhalsar. Eftersom chippet är värmekällan är den primära utmaningen för kylsystemet för datacenter att effektivt ta bort värme från chippet.

 

Ur ett värmeavledningsperspektiv måste värmen som genereras av chipet först överföras till kylflänsen på kortnivå. Effektivare kylflänslösningar kommer att underlätta bättre värmeuppsamling.

 

För enstaka chips med strömförbrukning under 200W och IT-utrustning med strömförbrukning under 20kW per rack, kan luft fortsätta att användas som värmeöverföringsmedium. Kylflänsar med värmerör och ångkammare (VC) i kombination med TIM-material med hög värmeledningsförmåga (som grafitskivor/grafen) minskar effektivt det termiska motståndet mellan chipet och kylflänsens bas, vilket förbättrar kylflänsens effektivitet.

 

För enstaka chips med strömförbrukning över 200W och IT-utrustning med strömförbrukning över 20kW per rack räcker det inte längre med luft som värmeöverföringsmedium och flytande kylvätska måste användas för kylning. Vätskekyld kallplåtsteknik är för närvarande en mogen lösning för spånkylning på kortnivå. En vätskekyld kallplatta består av inlopps- och utloppsanslutningar, ett övre lock och en basplatta, som är sammankopplade genom vakuumlödning för att bilda en förseglad vätskevärmeväxlarkammare. Kammaren inkluderar distributionskammare och olika breddflödeskanaler, som styr vätskeflödet och ökar turbulensen, vilket förbättrar den lokala kylningsförmågan och eliminerar hot spots orsakade av högeffektschips. Den inre strukturen visas i figur 2.

 

▲ Figur 2: Tvärsnitt av en vätskekyld kall platta

 

Olika typer av kort i samma rack har olika effektnivåer och hot spots, men matningstrycket vid inloppsanslutningen till vätsketillförselledningen är i allmänhet detsamma, vilket kräver att kylplattans fördelningskammare kontrollerar strypningen. För kort med lägre spånströmförbrukning minskar strypning flödet av kylvätska. I praktiken täcker vätskekylda kalla plattor CPU, minne och andra högeffektskomponenter, men komponenter som motstånd och kondensatorer, som inte täcks, genererar restvärme som kräver fläktkylning. Detta resulterar i en kombination av vätske- och luftkylning i systemet, vilket ger utrymme för förbättring av kylningseffektiviteten.

 

Genom att använda TIM-material för att täcka alla komponenter under kallplattdesign, kan 100 % vätskekylning uppnås tekniskt, men detta ökar kostnaden och komplexiteten för den kalla plattan. Samtidigt som man strävar efter effektiv kylning, måste den initiala kostnadsinvesteringen också beaktas. Om nodkortstyperna är enhetliga kan en heltäckt bräda övervägas, med initiala kostnader som kompenseras genom att skala produktionen, för att uppnå en balans mellan energibesparingar och investeringar.

 

 

Avjoniserat vatten används vanligtvis som kylmedel vid vätskekylning på grund av dess höga specifika värmekapacitet, vilket möjliggör snabb värmeabsorption samtidigt som det är icke-korrosivt, vilket inte påverkar rörledningens tillförlitlighet. Kylplattans vätskekylning är indirekt, med chipet inte direkt i kontakt med det flytande kylmedlet, vilket resulterar i hög tillförlitlighet och mogen teknologi.

 

Emellertid finns det termiskt motstånd mellan chipet och det flytande kylmediet, vilket leder till att vissa tillverkare främjar nedsänkningslösningar. Vid nedsänkningskylning är IT-utrustning nedsänkt i cirkulerande vätska, med chipet direkt i kontakt med kylvätskan, vilket minskar termiskt motstånd samtidigt som fasändringen utnyttjas för att ta bort mer värme, vilket gör den till en ny hotspot inom vätskekylning. Fluorerade vätskor används vanligtvis som kylmedel vid nedsänkningskylning, men deras höga kostnad är ett hinder för storskalig kommersiell användning.

 

2. Vätskekylning på racknivå

I datacenter är IT-utrustning ordnad av rack, som innehåller datacenterinformationsutrustning som servrar, lagringsenheter och nätverksväxlar. Medan kylning på kortnivå tar bort värme från individuella IT-enheter, samlar kylning på racknivå upp och överför värmen utomhus. Nyckelkomponenter i vätskekylning på racknivå inkluderar inlopps- och utloppsgrenrör, övervakningsenheter, temperatursensorer, magnetventiler och backventiler, som visas i figur 3.

 

▲ Figur 3: Konfiguration av vätskekylning på racknivå

 

Fördelaren ansluts externt till vätskekylningsfördelningsenheten på rumsnivå och internt via snabbkopplingar till den vätskekylda kylplattans in- och utloppsanslutningar, vilket underlättar överföringen av systemvärme till utsidan av racket.

Magnetventilens och backventilens huvudfunktioner är att kontrollera vätskeflödet och att begränsa omfattningen av fel till ett enda stativ i händelse av en läcka.

 

Temperatursensorns primära roll är att kontinuerligt övervaka inlopps- och utloppsvattentemperaturerna. Genom att utnyttja temperaturskillnaden mellan inlopps- och utloppsvattnet styr den öppningen av magnetventilen och kontrollerar därigenom vattenflödet och säkerställer att värme och flöde matchas.

Vätskekylsystemet använder avjoniserat vatten som arbetsvätska, vilket teoretiskt sett inte kommer att orsaka kortslutning.

 

Kretskort eller elektroniska komponenter har dock ofta dammpartiklar och när avjoniserat vatten kommer i kontakt med kretskortet kan det orsaka kortslutning. Detta är ett av de största hindren och farhågorna vid implementeringen av vätskekylning. För att ta itu med problemet med kallplattläckage används åtgärder som kvalitetskontroll, mikroläckageövervakning och förebyggande av plötsliga stora läckor.

 

Kvalitetskontrollen är uppdelad i tillverknings- och installationsapplikationssteg. I produktionsledet säkerställs processtillförlitligheten, 100 % av de kalla plattorna genomgår trycktestning och ultraljud används för stickprov och defektdetektering. Snabbkopplingar måste valideras för effektiv insättning och långsiktig tillförlitlighet. I installationssteget måste de sekundära rören spolas rena före installationen för att förhindra att föroreningar orsakar blockeringar i snabbkopplingar, fjäderstopp eller fel i gummiringar, vilket förhindrar läckor under drift. Ovanstående åtgärder syftar till att förhindra läckage så mycket som möjligt.

 

 

Om en kall platta utvecklar en mikroläcka måste den vara detekterbar och utlösa ett larm för att uppmana underhållspersonal att reparera den omgående. Det finns två detekteringsmetoder: den ena använder en vattendoppningssensor, som är installerad på droppbrickan. Den huvudsakliga funktionen för droppbrickan är att underlätta läckagedetektering och förhindra att vätska läcker utanför hyllan, vilket minskar spridningen av fel.

 

Även om detektering av vattennedsänkningssensor är mogen och pålitlig, kräver den att den läckande vätskan ackumuleras i droppbrickan efter att ha strömmat längs hårdvarukortet och rackbeslagen, då den totala mängden läckt vätska kan vara avsevärd och kan redan ha skadat kortet och komponenter under flödet.

 

Den andra metoden är realtidsövervakning. Ett spårämne med låg kokpunkt blandas in i arbetsvätskan och vid läckage upptäcker en gassensor inbyggd i kortet det. Storskaliga plötsliga läckor är sällsynta men mycket påverkande. För att förhindra sådana incidenter är backventiler installerade vid inloppet och utloppet av grenröret på stativet. Dessa backventiler stänger automatiskt när en betydande tryckskillnad upptäcks.

 

3. Design för vätskekylning på rumsnivå

Kylning på rumsnivå är utformad för att överföra värmen från racken till utomhus. Vätskekylningslösningen på rumsnivå inkluderar ett vätskekylt modulärt datarum, kylaggregat, vattenpumpar, kyltorn, rörledningar och mer, som visas i figur 4.

 

▲ Figur 4: Konfiguration för vätskekylning på rumsnivå

 

Vanligtvis innehåller ett vätskekylt modulärt datarum två backup-vätskekylningsdistributionsenheter (CDU), 10-20 IT-ställ, 1-2 luftkonditioneringsapparater på radnivå och strömförsörjningsutrustning, som visas i figur 4.

 

Distributionsenheten för vätskekylning (CDU) ansvarar för att fördela arbetsvätskan mellan IT-vätskekylda rack, tillhandahålla flödesfördelning på sekundärsidan, tryckkontroll, fysisk isolering och anti-kondensationsfunktioner. Under den faktiska driften tillför CDU ett visst flöde och temperatur av kylvatten till IT-vätskekylda racken, som kommer in i de vätskekylda kylplattorna via grenröret, tar bort värmen som genereras av processorer och nyckelkomponenter och returnerar den uppvärmda kylningen. vatten till den mellanliggande värmeväxlarenheten i CDU. Värmen släpps sedan ut i returvattenledningen utomhus, och denna del av värmen släpps ut till utomhusmiljön via kylare eller torrkylare, vilket slutför värmehanteringsprocessen för de vätskekylda servrarna.

 

CDU:n reglerar temperaturen och flödet av kylvätskan som kommer in i de vätskekylda kalla plattorna, och tillhandahåller därigenom kyla till IT-ställen och fördelar kylkraften. Den interna värmeväxlarenheten spelar också en roll för att isolera vätskeförsörjningskretsen mellan det modulära datarummet och utomhusmiljön. På grund av sin kritiska roll använder CDU vanligtvis en 1+1 redundanskonfiguration. CDU:n styr flödet av det flytande kylmediet genom att detektera inlopps- och utloppsvattentemperaturerna och matningstrycket och justera hastigheten på tilloppsvattenpumpen.

 

 

För närvarande är de flesta CDU-styrsystem inte kopplade till temperatursensorerna i racken, vilket resulterar i relativt grov kontroll. För att lösa detta problem har vissa applikationer ersatt centraliserade CDU:er med distribuerade CDU:er, som är integrerade i racken. På så sätt baseras CDU-flödesjusteringar helt på driftstatus och strömförbrukningsfluktuationer för racket. Centraliserade CDU:er är lämpliga för scenarier med ett stort antal vätskekylda rack som kan konsolideras till ett modulärt datarum, medan distribuerade CDU:er är bättre lämpade för situationer med endast 2-3 vätskekylda rack, vilket gör implementeringen enklare.

 

 

III Slutsats

 

Under ledning av mål med dubbla koldioxidutsläpp har datacenter ett dubbelt uppdrag: å ena sidan, genom intensiva och skalade operationer, tillhandahåller de tillräcklig datorkraft för den digitala ekonomin. Den utbredda tillämpningen av högdensitetsrack och högeffektschips, driven av effektiviteten hos datacenters datorkraft, har gjort att traditionell luftkylning stöter på flaskhalsar. Å andra sidan, genom att använda högeffektiva värmeväxlare, vätskekylning och naturlig kylning från torrkylare, kan datacenter minska sin egen energiförbrukning.

 

Efter att ha antagit flytande kylning förbättras kylningseffektiviteten avsevärt, med energiförbrukningen för kylsystem minskad från 37 % till cirka 10 %, vilket resulterar i betydande energibesparingar och koldioxidreduktion. Om 50 % av nybyggda datacenter över hela landet antar flytande kylning kan 45 miljarder kWh el sparas årligen och 3 miljoner ton koldioxid₂ utsläppen kan minskas.