Chłodzenie zanurzeniowe

Chłodzenie zanurzeniowe to technika stosowana do chłodzenia komputerów , w której elementy elektroniczne, w tym kompletne serwery i urządzenia pamięci masowej, są całkowicie zanurzone w cieczy chłodzącej przewodzącej ciepło , ale izolującej elektrycznie . Ciepło jest usuwane z układu poprzez bezpośredni kontakt chłodziwa z gorącymi elementami i cyrkulację ogrzanej cieczy przez wymienniki ciepła . Ta praktyka jest bardzo skuteczna, ponieważ płynne chłodziwa mogą pochłaniać więcej ciepła z systemu i łatwiej krążą w systemie niż powietrze.

W przeciwieństwie do wielu innych urządzeń komputery nie mogą być chłodzone wodą , ponieważ woda przewodzi prąd elektryczny i powoduje uszkodzenie elementów elektronicznych. Dlatego płyny stosowane w chłodzeniu zanurzeniowym są cieczami dielektrycznymi , aby zapewnić bezpieczny kontakt z elementami elektronicznymi pod napięciem.

System chłodzony zanurzeniowo

Przykład chłodzenia zanurzeniowego serwera jednego serwera

Ciecze dielektryczne

Zasadniczo ciecze dielektryczne stosowane do chłodzenia zanurzeniowego dzielą się na dwie kategorie: węglowodory (tj. oleje mineralne, syntetyczne lub biologiczne) i fluorowęglowodory (ciecze w pełni opracowane). Ciecze dielektryczne dzielą się na zastosowania jedno- i dwufazowe, które różnią się tym, czy płyn chłodzący zamienia się w gaz podczas cyklu chłodzenia.

Zanurzenie jednofazowe wykorzystuje metodę cyrkulacji cieczy dielektrycznej w gorących elementach elektronicznych oraz metodę wymiany ciepła.
Zanurzenie dwufazowe wykorzystuje fluorowęglowodory, które wrzeją w niskich temperaturach, przenosząc ciepło z komponentów w postaci gazu. Gaz ten jest odzyskiwany, skraplany w wymienniku ciepła i zawracany do komponentów.

Formularze

Zamknięta obudowa wymaga bezkroplowych złączy do połączenia z pojedynczą obudową. Te obudowy są zwykle oparte na tradycyjnych implementacjach typu rack. Złącza bezkroplowe zwykle wymagają małej pętli chłodzenia z obiegiem zamkniętym z chłodziwem, aby chronić integralność przepływu przez stosunkowo małe rury i złącza. Obieg zamknięty jest wspomagany przez CDU lub jednostkę dystrybucji chłodziwa, która zwykle obsługuje wiele szaf jednocześnie.

Otwarta kąpiel odnosi się do „otwartej” granicy faz ciecz-powietrze, a zatem charakterystycznego elementu napięcia powierzchniowego między cieczą a powietrzem. Otwarte systemy kąpieli to zwykle zbiorniki zawierające większą ilość płynu dielektrycznego, w którym zanurzona jest elektronika. Wiele zespołów elektronicznych korzysta z tego samego płynu. Płyn ten może być oparty na technologii jedno- lub dwufazowej. Niezależnie od terminu otwarte systemy wannowe mogą być w pełni uszczelnione, ale zawsze są otwierane od góry w celu obsługi sprzętu IT. Zbiornik chłodziwa w otwartych systemach zanurzeniowych jest podłączony albo do CDU, który cyrkuluje ciecz dielektryczną, albo do zintegrowanego urządzenia do wymiany ciepła, które jest częścią zbiornika. W przypadku interfejsu obiektu, jednostki CDU są zwykle projektowane na 100 kW lub więcej, podczas gdy zintegrowane urządzenie wymiennika ciepła jest zwykle projektowane na wydajność chłodzenia 10-100 kW.

hybrydowe odnosi się do kombinacji zamkniętych i otwartych urządzeń do kąpieli.

Ewolucja

Chłodzenie zanurzeniowe zmniejsza zużycie energii dzięki wyeliminowaniu infrastruktury chłodzenia powietrza, w tym wbudowanych wentylatorów serwerów, klimatyzatorów CRAC, sprężarek klimatyzacji, wentylatorów obiegu powietrza, niezbędnych kanałów, central wentylacyjnych i innych aktywnych systemów pomocniczych, takich jak osuszacze. Systemy te są zastępowane pompami obiegowymi cieczy oraz systemami wymienników ciepła i/lub suchych chłodnic.

Zużycie energii w centrach danych jest często mierzone pod względem efektywności wykorzystania energii (PUE). Definicje PUE dla urządzeń chłodzonych powietrzem i urządzeń chłodzonych cieczą są różne, co sprawia, że takie bezpośrednie porównania są niedokładne. PUE dla centrów danych chłodzonych powietrzem obejmuje moc wykorzystywaną przez wentylatory i inne aktywne komponenty chłodzące znajdujące się w serwerach. PUE do chłodzenia zanurzeniowego cieczą wyklucza te wartości z komponentu IT Equipment Energy, ponieważ te elementy systemu (w szczególności wentylatory pokładowe) są generalnie usuwane ze sprzętu IT, ponieważ nie są konieczne do cyrkulacji chłodziw dielektrycznych. Ta rozbieżność w definicji PUE dla różnych metod chłodzenia powoduje, że PUE centrów danych chłodzonych powietrzem jest ogólnie zawyżone w porównaniu z PUE obiektu chłodzonego cieczą o takim samym zużyciu energii.

Serwery i inny sprzęt IT chłodzony przez chłodzenie zanurzeniowe nie wymagają wentylatorów do cyrkulacji płynu dielektrycznego, dlatego są usuwane z systemu przed zanurzeniem. Pasty termiczne , które są zwykle stosowane w rozpraszaczach ciepła dla procesorów i innych układów scalonych, mogą wymagać wymiany na inny związek, aby uniknąć degradacji termicznej w cieczy dielektrycznej. W zależności od rodzaju zastosowania, jako materiały zastępcze można zastosować lut, folię indową i epoksydy przewodzące ciepło.

Router sieciowy i smartfon zanurzone w syntetycznym jednofazowym płynie chłodzącym zanurzeniowym

Temperatury stosowane w chłodzeniu zanurzeniowym są określane przez najwyższą temperaturę, w której zanurzone urządzenia mogą niezawodnie działać. W przypadku serwerów ten zakres temperatur wynosi zazwyczaj od 15 do 65°C (od 59 do 149°F), jednak w urządzeniach do wydobywania kryptowalut opartych na ASIC zakres ten jest często rozszerzony do 75°C. Ten wzrost w górnej części zakresu temperatur umożliwia centrów danych stosowanie całkowicie pasywnych suchych chłodnic lub znacznie wydajniejszego chłodzenia wyparnego lub adiabatycznego wieże zamiast chłodzenia powietrzem lub agregatów wody lodowej opartych na agregatach chłodniczych. Ten wzrost zakresu temperatur pozwala również operatorom stosującym jednofazowe chłodziwa zanurzeniowe na efektywniejsze wykorzystanie zmian temperatury zewnętrznej w celu uzyskania wydajniejszego chłodzenia w swoich systemach, ponieważ skuteczność systemów jednofazowych nie jest ograniczona temperaturą wrzenia chłodziwa. płynu chłodzącego, jak w przypadku chłodziw dwufazowych.

Wiele odpowiednich marek, takich jak Intel i Facebook, potwierdziło już zalety serwerów zanurzonych.

Obecne komercyjne zastosowania chłodzenia zanurzeniowego obejmują rozwiązania zorientowane na centra danych, chłodzenie serwerów towarowych, klastry serwerów, aplikacje HPCC i wydobywanie kryptowalut . oraz główne architektury oparte na chmurze i hostingu WWW. Producenci pojazdów elektrycznych i akumulatorów stosują również chłodzenie zanurzeniowe w cieczy w akumulatorach, układzie napędowym, systemach odzyskiwania energii kinetycznej , silnikach elektrycznych, sterownikach silników elektrycznych i innych pokładowych podsystemach elektronicznych ^{[ potrzebne źródło ]} . Chłodzenie zanurzeniowe w cieczy jest również stosowane w zarządzaniu termicznym diod LED, laserów, aparatów rentgenowskich i urządzeń do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego ^{[ potrzebne źródło ]} .

Chłodzenie zanurzeniowe jest stosowane do elementów elektronicznych w badaniach głębinowych, gdzie zdalnie sterowane pojazdy podwodne wyposażone w sprzęt elektroniczny są wypełnione jednofazowymi płynnymi dielektrykami, aby chronić je przed korozją w wodzie morskiej oraz jako płyn kompensujący ciśnienie, aby uniknąć zmiażdżenia przez wywierane ekstremalne ciśnienie na ROV podczas pracy na głębokim morzu ^{[ potrzebne źródło ]} . To zastosowanie obejmuje również chłodzenie silników elektrycznych używanych do napędu podwodnego.

Do około 2014 roku technologia ta była zwykle wykorzystywana tylko w specjalnych, bardzo intensywnych projektach superkomputerowych, takich jak Cray Computer Applications. Mimo że oczekiwany wzrost globalnego zużycia energii przez centra danych utrzymuje się na stałym poziomie, coraz większy nacisk kładzie się na efektywność energetyczną, co skłoniło do ponownej oceny zastosowania chłodzenia cieczą zarówno w centrach danych, jak i operacjach wydobywania kryptowalut. Pojawienie się nowych procesorów i procesorów graficznych o bardzo dużej gęstości do użytku w przetwarzaniu w czasie rzeczywistym, sztucznej inteligencji, uczeniu maszynowym i operacjach eksploracji danych powoduje, że użytkownicy i operatorzy centrów danych oceniają chłodzenie zanurzeniowe w cieczy pod kątem możliwości chłodzenia szaf o dużej gęstości. jak zmniejszyć całkowity mechaniczny ślad centrów danych.

Historia

Kamienie milowe zanurzenia w XIX i XX wieku:

Zanurzanie układów elektrycznych (zwłaszcza transformatorów) w płynach dielektrycznych do zarządzania termicznego było stosowane przed 1887 rokiem.
Pierwszy patent, w którym wyraźnie wspomniano o zastosowaniu oleju jako chłodziwa i izolatora, znajduje się w patencie złożonym na transformator prądu stałego w 1899 r. Przez Richarda Fleminga z Lynn w stanie Massachusetts, cesjonariusza General Electric Company of New York
Pierwsza wzmianka o konkretnym zastosowaniu płynów dielektrycznych używanych do chłodzenia „komputerów” pochodzi z 1966 roku od Oktaya Sevgina z IBM.
W 1968 roku Richard C. Chu i John H. Seely, pracujący dla IBM, opatentowali „System chłodzenia zanurzeniowego dla komponentów pakowanych modułowo”.
Seymour R. Cray Jr., założyciel Cray Research, LLC opatentował „Chłodzony zanurzeniowo zespół elektroniczny o dużej gęstości” w 1982 roku.
Cray T90 (wydany w 1995 r.) Wykorzystywał duże wymienniki ciepła ciecz-schłodzona ciecz oraz jedno- lub dwufazowe zanurzeniowe ciecze chłodzące do odprowadzania ciepła
Wraz z pojawieniem się CMOS osiągnięto znaczne oszczędności energii w procesorach, co szybko zmniejszyło wyzwania związane z chłodzeniem systemów HPC. Dopiero w drugiej dekadzie zanurzenie odzyskało trakcję dzięki rosnącym właściwościom termicznym wiórów.

Kamienie milowe zanurzenia XXI wieku:

W 2006 roku firma Hardcore Computer Inc została założona w oparciu o koncepcję wprowadzenia komputerów PC z zamkniętą obudową do gier.
W 2009 roku firma Green Revolution Cooling ponownie uruchomiła koncepcję chłodzenia zanurzeniowego w otwartej kąpieli, wprowadzając komercyjny system zanurzeniowy w otwartej kąpieli do przemysłu HPC
W 2010 roku firma Midas Green Technologies uruchomiła i obsługiwała pierwsze centrum danych z chłodzeniem zanurzeniowym
W 2011 roku Iceotope wprowadził na rynek pierwszą komercyjną technologię opartą na zamkniętej obudowie typu rack, zaprojektowaną specjalnie do wdrożeń w centrach danych.
W 2016 roku firma Asperitas stworzyła pierwszy bezpompowy, jednofazowy, otwarty system zanurzeniowy o dużej gęstości z konwekcją naturalną.
Począwszy od 2016 r., wzrost kryptowaluty staje się główną i znaczącą siłą napędową immersji. Wynika to z wysokich zalet TCO, które są wysoko cenione w kopaniu kryptowalut. Ten okres umożliwił wielu technologiom immersyjnym zdobycie niezbędnego doświadczenia i dojrzałość ich technologii.
Rok 2017 pokazuje dużą liczbę start-upów w dziedzinie chłodzenia zanurzeniowego. Głównie związane z kryptowalutami i rosnącymi wyzwaniami w zakresie zasilania i chłodzenia w branży centrów danych.
W 2018 roku projekt Open Compute oficjalnie obejmuje zanurzenie w nowym projekcie w ramach Rack & Power w ramach ACS (Advanced Cooling Solutions).
na szczycie OCP w San Jose zaprezentowano pierwsze udokumentowane standardy branżowe dotyczące immersji .
W 2020 roku Stowarzyszenie Przemysłu Telekomunikacyjnego publikuje pierwszą wzmiankę o chłodzeniu zanurzeniowym jako realnej opcji chłodzenia.
W 2021 r., gdy właściwości termiczne chipów wykroczyły poza możliwości chłodzenia powietrzem, różne firmy zajmujące się chmurami hiperskalowymi, producenci chipów i producenci OEM serwerów ogłosili przyjęcie chłodzenia zanurzeniowego.
W 2022 roku Intel zapowiada inwestycję 700 mln USD w megalaboratorium zajmujące się chłodzeniem zanurzeniowym i publikuje specyfikację płynu do chłodzenia zanurzeniowego, która umożliwi obsługę gwarancji produktów Intela.

Techniki zanurzeniowego chłodzenia serwerów

Chłodzenie zanurzeniowe w otwartej kąpieli

Chłodzenie zanurzeniowe w otwartej kąpieli to technika chłodzenia centrum danych polegająca na całkowitym zanurzeniu sprzętu IT w płynie dielektrycznym. Aspekt „otwarty” nie odnosi się do systemu otwartego lub zamkniętego, ale odnosi się do „otwartej” granicy faz ciecz-powietrze, a tym samym napięcia powierzchniowego między cieczą a powietrzem, będącego charakterystycznym elementem.

Kąpiele te umożliwiają przepływ płynu chłodzącego przez zanurzone w nim komponenty sprzętowe lub serwery.

Podwójna pętla Jednofazowe zanurzenie wymaga cyrkulacji cieczy dielektrycznych za pomocą pomp lub naturalnego przepływu konwekcyjnego. Płyny te podczas pracy zawsze pozostają w stanie ciekłym. Nigdy się nie gotują ani nie zamrażają. Chłodziwo dielektryczne jest albo pompowane przez zewnętrzny wymiennik ciepła , gdzie jest chłodzone dowolnym płynem chłodzącym, albo chłodziwo jest pompowane przez zanurzony wymiennik ciepła, co ułatwia wymianę ciepła w płynie dielektrycznym.

W układach dwufazowych fluorowęglowodory są stosowane jako płyny przenoszące ciepło. Ciepło jest odprowadzane w systemie dwufazowym, w którym ciecz dosłownie wrze w kontakcie z gorącymi elementami ze względu na jej niską temperaturę wrzenia. System wykorzystuje koncepcję znaną jako „ ciepło utajone”. ”, czyli ciepło (energia cieplna) wymagana do zmiany fazy płynu, ma to miejsce, gdy dwufazowy płyn chłodzący styka się z nagrzaną elektroniką w kąpieli, której temperatura wrzenia przekracza temperaturę wrzenia płynu chłodzącego. Gdy dwufazowy płyn chłodzący przejdzie w fazę gazową, musi zostać schłodzony lub skondensowany, zwykle za pomocą chłodzonych wodą wężownic umieszczonych w górnej części zbiornika. Po skropleniu dwufazowy płyn chłodzący ścieka z powrotem do głównego zbiornika chłodzącego. Dwufazowy płyn chłodzący w zbiorniku na ogół pozostaje w swojej „temperaturze nasycenia”. Energia przekazywana z serwerów do chłodziwa dwufazowego spowoduje, że jego część odparuje do stanu gazowego. Gaz unosi się ponad poziom cieczy, gdzie styka się z a skraplacz , który jest chłodniejszy niż temperatura nasycenia. Powoduje to, że chłodziwo w stanie gazowym skrapla się z powrotem do postaci ciekłej i opada z powrotem do kąpieli.

Zamknięte chłodzenie zanurzeniowe obudowy

Uszczelnione zanurzeniowe chłodzenie serwerów zamyka serwery w nieprzepuszczających cieczy obudowach. Chłodziwo dielektryczne krąży wewnątrz lub jest pompowane przez każdy serwer w celu odebrania ciepła z komponentów. Ogrzany płyn jest kierowany do wymiennika ciepła w szafie, gdzie jest albo kierowany bezpośrednio na zewnątrz budynku do wieży chłodniczej lub do wymiennika ciepła, albo chłodzony bezpośrednio w szafie z infrastrukturą chłodzącą obiektu. Główną zaletą tego podejścia jest to, że serwery są montowane w samodzielnych pojemnikach, które można wymienić w szafie bez dostępu do płynu. Wadą jest to, że nie każdy sprzęt może być używany, ponieważ sprzedawca określa specyfikacje sprzętowe zapieczętowanych serwerów.

Zagrożenia pożarowe

Niektóre zanurzeniowe płyny chłodzące na bazie węglowodorów stwarzają zagrożenie pożarowe, ponieważ mają punkt zapalny .

Inne zastosowania

Ogrzewanie domowe lub procesowe

W ciągu ostatnich kilku lat ^{[ kiedy? ]} , chłodzenie zanurzeniowe, szczególnie w przypadku wydobywania bitcoinów, stało się popularną metodą generowania ciepła użytkowego. W zimnym klimacie pojedynczy górnik ASIC może zapewnić bardzo wysoką konwersję ciepła elektrycznego, wystarczającą do ogrzania całego domu. Chłodzenie zanurzeniowe umożliwiło cichą konwersję ciepła odpadowego z działalności wydobywczej na ogrzewanie wody, topienie śniegu, ogrzewanie podłogowe, podgrzewanie wanien i basenów z hydromasażem, sklepów, budynków gospodarczych, szop i szklarni. Istnieje przekonujący argument przemawiający za połączeniem operacji wydobycia bitcoinów z wewnętrznymi farmami pionowymi i tradycyjnymi szklarniami w celu zrównoważenia lub wyeliminowania kosztów ogrzewania obiektów. Z bezpłatnego ciepła odpadowego mogą również korzystać obiekty rekreacyjne wewnątrz i na zewnątrz, zarówno publiczne, jak i prywatne. Istnieje kilka firm, które dostarczają ogrzewanie oparte na komputerach do zastosowań mieszkaniowych i komercyjnych. ^{[ potrzebne źródło ]}

Zobacz też