Utveckling och diskussion av Liquid-Cooling Data Center Engineering Technology

 

Eftersom den specifika värmekapaciteten för vätska per volymenhet är cirka 1,000 gånger den för luft, har vätskekylning (värmeavledning) mycket större kylkapacitet än konventionell luftkylning. Det är en effektiv lösning för att avleda värme som genereras av ultrahöga värmeflödestätheter. 1964, för att åtgärda överhettningen och stilleståndstiden för stora stordatorer, utvecklade IBM världens första kylda vattenkylda dator, System360, banbrytande vätskekylda datorer. Nyligen, driven av nationella och lokala policyer för energieffektivitetshantering, har vätskekylningsteknik återigen fått stor uppmärksamhet i datacenterindustrin, vilket har lett till utvecklingen av en serie vätskekylda datacentertekniker.

 

 

I Implementeringsmetoder för flytande kylning

 

I vid bemärkelse avser vätskekylning all teknik relaterade till vätskekylning. Branschen är bekant med metoder som att installera kallvattenslingor på bakpanelerna av rack, som anses vätskekylning, faller under det breda begreppet vätskekylning. China Institute of Electronics (CIE), under utvecklingen av en serie vätskekylda datacenterdesignstandarder, förtydligade konceptet med vätskekylning genom branschdiskussioner. Enligt deras definition hänvisar vätskekylning specifikt till det direkta avlägsnandet av värme som genereras av elektroniska chips med vätskor, så den snäva definitionen av vätskekylning hänvisar endast till kylningsprocessen inuti servern.

 

Ur den snäva definitionen av vätskekylning kan den klassificeras i två huvudkategorier: direktkontakt av kylvätskan med det elektroniska chippet eller indirekt kontakt via ett fast material med hög värmeledningsförmåga. Dessa kan sedan delas upp ytterligare utifrån kontaktform, typ av kylvätska och om kylvätskan genomgår en fasförändring. Vätskekylningsmetoder anses generellt falla in i åtta kategorier (se tabell 1).

 

▲ Tabell 1: Klassificering för genomförande av vätskekylning

 

 

II Efterfrågan på vätskekylning i datacenterscenarier

 

Liksom konventionella luftkylda system som vanligtvis används i datacenter, är vätskekylningens roll att ta bort värmen som genereras av IT-utrustning såsom servrar och annan anläggningsutrustning (t.ex. UPS-batterier) för att upprätthålla en relativt stabil miljö med lämplig temperatur och luftfuktighet i datacentret.

 

För det första är värmeavledningsbehoven den centrala drivkraften bakom utvecklingen av vätskekylningsteknik. Eftersom efterfrågan på databehandlingskapacitet växer snabbt, kommer integrationen av elektroniska chips sannolikt att fortsätta växa exponentiellt i framtiden. Detta kommer att leda till ökad effekttäthet och värmeflödestäthet. Behovet av snabbare dataöverföringshastigheter och ökad användarvänlighet kommer att driva högre integration av utrustning, vilket i sin tur kommer att leda till högre värmeavledningskrav för IT-utrustning såsom servrar. Detta kommer också att höja miljökraven för driften. Som ett resultat kommer luftkylning att kräva högre hastigheter, fläktar med större diameter och större värmeavledningskanaler, vilket resulterar i betydande buller, större miljöpåverkan på värmen och ökade konstruktions- och driftskostnader. Vätskekylning ger ett bättre förhållande mellan kostnad och prestanda.

 

För det andra driver politiken för energieffektivitet antagandet av vätskekylningsteknik. En annan viktig anledning till att datacenterindustrin fokuserar på vätskekylning beror på nationella och lokala policyer för energieffektivisering. De nationella och lokala kraven för datacenter Power Usage Effectiveness (PUE) blir strängare, vilket gör att vätskekylning hamnar i fokus för datacenterindustrin. Den senaste nationella standarden, Data Center Energy Efficiency Limit Values ​​and Energy Efficiency Grades (GB 40879-2021), kräver att energiförbrukningen är under 1,3, vilket är svårt att uppnå med enbart luftkylning i de flesta delar av landet, vilket kräver användning av vätskekylningsteknik.

 

För det tredje kan bekvämligheten med spillvärmeåtervinning leda till att vätskekylning används i datacenter. Datacenter byggda med vätskekylningslösningar har relativt högre kvalitet på spillvärme och är lättare att återvinna. Projekt för återvinning av spillvärme i vätskekylda datacenter är ett effektivt sätt att uppnå ett heltäckande energiutnyttjande och förbättra energieffektiviteten. Vissa forskare har redan föreslagit idén om att bygga storskaliga datacenter som värmekällor för städer eller industriparker.

 

 

III Utveckling av vätskekyld datacenterteknik

 

Processen att ta bort värmen som genereras av elektroniska chips genom vätskekylning är bara början på kylningsprocessen i ett datacenter. Kontinuerlig värmealstring från elektroniska chips kräver uthållig, stabil och pålitlig drift av vätskekylningsdatacenterteknik för att upprätthålla chipkylning.

 

Principerna och praxisen för vätskekylning skiljer sig från luftkylning. Specifikt visar begreppen värmeavledning och kyla subtila skillnader: från över rumstemperatur eller under rumstemperatur. För att bättre organisera det vätskekylda datacentrets tekniska ramverk, ses elektroniska chips som källan, med målet att överföra värmen som genereras av chipsen till utanför datacentret, vilket säkerställer en stabil drift av IT-utrustning. Således är vätskekyld datacenterteknik uppdelad i primära och sekundära kylprocesser. Detta koncept skiljer sig från primär- och sekundärsidan av konventionell luftkylning av datacenter.

 

Den primära kylprocessen för vätskekyld datacenterteknik kyler komponenter med hög värmeflödestäthet i elektronisk IT-utrustning och överför den genererade värmen utanför racket. Det kallas också för primär kylning (värmeavledning), initial kylning, intern kylning eller intern cirkulationskylning. Den primära kylprocessen är strikt en vätskekylningsprocess och involverar vanligtvis en sluten slinga av vätskekylningsutrustning eller komponenter vid chipänden, en kyldistributionsenhet (CDU), kylvätskedispensrar och rörledningar. Kyldistributionsenheten (CDU) innehåller pumpar och värmeväxlare som tillhandahåller cirkulationskraften för kylvätskan. En typisk primär kylningsprocess innebär att en viss temperatur och flöde av kylvätska från CDU:n cirkulerar till vätskekylningsutrustningen eller komponenterna vid chipänden. Kylvätskan utbyter värme med flisen genom direktkontakt eller indirekt kontakt via material med hög värmeledningsförmåga som metaller. Den uppvärmda högtemperaturkylvätskan eller kylmedelsångan strömmar sedan tillbaka till CDU via rörledningarna, där den utbyter värme med den sekundära kylvätskan. Efter kylning drivs lågtemperaturkylvätskan tillbaka till vätskekylningsutrustningen eller komponenterna vid chipänden av CDU, vilket slutför en hel cykel. Vanliga kylmedel som används i den primära kylprocessen inkluderar etylenglykollösningar, propylenglykollösningar, avjoniserat vatten, etc., och vissa lösningar använder fluorerade vätskor, även om de fysiska kraven för kylmedel varierar avsevärt mellan olika flytande kyllösningar.

 

En kyldistributionsenhet (CDU) är en vanlig utrustning. En typisk CDU-arkitektur visas i figur 1. Förutom att tillhandahålla cirkulationskraft och värmeväxling för kylvätskan i den primära kylprocessen, tjänar denna utrustning också rollen som att fördela kylkraft (inte bara kylvätskeflöde). Därför har den vanligtvis följande funktioner:

 

1) Temperatur- och flödeskontroll: Dynamisk övervakning av kylvätsketemperatur och flöde i den primära kylprocessen via temperatur- och flödesgivare. Baserat på inbyggda modeller justerar CDU:n dynamiskt kylvätskans temperatur, flöde eller matningstryck för att ge tillräcklig kylkapacitet samtidigt som kondens i den primära kylslingan undviks.

2) Säkerställa fysisk separation mellan den primära kylvätskan och den sekundära kylvätskan.

3) Online- eller bypass-filtrering av kylvätskan.

4) Stödja nätverkshantering.

 

▲ Figur 1: En typisk kyldistributionsenhet (CDU) arkitektur

 

Den sekundära kylningsprocessen av vätskekyld datacenterteknik överför värmen som tas bort av den primära kylprocessen utanför datacentret, även känd som sekundär kylning, extern kylning, extern cirkulationskylning eller värmeavledning. Det sekundära kylmediet i denna process kan vara luft, kylvatten, vattenbaserade lösningar (t.ex. etylenglykollösningar, glycerinlösningar) eller kylmedel, gemensamt kallade sekundära kylmedel. Om luft används som sekundärt kylmedel är den sekundära kylningsprocessen lik den konventionella kylprocessen inuti ett datacenter. Om en vattenbaserad lösning används cirkulerar den sekundära kylvätskan i vad som kallas en sekundär kylslinga.

 

Värmeväxlingen mellan den primära och sekundära kylslingan sker i CDU. Efter värmeväxling i CDU:n kommer den sekundära kylvätskan med hög temperatur in i en kylkälla eller spillvärmeåtervinningsutrustning, vilket överför värmen till miljön eller möjliggör återanvändning. Den sekundära kylvätskan strömmar sedan tillbaka in i värmeväxlaren efter kylning, och fullbordar en hel cykel. Kylkällan kan vara ett kyltorn, torrkylare, kylare, etc. Eftersom den primära kylprocessen tillåter att den sekundära kylvätskans inloppstemperatur når 30 grader eller högre, kan kylkällan enbart arbeta på naturlig kylning, vilket förklarar varför vätskekylning teknik kan uppnå relativt idealisk energianvändningseffektivitet (PUE). Ett typiskt diagram över vätskekylningsteknik visas i figur 2.

 

▲ Figur 2: Teknikdiagram för flytande kylning

 

Vissa vätskekylningstekniker använder en design som enbart baseras på den primära kylprocessen, där kylvätskan direkt överför värme till miljön. Men i de flesta fall kräver detta höga fysiska renhetsstandarder för kylvätskan, vilket ökar kostnaderna. Om rörledningarna är för långa påverkas systemets totala ekonomi. Därför är design av primärkylning bäst lämpad för kompakta konfigurationer.

 

 

IV Diskussion om framtida utvecklingstrender för vätskekylda datacenter

 

Sammantaget är den framtida utvecklingen av vätskekylda datacenter fortfarande osäkerhet.

 

För det första kommer drivkraften för främjandet av vätskekylningsteknik fortfarande i första hand att baseras på kylningskraven (värmeavledning) från IT-utrustning. Detta bygger dock på förutsägelser om framtida trender inom utvecklingen av elektroniska chip, samt antagandet att kostnadseffektiviteten hos vätskekylningstekniken gradvis kommer att etablera en fördel gentemot luftkylningstekniken. Det finns dock fortfarande en möjlighet att de höga kostnaderna för vätskekylning kan leda till alternativa chipdesigner som minskar kylnings- och värmeavledningskraven.

 

För det andra skiljer sig konstruktions- och användningsmodellen för vätskekylda datacenter avsevärt från konventionella luftkylda datacenter. Kännetecknande för vätskekylda datacenter är den höga graden av koppling mellan IT-utrustning och infrastruktur. När det gäller tekniska principer och tillförlitlighetssäkring kan de i princip inte uppnå samma nivå av frikoppling som konventionella luftkylda datacenter. Som ett resultat av detta fungerar olika tekniska lösningar och utrustningsleverantörer i stort sett oberoende av varandra. Datacenterägare kommer sannolikt att bli djupt bundna till en specifik leverantör av teknologilösningar. Tillämpningen av vätskekylningsteknik i datacenter kan ses som att utvecklas baserat på störningen av den ursprungliga kommersiella modellen, konstruktionsmodellen och industriella modellen för konventionella luftkylda datacenter. Traditionella skåpleasingtjänster är i stort sett otillämpliga på vätskekylda datacenter. Detta utgör ett betydande hinder för ytterligare främjande av vätskekylningsteknik.

 

För det tredje kräver vätskekylda datacenters tillförlitlighet fortfarande validering. Även om nuvarande leverantörer av vätskekylda datacenterlösningar har föreslagit lösningar som förbättrad tillförlitlighetstestning och tillägg av läckagedetekterings- och larmenheter för kylvätskan, är oro över potentiella läckor i vätskekylslingan i skåpet, vilket leder till skador på IT-utrustning, förbli ett ämne som väcker stor oro i branschen.

 

Lösningen av dessa osäkerheter är djupt beroende av tillämpningens omfattning. Att lösa detta till synes olösliga problem, monopolisering av marknaden och kontroll av industrierna uppströms och nedströms, som otaliga gånger har bevisats bryta mot lagarna för ekonomisk utveckling, är inte svaret. Historien har upprepade gånger visat att de som först kan etablera en industriell kedja och ekosystem baserat på arbetsfördelning och samarbete har större chans att lyckas i konkurrensen. Innan man hittar en teknisk väg som frikopplar IT-utrustning från infrastruktur, kommer standardisering inte att vara en magisk lösning på frikopplingsproblemet, och det kommer inte heller att vara ett effektivt sätt att begränsa eller attackera konkurrenter. Att använda standardisering som ett verktyg för att stadigt främja frikopplingen baserat på att hitta en gemensam grund samtidigt som man bevarar skillnader, effektivt utbyte av erfarenheter och främjar separationen av tillverknings- och serviceprocesser för att uppnå specialisering och förfining, kan dock bidra till att minska de totala applikationskostnaderna. Kontinuerliga förbättringar genom applikationstestning kan leda till bildandet av en positiv återkopplingsslinga som utökar skalan för vätskekylning, vilket potentiellt kan bli den nödvändiga vägen för utveckling av vätskekylningsteknik.

 

 

V Slutsats

 

Beroende på faktorer som serverkompatibilitet, typ av kylvätska och driftstemperatur för vätskekylning, varierar den tekniska tekniken för vätskekylda datacenter därefter. För närvarande är ingenjörstekniken under varje teknisk väg fortfarande under utveckling och slutförande, och det finns ännu inte en branscherkänd perfekt teknisk väg. Det finns inte heller enighet om de specifika tillämpliga delområdena för varje teknisk rutt. Att söka den ultimata säkerheten kommer att bero på faktorer som ekonomin, tillförlitligheten och underhållsbarheten hos vätskekyld datacenterteknik, samt att hitta optimala lösningar genom kontinuerlig praktisk tillämpning.