Погружные (иммерсионные) технологии охлаждения
Бурное развитие производительности вычислительных устройств пришло к тому, что охлаждение стало требовать значительных ресурсов. Наряду с попытками повышения эффективности традиционных воздушных систем охлаждения, стали разрабатываться альтернативные способы охлаждения с использованием жидкостей. В данном разделе рассматривается технология полного погружения вычислительной техники в диэлектрический теплоноситель.
Существует множество различных диэлектрических теплоносителей разных по свойствам и происхождению, как минеральных, так и синтетических. При построении системы иногда возникают особые требования, например по пожарной безопасности. Поэтому для повышения качественных свойств системы следует уделить внимание таким параметрам жидкостей как:
- Гигроскопичность
- Вязкость
- Теплоёмкость
- Летучесть
- Безопасность
- Происхождение
- Срок службы
- Химическая нейтральность
- Стоимость
Гигроскопичность – это способность поглощать водяные пары. Поэтому лучше, если значение данного показателя будет стремиться к нулю. Отсутствие воды в теплоносителе является гарантией безотказной работы системы в целом. Данный параметр можно условно игнорировать при применении специальных осушающих сепараторов в контуре циркуляции.
Высокая вязкость является помехой работе насосов и одновременно ухудшает отвод тепла от элементов с установленными радиаторами. Этот параметр определяется размерами молекул теплоносителя. Современная химическая промышленность может предоставить диэлектрический теплоноситель с практически любым параметром вязкости. Однако следует иметь в виду, что большим молекулам сложнее омывать ребра радиаторов и, следовательно, отводить тепло. По этой же причине насосы так же испытывают дополнительную нагрузку при перекачке жидкостей с высокой вязкостью, что влияет на энергопотребление.
Теплоёмкость – данный параметр выбирается по принципу «чем больше, тем лучше». Больший показатель позволит применить более низкую скорость циркуляции и более высокую температуру теплоносителя. Это напрямую влияет на энергопотребление системы циркуляции.
Летучесть — теплоноситель должен обладать низким коэффициентом летучести, просто для того, что бы он не испарялся и не требовался постоянный его долив. В противном случае потребуется изготовление специального герметичного контейнера.
Негорючесть – данное свойство позволяет оценить такой параметр диэлектрической жидкости, как температура вспышки. Этот параметр так же связан с вязкостью жидкости, поэтому при подборе придется учитывать оба. Высокий показатель по температуре вспышки обеспечивает необходимый уровень пожарной безопасности.
Токсичность должна быть минимальной, так как с жидкостью будет сталкиваться персонал. Это обусловлено тем, что при нагреве в любом случае будут появляться пары теплоносителя.
Происхождение жидкости минеральное либо синтетическое – это всего лишь возможность выбора того или иного теплоносителя. Некоторые минеральные диэлектрики, например предназначенные для трансформаторов, имеют темно-желтый цвет и выраженный нефтяной запах, но при этом имеют низкую цену. Однако существуют минеральные масла без цвета и запаха. Синтетические диэлектрики так же бесцветны и доступны в широком диапазоне вязкости.
Срок службы. Данный параметр важен и напрямую связан с тем, как скоро Вам придется обращаться за очередной партией масла для замены. Современные диэлектрические масла имеют длительные сроки службы, и при соблюдении правил эксплуатации составляют более 5 лет.
Химическая нейтральность. Данный параметр важен, так как в жидкость погружается дорогостоящее оборудование. Чтобы теплоноситель не вступал в химическую реакцию с компонентами вычислительной техники и не изменял свойств изоляции, он должен быть полностью химически инертен.
Стоимость — параметр зависящий, и от имени производителя, и от природы происхождения жидкости. Существует довольно большой выбор жидкостей с различными свойствами. Поэтому при необходимости мы подберем для Вас теплоноситель, наилучшим образом удовлетворяющий Вашим требованиям.
Данный подход подразумевает, что вычислительное и вспомогательное оборудования погружается в жидкий теплоноситель. Подобный способ охлаждения давно применяется в электрических трансформаторах. В случае охлаждения электроники погружением применяется нетоксичное, прозрачное, без запаха масло синтетическое либо минеральное.
Воздух – это скорее теплоизолятор, чем теплоноситель. Жидкий диэлектрик обладает теплоёмкостью в 1200 раз превышающей показатели воздуха. Это дает значительные преимущества при эксплуатации оборудования. Например, поддержание значения температуры диэлектрического теплоносителя на уровне 35 °C требует значительно меньших энергозатрат, чем подача воздуха температурой 13°C. При этом в первом случае температура процессора будет ниже!
Вся система состоит из четырех основных компонентов:
- ёмкость для погружения вычислительного оборудования
- насосный модуль, включающий теплообменник и фильтр (Н)
- блок контроля и управления (БУ)
- внешний теплообменный модуль (ТО)
Ёмкость для погружения представляет собой серверную стойку, положенную на бок и помещенную в контейнер для жидкости, через который циркулирует диэлектрический теплоноситель. Тепло от вычислительного оборудования забирается теплоносителем и переносится в теплообменник, где происходит передача тепла воде (см. рисунок). Применение внутристоечных крепежей стандартного форм-фактора позволяет использование вычислительных модулей всех доступных на рынке производителей.
Кроме погружных ванн доступен другой способ охлаждения диэлектрическим теплоносителем. В нем каждый из вычислительных серверов упаковывается в отдельный герметичный корпус – контейнер, имеющий на торце все необходимые для подключения к «внешнему миру» разъемы, включая гидравлические разъемы для подвода и отвода масла.
Такой способ компоновки, дает сравнительно большую плотность установки в расчете вычислительных ядер на квадратный метр площади, так как размещение возможно в несколько ярусов.
Обслуживание вычислительной техники
Для проведения работ, связанных с заменой компонентов серверов, погруженных в диэлектрическую жидкость, предусмотрен специальный порядок. Оборудование помещается на специально установленные поверх стойки рейлинги или транспортируется в ремзону где далее проводится замена неисправных элементов. Для извлечения больших серверных корпусов предусматривается специальный подъемный механизм. Усложнившаяся последовательность действий при обслуживании компенсируется снижением количества отказов техники.
Обслуживание системы
Система охлаждения содержит блок контроля, который в непрерывном режиме следит за насосами и температурой в различных точках. Насосы дублированы, и система контролирует выдаваемые ими потоки. В случае неисправностей происходит информирование оператора любыми требующимися способами.
Существуют два основных варианта реализации метода погружного охлаждения:
Вариант А. Погружение вычислительных серверов в общий контейнер с диэлектриком.
Используется компаниями: Green Revolution Cooling, Midas.
Вариант Б. Предусматривает изготовление герметичного корпуса для каждого вычислительного узла.
Используется компаниями: LiquidCool Solutions, Iceotope.
Представленная технология позволяют получить низкий показатель PUE (до 1.03) благодаря перечисленным ниже достоинствам:
Работа при экстремально высоких температурах окружающей среды. Система эффективно работает при температуре воды 50 °C и температуре окружающей среды в 57 °C.- Экономия общего энергопотребления до 35%
- Вторичное использование тепла
- Температура всех компонентов ниже, что продляет их срок службы
- Погруженное оборудование, при соблюдении определенных условий, защищено от пожара, влажности, пыли и статического электричества.
- Снижение показателя PUE до 1.03.
- Снижение энергопотребления достигается так же за счет отсутствия вентиляторов.
- Снижение капитальных и операционных расходов.
Преимущества Варианта А:
- Снижение расходов на изготовлении корпусных деталей
- Простая для реализации гидравлическая схема
- Не требуется изготовление специальных герметичных корпусов для различных модификаций устройств. Благодаря этому масса конструкции ниже. Нагрузка на перекрытие снижена благодаря горизонтальному расположению стойки.
- Основным преимуществом предлагаемой погружной системы охлаждения является её простота.
Преимущества варианта Б:
- Установка по классической схеме в стандартных 19″ стойках
- Работа в экстремальных условиях (холод, жара, передвижные лаборатории)
