Оскільки центри обробки даних мають щільно упаковане обладнання і перебувають у безперервній роботі, вони генерують багато тепла (кожен сервер може мати потужність у кілька кіловат до десятків кіловат). Якщо тепло не може бути розсіюється вчасно, це призведе до перегріву обладнання, погіршення продуктивності та навіть відмови. Тому проект системи охолодження безпосередньо впливає на енергоефективність, надійність та експлуатаційні витрати центру обробки даних. Далі наведено детальне введення з аспектів системного складу, методів охолодження, ключових технологій та тенденцій розвитку.
1. КОРОТКОВІ компоненти системи охолодження центру обробки даних
Система охолодження центру обробки даних зазвичай складається з таких частин, які працюють разом для досягнення ефективної передачі тепла та розряду:
● Бічне обладнання джерела тепла
Компоненти, що генерують тепло, такі як сервери, пристрої для зберігання, обладнання для живлення (наприклад, UPS) тощо, спочатку охолоджуються вентиляторами або пасивними тепловими раковими.
● Середній передача тепла
Повітря: середовище традиційної системи охолодження повітря, низька вартість, але низька ефективність теплопровідності (теплопровідність повітря приблизно 0. 026 Вт\/м ・ K).
Рідка: середовище системи охолодження рідини, наприклад, вода або охолоджуючі засоби, такі як мінеральна олія та фторована рідина, має значно більшу теплопровідність, ніж повітря (теплопровідність води приблизно {{0}}. 6 мас.
● обладнання для холодильного та теплового розсіювання
Прецизійна кондиціонер (CRAC\/CRAH): забезпечує постійну температуру та вологість холодне повітря для контролю середовища центру обробки даних (типова температура 20-24 градус, вологість 40%-60%).
Чиллер: видаляє тепло через циркуляцію води, зазвичай використовується у великих центрах обробки даних або системах охолодження рідини.
Охолоджуюча вежа\/сухий охолоджувач: розряджає тепло до атмосфери на відкритому повітрі, розділене на водяне охолодження (вимагає води) і сухе охолодження (повітряне охолодження, економія води, але менш ефективна).
Теплообмінник: наприклад, теплообмінник та теплообмінник з тепловою трубою, яка використовується для обміну теплом між різними носіями.
● Компоненти управління потоком повітря\/рідини
Протоки та протоки: направляйте потік повітря для досягнення холодної та гарячої ізоляції.
Трубопровід рідкого охолодження: включаючи насоси, клапани, лічильники потоку тощо, щоб забезпечити циркуляцію теплоносія.
Компоненти на рівні шафи: такі як вентилятори задньої площини, холодні тарілки та пристрої для розпилення (занурювальне рідке охолодження).
● Система управління
Датчики (температура, вологість, тиск) та інтелектуальні контролери динамічно регулюють роботу охолодження обладнання для оптимізації енергоефективності.
2. Класифікація методів охолодження центру обробки даних
На основі середовища теплопередачі та технічного шляху методи охолодження можна розділити на три категорії: охолодження повітря, охолодження рідини та природне охолодження. Кожен метод має різні застосовні сценарії та переваги та недоліки.
● Повітряне охолодження (повітряне охолодження)
Принцип: Тепло обладнання видаляється потік повітря, а гаряче повітря охолоджується системою кондиціонування, а потім переробляти або скидають назовні.
Типові технології:
Комп'ютерне охолодження на рівні кімнати:
Точне кондиціонер безпосередньо постачає повітря в комп'ютерну кімнату, а гаряче повітря повертається через стелю або під підлогою. Вартість низька, але енергоефективність середня (Pue висока, приблизно 1. 5-2. 0).
Заходи вдосконалення: ізоляція гарячих та холодних каналів (додають гарячі канали або холодні канали, щоб уникнути змішування потоку повітря), підліткове подача повітря (використовуючи підвищені підлоги для транспортування холодного повітря, поширених у традиційних центрах обробки даних).
Повітряне охолодження на рівні шафи:
У шафі є вбудовані вентилятори або вентилятори задньої площини для посилення теплового розсіювання однієї шафи (підходять для шаф середньої щільності, потужності менше або дорівнює 15 кВт).
У поєднанні з кондиціонерним кондиціонером (кондиціонер розгортається між рядами шафи для скорочення шляху потоку повітря та підвищення ефективності).
Переваги: зріла технологія, низька вартість розгортання, легке обслуговування.
Недоліки: низька теплоємність повітря, недостатня ефективність у сценаріях високої потужності (оновлення до охолодження рідини при потужності одиничного шафи> 20 кВт).
● Рідке охолодження (рідке охолодження)
Принцип: Використовуйте рідке середовище, щоб безпосередньо або опосередковано контактувати з компонентами, що генерують тепло, забирайте тепло через циркуляцію, а потім перенесіть тепло в систему охолодження на відкритому повітрі через теплообмінник.
Класифікація та технології:
Непряме рідке охолодження (тип холодної пластини):
Компоненти, що генерують тепло (наприклад, процесор, GPU), контактують через металеву холодну пластину, а теплоносія (вода або непровідна рідина) тече в холодну пластину, щоб поглинати тепло, не контактуючи з електронними компонентами.
Переваги: Висока безпека (непровідна рідина необов’язкова), сумісна з існуючою архітектурою сервера та низькою складністю в перетворенні.
Застосування: Сценарії обчислень високої щільності (такі як сервери AI, кластери HPC), потужність одного шафи може досягти 20-50 kw.
Пряме рідке охолодження (занурення):
Серверне обладнання повністю занурене в непровідну фторовану рідину або мінеральну олію. Рідина поглинає тепло і випаровує, а парових скрапів і протікає назад через конденсатор (фазова зміна охолодження, більша ефективність).
Переваги: Надзвичайно висока ефективність розсіювання тепла (потужність одиничної шафи може досягати більше 100 кВт), не потрібно вентилятора, низький шум, PUE може бути до 1,05 або менше.
Програми: надвисокі обчислення продуктивності, гірничі ферми блокчейн, масштабні навчальні кластери AI.
Розпилення рідкого охолодження:
Хломустість розпорошується на поверхню нагрівального елемента через насадку в поєднанні з випаровуванням для поглинання тепла, яке знаходиться між типом холодної пластини та типом занурення.
Переваги: висока ефективність розсіювання тепла, значно знижена PUE та підтримка надвисокої щільності потужності.
Недоліки: Високі початкові інвестиції (необхідна модифікація кабінету та трубопроводу), складність високої технічного обслуговування та необхідне професійне управління охолоджуючою рідиною.
● Натуральне охолодження (безкоштовне охолодження)
Принцип: Використовуйте природні джерела холодного холоду (такі як низькотемпературне повітря, ґрунтові води, охолоджуючі вежі) для заміни механічного холодильника для зменшення споживання енергії.
Типові технології:
Натуральне охолодження на стороні повітря:
Охолодження свіжого повітря: зовнішнє низькотемпературне повітря безпосередньо вводиться в центр обробки даних після фільтрації (вологість та пил повинні бути суворо контрольовані), а гаряче повітря викидається на вулиці.
Теплова труба\/теплообмінник: тепло в приміщенні передається назовні через теплові труби або теплообмінники пластини, щоб уникнути прямого змішування повітря (підходить для ділянок з високою вологістю).
Натуральне охолодження на воді:
Використовуйте охолоджуючі вежі або сухі охолоджувачі, щоб безпосередньо використовувати чиллі, щоб забезпечити низькотемпературну охолоджувальну воду, коли зовнішня температура низька, скорочуючи час роботи компресора.
У поєднанні із системою циркуляції закритого води забруднення води не вражає впливу теплового розсіювання.
Джерело ґрунту\/джерело води: охолодження:
Використовуйте підземні води, вода з озер або ґрунтові теплообмінники для видобутку природних джерел холоду через системи теплового насоса, які є екологічно чистими, але обмеженими географічним розташуванням.
Переваги: значно зменшуйте споживання енергії охолодження, PUE може бути до 1,1 або нижче, зеленого та енергозберігаючого.
Недоліки: залежить від умов клімату на відкритому повітрі (очевидні переваги в холодних районах) та вимагає додаткового обладнання для теплообміну.
3. Ключові технології та інновації
На додаток до вищезазначених основних методів, технологія охолодження центру обробки центрів обробки розвивається у напрямку високої ефективності, інтелекту та низької карбонізації. Нижче наведені поточні основні та передові технології:
● Технологія охолодження високої ефективності
Магнітна левітація Chiller: Використання компресора магнітного левітації, жодне змащувальне втрата нафти, коефіцієнт енергоефективності (COP) може досягти більш ніж 10, що більше 30% економія, ніж традиційні відцентрові чиллі.
Випалення охолодження: зниження температури повітря, поглинаючи тепло через випаровування води (наприклад, зволожувач для вологої плівки + вентилятор), придатний для сухих ділянок, може значно зменшити попит на механічне охолодження.
Двофазне охолодження потоку: Використання зміни рідкої фази (конденсація випаровування) для ефективної передачі тепла, наприклад, теплової труби петлі (LHP) та імпульсна теплова труба (PHP) для розсіювання тепла на рівні мікросхеми.
● Оптимізація інтелекту та енергоефективності
AI та машинне навчання:
Проаналізуйте історичні дані за допомогою алгоритмів AI, прогнозують зміни навантаження, динамічно регулюють робочі параметри кондиціонерів, вентиляторів, водяних насосів та іншого обладнання та досягти оптимізації енергоефективності (наприклад, технологія Deepmind Google може зменшити споживання енергії холодильного охолодження на 40%).
Моніторинг гарячих точок у режимі реального часу, автоматичне регулювання розподілу повітряного потоку або розподілу рідини, щоб уникнути локального перегріву.
Цифровий близнюк: Створіть віртуальну модель центру обробки даних, імітуйте ефекти різних розчинів охолодження та оптимізуйте стратегії макета та експлуатації та обслуговування.
● Відносити відновлення тепла та нейтралітет вуглецю
Повторне використання тепла: переробити тепло, що викидається із системи охолодження для опалення, гарячої води або промислових процесів (наприклад, північного центру обробки даних у поєднанні з регіональною системою опалення) для поліпшення загального використання енергії.
Синергія зеленої енергії: поєднуйте відновлювану енергію, таку як фотоелектрика та енергія вітру, щоб живити систему охолодження та зменшити викиди вуглецю; Деякі центри обробки даних використовують паливні елементи, тепло, що відходи, можна безпосередньо використовувати для нагрівання або виробництва електроенергії.
Натуральні холодоагенти з робочою рідиною: використовуйте низький рівень GWP (потенціал глобального потепління), такі як аміак (NH3) та вуглекислий газ (Co₂) для заміни традиційного фреона, відповідно до екологічних норм (наприклад, правил ЄС F-гази).
● Популяризація технології зануреного рідкого охолодження
З вибухом AI та високоефективних обчислень сервери високої щільності (наприклад, кластери GPU) сприяли зануреному рідкому охолодженню, щоб стати гарячою точкою:
Особливості фторованої рідини: ізоляція, низька температура кипіння (приблизно 50-60 ступінь), придатні для охолодження зміни фази, не потрібно змінювати апаратне забезпечення сервера.
Тенденція зниження витрат: При масштабному застосуванні ціна фторованої рідини поступово знизилася, і її можна повторно використати (тривалість життя понад 10 років), і довгострокові переваги витрат є очевидними.
4. Сценарії вибору та застосування технологій охолодження
Вибір рішень для охолодження для центрів обробки даних повинен всебічно розглянути щільність потужності, географічне розташування, бюджет та енергоефективні цілі:
| Сценарій | Рекомендоване метод охолодження | Типовий пей | Одиночна потужність шафи |
| Низька щільність потужності (<5 kW) | Комп'ютерне охолодження на рівні кімнати + ізоляція холодних та гарячих каналів | 1.5-1.8 | Менше або дорівнює 5 кВт |
| Середня щільність потужності (5-20 kw) | Повітряне охолодження на рівні шафи + кондиціонер на рядок до ряду | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| Висока щільність потужності (20-50 kw) | Холодна тарілка Рідке охолодження + натуральне охолодження | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 кВт) | Занурене рідке охолодження + відновлення тепла | 1.05-1.1 | 50-100 KW+ |
| Холодні ділянки | Природне охолодження (повітря\/вода) + допоміжне охолодження | 1.08-1.2 | Гнучкий |
| Посушливі ділянки | Випарне охолодження + натуральне охолодження | 1.1-1.3 | Гнучкий |
5. Майбутні тенденції розвитку
●Центри обробки даних з низьким вмістом вуглецю та нульового вуглецю:Керовані політиками (такими як цілі "подвійного вуглецю" Китаю), природне охолодження, відновлення тепла та відновлювана енергія стануть основними, а ціль PUE буде рухатися до 1. 0.
● Масштабування технології рідкого охолодження:AI та Edge Computing Drive попиту на високу щільність, занурення рідке охолодження проникає від сценаріїв високого класу до загальних центрів обробки даних, а галузеві стандарти (наприклад, специфікації рідини OCP) поступово уніфіковані.
● Точне розсіювання тепла на рівні мікросхеми:Мікроканальне охолодження, охолодження розпилення та інші технології безпосередньо діють на мікросхемі для зменшення втрати шляху передачі тепла.
● Повно-ланцюговий інтелект:Від моніторингу обладнання до глобальної оптимізації, AI та Інтернет речей (IoT) глибоко інтегровані для досягнення "прогнозного обслуговування" та адаптивного охолодження.
●Модуляризація та збірна:Забезпечені шафи з рідким охолодженням та центри обробки даних типу контейнерів прискорюються для розгортання, скорочення будівельного циклу та зменшення витрат на експлуатацію та обслуговування
Система охолодження центру обробки даних є ключовим посиланням на балансування продуктивності, вартості та енергоефективності. Вибір технологій повинен бути адаптований до місцевих умов та потреб. З вибухом обчислювального попиту на електроенергію та просуванням зеленої трансформації, ефективне рідке охолодження, природне охолодження та інтелектуальне управління стане основним напрямком майбутнього розвитку, що сприяє еволюції центрів обробки даних до "низьковуглець, ефективного та стійкого".
