Udvikling og diskussion af Liquid-Cooling Data Center Engineering Technology

 

Da væskens specifikke varmekapacitet pr. volumenenhed er omkring 1,000 gange luftens, har væskekøling (varmeafledning) langt større kølekapacitet end konventionel luftkøling. Det er en effektiv løsning til at sprede varme genereret af ultrahøje varmefluxtætheder. I 1964 udviklede IBM verdens første kølede vandkølede computer, System360, for at imødegå overophedning og nedetid af store mainframes, banebrydende væskekølede computere. For nylig, drevet af nationale og lokale energieffektivitetsstyringspolitikker, har væskekølingsteknologi igen fået bred opmærksomhed i datacenterindustrien, hvilket har ført til udviklingen af ​​en række væskekølede datacenterteknologier.

 

 

I Implementeringsmetoder for væskekøling

 

I bred forstand refererer væskekøling til alle teknologier relateret til væskekøling. Industrien er bekendt med metoder som at installere koldtvandsspiraler på bagpanelerne af stativer, som betragtes som væskekøling, der falder ind under det brede begreb væskekøling. China Institute of Electronics (CIE) præciserede under udviklingen af ​​en række væskekølede datacenterdesignstandarder begrebet væskekøling gennem industridiskussioner. Ifølge deres definition refererer væskekøling specifikt til den direkte fjernelse af varme genereret af elektroniske chips ved hjælp af væsker, så den snævre definition af væskekøling refererer kun til køleprocessen inde i serveren.

 

Fra perspektivet af den snævre definition af væskekøling kan den klassificeres i to hovedkategorier: direkte kontakt mellem kølevæsken og den elektroniske chip eller indirekte kontakt via et fast materiale med høj termisk ledningsevne. Disse kan så yderligere opdeles ud fra kontaktform, type kølevæske, og om kølevæsken gennemgår et faseskift. Væskekølingsmetoder anses generelt for at falde i otte kategorier (se tabel 1).

 

▲ Tabel 1: Klassificering af implementering af væskekøling

 

 

II Efterspørgsel efter væskekøling i datacenterscenarier

 

Ligesom konventionelle luftkølede systemer, der almindeligvis bruges i datacentre, er væskekølingens rolle at fjerne den varme, der genereres af it-udstyr såsom servere og andet facilitetsudstyr (f.eks. UPS-batterier) for at opretholde et relativt stabilt miljø med passende temperatur og fugtighed i datacenteret.

 

For det første er behov for varmeafledning den centrale drivkraft bag udviklingen af ​​væskekøleteknologi. Da efterspørgslen efter databehandlingskapaciteter vokser hurtigt, vil integrationen af ​​elektroniske chips sandsynligvis fortsætte med at vokse eksponentielt i fremtiden. Dette vil føre til stigende effekttæthed og varmefluxtæthed. Behovet for hurtigere datatransmissionshastigheder og øget brugerkomfort vil drive højere integration af udstyr, hvilket igen vil føre til større varmeafledningskrav til it-udstyr såsom servere. Dette vil også øge miljøkravene til drift. Som følge heraf vil luftkøling kræve blæsere med højere hastighed, større diameter og større varmeafledningskanaler, hvilket resulterer i betydelig støj, større miljøpåvirkning af varme og øgede konstruktions- og driftsomkostninger. Væskekøling giver et bedre forhold mellem omkostninger og ydeevne.

 

For det andet driver energieffektivitetsstyringspolitikkerne indførelsen af ​​væskekølingsteknologi. En anden vigtig grund til, at datacenterindustrien fokuserer på væskekøling, skyldes nationale og lokale politikker for energieffektivitetsstyring. De nationale og lokale krav til datacenters strømforbrugseffektivitet (PUE) bliver strengere, hvilket bringer væskekøling frem i datacenterindustriens søgelys. Den seneste nationale standard, Data Center Energy Efficiency Limit Values ​​and Energy Efficiency Grades (GB 40879-2021), kræver, at energiforbruget er under 1,3, hvilket er svært at opnå ved brug af luftkøling alene i de fleste dele af landet, hvilket nødvendiggør brug af væskekølingsteknologi.

 

For det tredje kan bekvemmeligheden ved genvinding af spildvarme føre til indførelsen af ​​væskekøling i datacentre. Datacentre bygget ved hjælp af flydende køleløsninger har relativt højere kvalitet overskudsvarme og er nemmere at genvinde. Spildvarmegenvindingsprojekter i væskekølede datacentre er en effektiv måde at opnå en omfattende energiudnyttelse og forbedre energieffektiviteten. Nogle forskere har allerede foreslået ideen om at bygge store datacentre som varmekilder til byer eller industriparker.

 

 

III Udvikling af væskekølet datacenterteknologi

 

Processen med at fjerne den varme, der genereres af elektroniske chips gennem væskekøling, er kun begyndelsen på afkølingsprocessen i et datacenter. Kontinuerlig varmegenerering fra elektroniske chips kræver vedvarende, stabil og pålidelig drift af væskekølingsdatacenterteknologi for at opretholde chipkøling.

 

Principperne og praksis for væskekøling adskiller sig fra luftkøling. Specifikt viser begreberne varmeafledning og afkøling subtile forskelle: startende fra over stuetemperatur eller under stuetemperatur. For bedre at organisere den væskekølede datacenterteknologiske ramme, ses elektroniske chips som kilden med det formål at overføre den varme, der genereres af chipsene, til uden for datacentret, hvilket sikrer stabil drift af it-udstyr. Væskekølet datacenterteknologi er således opdelt i primære og sekundære køleprocesser. Dette koncept adskiller sig fra de primære og sekundære sider af konventionel datacenterluftkøling.

 

Den primære afkølingsproces af væskekølet datacenterteknologi afkøler komponenter med høj varmefluxtæthed i elektronisk it-udstyr og overfører den genererede varme uden for stativet. Det omtales også som primær køling (varmeafledning), indledende køling, intern køling eller intern cirkulationskøling. Den primære køleproces er strengt taget en væskekølingsproces og involverer typisk et lukket kredsløb af væskekøleudstyr eller -komponenter ved chipenden, en kølefordelingsenhed (CDU), kølevæskedispensere og rørledninger. Kølefordelingsenheden (CDU) indeholder pumper og varmevekslere, der sørger for cirkulationskraften til kølevæsken. En typisk primær køleproces involverer cirkulation af en bestemt temperatur og flow af kølevæske fra CDU'en til væskekøleudstyret eller komponenterne i chipenden. Kølevæsken udveksler varme med spånerne gennem direkte kontakt eller indirekte kontakt via materialer med høj varmeledningsevne såsom metaller. Den opvarmede højtemperaturkølevæske eller kølevæskedamp strømmer derefter tilbage til CDU'en via rørledningerne, hvor den udveksler varme med den sekundære kølevæske. Efter afkøling drives lavtemperaturkølevæsken tilbage til det flydende køleudstyr eller komponenter i chipenden af ​​CDU'en, hvorved en fuld cyklus afsluttes. Almindelige kølemidler, der anvendes i den primære køleproces, omfatter ethylenglycolopløsninger, propylenglycolopløsninger, deioniseret vand osv., og nogle opløsninger bruger fluorholdige væsker, selvom de fysiske krav til kølemidler varierer betydeligt på tværs af forskellige flydende køleopløsninger.

 

En kølefordelingsenhed (CDU) er et almindeligt brugt udstyr. En typisk CDU-arkitektur er vist i figur 1. Udover at give cirkulationskraft og varmeudveksling til kølevæsken i den primære køleproces, tjener dette udstyr også rollen som fordeling af kølekraft (ikke kun kølevæskeflow). Derfor har den typisk følgende funktioner:

 

1) Temperatur- og flowstyring: Dynamisk overvågning af kølevæsketemperatur og flow i den primære køleproces via temperatur- og flowsensorer. Baseret på indbyggede modeller justerer CDU dynamisk kølevæskens temperatur, flow eller forsyningstryk for at give tilstrækkelig kølekapacitet og samtidig undgå kondens i den primære kølekreds.

2) Sikring af fysisk adskillelse mellem den primære kølevæske og den sekundære kølevæske.

3) Online- eller bypass-filtrering af kølevæsken.

4) Understøtter netværksstyring.

 

▲ Figur 1: En typisk CDU-arkitektur (Cooling Distribution Unit).

 

Den sekundære køleproces i væskekølet datacenterteknologi overfører den varme, der fjernes af den primære køleproces uden for datacentret, også kendt som sekundær køling, ekstern køling, ekstern cirkulationskøling eller varmeafledning. Det sekundære kølemiddel i denne proces kan være luft, kølevand, vandbaserede opløsninger (f.eks. ethylenglycolopløsninger, glycerinopløsninger) eller kølemidler, der under ét benævnes sekundære kølemidler. Hvis luft bruges som det sekundære kølemiddel, er den sekundære køleproces beslægtet med den konventionelle køleproces inde i et datacenter. Hvis der anvendes en vandbaseret opløsning, cirkulerer den sekundære kølevæske i det, der kaldes en sekundær kølekreds.

 

Varmeudvekslingen mellem den primære og sekundære kølesløjfe sker i CDU. Efter varmeudveksling i CDU'en kommer det sekundære højtemperaturkølevæske ind i en kølekilde eller spildvarmegenvindingsudstyr, hvorved varmen overføres til miljøet eller genbruges. Den sekundære kølevæske strømmer derefter tilbage i varmeveksleren efter afkøling og afslutter en fuld cyklus. Kølekilden kan være et køletårn, tørkøler, chiller osv. Da den primære køleproces giver mulighed for, at den sekundære kølevæskes indløbstemperatur når 30 grader eller højere, kan kølekilden udelukkende fungere på naturlig køling, hvilket forklarer hvorfor væskekøling teknologi kan opnå relativt ideel Power Usage Effectiveness (PUE). Et typisk diagram af væskekølingsteknologi er vist i figur 2.

 

▲ Figur 2: Liquid Cooling Engineering Technology Diagram

 

Nogle flydende køleteknologier bruger et design, der udelukkende er baseret på den primære køleproces, hvor kølevæsken direkte overfører varme til miljøet. Men i de fleste tilfælde kræver dette høje fysiske renhedsstandarder for kølevæsken, hvilket øger omkostningerne. Hvis rørledningerne er for lange, påvirkes systemets overordnede økonomi. Derfor er primære køledesign bedst egnet til kompakte konfigurationer.

 

 

IV Diskussion om de fremtidige udviklingstendenser for væskekølede datacentre

 

Samlet set er den fremtidige udvikling af væskekølede datacentre stadig forbundet med usikkerhed.

 

For det første vil drivkraften for fremme af væskekølingsteknologi stadig primært være baseret på IT-udstyrs krav til køling (varmeafledning). Dette er dog bygget på forudsigelser om fremtidige tendenser inden for udvikling af elektroniske chip, samt antagelsen om, at omkostningseffektiviteten af ​​væskekøleteknologi gradvist vil etablere en fordel i forhold til luftkøleteknologi. Ikke desto mindre er der stadig en mulighed for, at de høje omkostninger ved væskekøling kan føre til alternative chipdesign, der reducerer krav til afkøling og varmeafledning.

 

For det andet adskiller konstruktions- og brugsmodellen af ​​væskekølede datacentre sig væsentligt fra konventionelle luftkølede datacentre. Det karakteristiske ved væskekølede datacentre er den høje grad af kobling mellem it-udstyr og infrastruktur. Med hensyn til tekniske principper og pålidelighedssikring kan de i det væsentlige ikke opnå samme grad af afkobling som konventionelle luftkølede datacentre. Som følge heraf opererer forskellige tekniske løsninger og udstyrsleverandører stort set uafhængigt af hinanden. Datacenterejere vil sandsynligvis blive dybt bundet til en specifik teknologiløsningsudbyder. Anvendelsen af ​​væskekølingsteknologi i datacentre kan ses som en udvikling baseret på forstyrrelsen af ​​den originale kommercielle model, konstruktionsmodel og industrielle model for konventionelle luftkølede datacentre. Traditionelle kabinetleasingtjenester er stort set uanvendelige til væskekølede datacentre. Dette udgør en væsentlig hindring for yderligere fremme af væskekøleteknologi.

 

For det tredje kræver pålideligheden af ​​væskekølede datacentre stadig validering. Selvom nuværende udbydere af væskekølede datacenterløsninger har foreslået løsninger såsom forbedret pålidelighedstest og tilføjelse af lækagedetektions- og alarmenheder til kølevæsken, er der bekymring for potentielle lækager i væskekølekredsløbet i kabinettet, hvilket fører til beskadigelse af it-udstyr, forbliver et emne af udbredt bekymring i branchen.

 

Løsningen af ​​disse usikkerheder er dybt afhængig af omfanget af anvendelsen. At løse dette tilsyneladende uløselige problem, monopolisering af markedet og kontrol af upstream- og downstream-industrien, som utallige gange har vist sig at overtræde lovene for økonomisk udvikling, er ikke svaret. Historien har gentagne gange vist, at de, der først kan etablere en industriel kæde og økosystem baseret på arbejdsdeling og samarbejde, har større sandsynlighed for at få succes i konkurrencen. Før man finder en teknisk vej, der afkobler IT-udstyr fra infrastruktur, vil standardisering ikke være en magisk løsning på afkoblingsproblemet, og det vil heller ikke være et effektivt middel til at begrænse eller angribe konkurrenter. Brug af standardisering som et værktøj til støt at fremme afkobling baseret på at finde fælles fodslag og samtidig bevare forskelle, effektivt dele erfaringer og fremme adskillelsen af ​​fremstillings- og serviceprocesser for at opnå specialisering og forfining, kan dog hjælpe med at reducere de samlede applikationsomkostninger. Kontinuerlig forbedring gennem applikationstest kan føre til dannelsen af ​​en positiv feedback-sløjfe, der udvider omfanget af væskekøling, hvilket potentielt bliver den nødvendige vej for udviklingen af ​​væskekølingsteknologi.

 

 

V Konklusion

 

Afhængigt af faktorer som serverkompatibilitet, typen af ​​kølevæske og driftstemperaturen for væskekøling, varierer de tekniske teknologier til væskekølede datacentre i overensstemmelse hermed. I øjeblikket er ingeniørteknologierne under hver teknisk rute stadig under udvikling og færdiggørelse, og der er endnu ikke en industrianerkendt perfekt teknisk rute. Der er heller ikke konsensus om de specifikke relevante underområder for hver teknisk rute. At søge den ultimative sikkerhed vil afhænge af faktorer som økonomien, pålideligheden og vedligeholdelsesevnen af ​​væskekølet datacenterteknologi, såvel som at finde optimale løsninger gennem kontinuerlig praktisk anvendelse.