Hönnun á skilvirkum vökvakælikerfum fyrir gagnaver

 

I Íhlutir kælikerfis gagnaversins

 

Meirihluti raforkunnar sem upplýsingatæknibúnaður notar er breytt í úrgangshita. Til að tryggja að upplýsingatæknibúnaðurinn starfi innan viðeigandi hitastigssviðs eru gagnaver búnar kæli- og hitaleiðnikerfi, þar á meðal kælivélar, kæliturna og nákvæmar loftræstieiningar, sem fjarlægja úrgangshita frá gagnaverinu. Hitaflutningsferlið er sýnt á mynd 1. Helstu orkunotkunarpunktar eru kælitæki, kæliturna, dælur og nákvæmar loftræstieiningar.

 

▲ Mynd 1: Varmaflutningur í gagnaverum

 

Sem stendur eru aðal varmaflutningsmiðlar í gagnaverum loft eða vatn. Vatn, með 1.004 kJ/(KgK) stöðugan þrýsting og sérvarmagetu 4200 kJ/(KgK), hefur hitaflutningsgetu sem er um það bil 1,000 sinnum meiri en loft. Þess vegna er notkun vatns sem kælimiðils áhrifarík orkusparandi aðferð við hönnun kælikerfa. Til að bæta orkunýtni kælikerfa eru ráðstafanir eins og afkastamiklir ofnar og nákvæm loftsending notuð til að fanga og flytja varma.

 

Í nákvæmni loftræstingu hefur kæling þróast frá herbergisstigi í mátgagnaherbergi og kælingu á rekkistigi, færist nær hitagjafanum og minnkar orkunotkun í flutningi kælivökva. Framleiðsla kæligjafa hefur þróast frá loftkælingu yfir í vatnskælingu og náttúrulega kælingu, sem eykur skilvirkni ytri varmaflutnings.

 

 

Hefðbundin kælikerfi eru með sjálfstæð stjórnkerfi og rekstraraðferðir fyrir nákvæma loftræstingu, kælitæki og kæliturna, sem hámarkar skilvirkni á staðnum. Hins vegar þarf enn að bæta heildar kælingu skilvirkni.

 

Kerfisbundnar umbætur má ná fram með end-to-enda stjórnun og nákvæmri stjórn á hitasöfnun, undirbúningi kæligjafa og ytri varmaflutningi, og minnkar þannig orkunotkun kælikerfisins.

 

 

II Hönnun fljótandi kælikerfis frá enda til enda

 

1. Hönnun fyrir fljótandi kælingu á borði

Með veldisvexti í eftirspurn tölvuafls hefur samþætting og orkunotkun örgjörva og GPU aukist verulega, þar sem orkunotkun eins flísar nær 300W. Hefðbundin flíshitunartæki og loftkælingarlausnir hafa lent í kælingu flöskuhálsum. Þar sem kubburinn er hitagjafinn er aðal áskorunin fyrir kælikerfi gagnaversins að fjarlægja hita innan úr flísinni á skilvirkan hátt.

 

Frá sjónarhóli hitaleiðni verður fyrst að flytja hitann sem myndast af flísinni yfir í hitastigið á borðinu. Skilvirkari heatsink lausnir munu auðvelda betri hitasöfnun.

 

Fyrir staka flís með orkunotkun undir 200W og upplýsingatæknibúnaði með orkunotkun undir 20kW á rekki er hægt að nota loft áfram sem hitaflutningsmiðil. Hitapípuhitarar og gufuhólfskælir (VC), ásamt TIM efnum með mikilli hitaleiðni (eins og grafítplötur/grafen), draga í raun úr hitauppstreymi milli flísarinnar og hitunarbotnsins, sem bætir skilvirkni hitakólfsins.

 

Fyrir staka flís með orkunotkun yfir 200W og upplýsingatæknibúnaði með orkunotkun yfir 20kW á rekki er loft ekki lengur nóg sem varmaflutningsmiðill og verður að nota fljótandi kælivökva til kælingar. Vökvakæld kaldplötutækni er sem stendur þroskuð lausn fyrir flískælingu á borði. Vökvakæld köld plata samanstendur af inntaks- og úttakstengjum, efri hlíf og grunnplötu, sem eru tengd með lofttæmi til að mynda lokað vökvavarmaskiptahólf. Í hólfinu eru dreifiklefar og ýmsar breiddarflæðisrásir, sem stjórna vökvaflæði og auka ókyrrð, auka staðbundna kæligetu og útrýma heitum reitum af völdum stórra flísa. Innri uppbyggingin er sýnd á mynd 2.

 

▲ Mynd 2: Þverskurður af vökvakældri köldu plötu

 

Mismunandi gerðir af borðum í sömu rekki hafa mismunandi aflstig og heita reitir, en framboðsþrýstingur við inntakstengi vökvaveitulínunnar er almennt sá sami, sem krefst þess að dreifihólf kalda plötunnar stjórni inngjöfinni. Fyrir töflur með minni raforkunotkun, dregur inngjöf úr flæði kælivökva. Í reynd þekja vökvakældar kaldar plötur örgjörva, minni og aðra aflmikla íhluti, en íhlutir eins og viðnám og þéttar, sem eru ekki þakin, mynda afgangshita sem krefst viftukælingar. Þetta leiðir til blöndu af vökva- og loftkælingu innan kerfisins, sem gefur svigrúm til að bæta kælingu skilvirkni.

 

Með því að nota TIM efni til að hylja alla íhluti við hönnun kaldplötunnar er hægt að ná 100% fljótandi kælingu tæknilega, en það eykur kostnað og flókið kalda plötuna. Þó að stunda skilvirka kælingu, verður einnig að huga að stofnkostnaðarfjárfestingu. Ef hnútaborðsgerðirnar eru einsleitar, kemur til greina að fullbúa borð, þar sem stofnkostnaður vegur upp með því að stækka framleiðslu, til að ná jafnvægi á milli orkusparnaðar og fjárfestingar.

 

 

Afjónað vatn er venjulega notað sem kælivökvi í fljótandi kælingu vegna mikillar sérvarmagetu þess, sem gerir kleift að taka hratt upp varma á meðan það er ekki ætandi, og hefur þannig ekki áhrif á áreiðanleika leiðslunnar. Vökvakæling á köldu plötum er óbein, þar sem flísin hefur ekki beint samband við fljótandi kælivökvann, sem leiðir til mikillar áreiðanleika og þroskaðrar tækni.

 

Hins vegar er hitauppstreymi á milli flísarinnar og fljótandi kælivökvans, sem leiðir til þess að sumir framleiðendur ýta undir kælingarlausnir. Í dýfingarkælingu er upplýsingatæknibúnaður á kafi í vökva í hringrás, þar sem flísinn snertir beint kælivökvann, dregur úr hitauppstreymi á sama tíma og nýtir fasabreytingar til að fjarlægja meiri hita, sem gerir það að nýjum heitum reit í vökvakælingu. Flúoraðir vökvar eru almennt notaðir sem kælivökvar í niðurdýfandi kælingu, en hár kostnaður þeirra er hindrun fyrir stórfellda notkun í atvinnuskyni.

 

2. Rack-Level Vökvi Kæling

Í gagnaverum er upplýsingatæknibúnaði raðað eftir rekkum sem hýsa upplýsingabúnað fyrir gagnaver eins og netþjóna, geymslutæki og netrofa. Þó að kæling á borði fjarlægi hita frá einstökum upplýsingatæknitækjum, safnar kæling á rekkistigi og flytur hitann utandyra. Lykilhlutir í vökvakælingu á rekki eru meðal annars inntaks- og úttaksgreinir, vöktunareiningar, hitaskynjarar, segulloka og afturlokar, eins og sýnt er á mynd 3.

 

▲ Mynd 3: Rack-Level Liquid Cooling Stilling

 

Geymið tengist að utan við vökvakælidreifingareininguna á herbergisstigi og innan í gegnum hraðtengi við inntaks- og úttakstengi vökvakældu kalda plötunnar, sem auðveldar flutning kerfisvarma utan á grindina.

Helstu hlutverk segulloka og eftirlitsloka eru að stjórna flæði vökva og takmarka umfang bilunar í einni rekki ef leki kemur upp.

 

Meginhlutverk hitaskynjarans er að fylgjast stöðugt með hitastigi inntaks og úttaksvatns. Með því að nýta hitamuninn á inntaks- og úttaksvatni stjórnar hann opnun segulloka og stjórnar þar með vatnsrennsli og tryggir að hiti og rennsli séu í samræmi.

Vökvakælikerfið notar afjónað vatn sem vinnuvökva, sem fræðilega mun ekki valda skammhlaupi.

 

Hins vegar hafa rafrásir eða rafeindahlutir oft rykagnir og þegar afjónað vatn kemst í snertingu við hringrásina getur það valdið skammhlaupi. Þetta er ein helsta hindrunin og áhyggjuefnið við innleiðingu fljótandi kælingar. Til að takast á við leka á köldu plötum eru ráðstafanir eins og gæðaeftirlit, örlekavöktun og forvarnir gegn skyndilegum stórum leka beitt.

 

Gæðaeftirlit er skipt í framleiðslu- og uppsetningarferli. Á framleiðslustigi er áreiðanleiki ferlisins tryggður, 100% af köldum plötum gangast undir þrýstingsprófun og ómskoðun er notuð til að taka slembisýni og greina galla. Flýtitengingar verða að vera staðfestar fyrir skilvirka ísetningu og langtíma áreiðanleika. Í notkunarstigi uppsetningar verður að skola aukalögnina hreina fyrir uppsetningu til að koma í veg fyrir að óhreinindi valdi stíflum í hraðtengibúnaði, fjöðrum eða bilunum í gúmmíhringum og koma þannig í veg fyrir leka meðan á notkun stendur. Ofangreindar aðgerðir miða að því að koma í veg fyrir leka eins og hægt er.

 

 

Ef köld plata myndar örleka verður hann að vera greinanleg og kveikja á viðvörun til að hvetja viðhaldsfólk til að gera við hann tafarlaust. Það eru tvær greiningaraðferðir: önnur er að nota vatnsdýfingarskynjara, sem er settur upp á dropbakkann. Meginhlutverk dropabakkans er að auðvelda lekaleit og koma í veg fyrir að vökvi leki út fyrir grindina, sem dregur úr útbreiðslu bilana.

 

Þó að skynjari vatnsdýfingar sé þroskaður og áreiðanlegur, krefst það þess að vökvi sem leki safnist fyrir í dreypibakkanum eftir að hafa runnið meðfram vélbúnaðarborðinu og festingunum, en þá getur heildarmagn vökva sem lekur verið umtalsvert og kann að hafa þegar skemmt borðið. og íhlutir meðan á flæðinu stendur.

 

Hin aðferðin er rauntíma eftirlit. Sporefni með lágt suðumark er blandað í vinnuvökvann og komi til leka skynjar gasskynjari innbyggður í töfluna það. Stórfelldur skyndilegur leki er sjaldgæfur en hefur mikil áhrif. Til að koma í veg fyrir slík atvik eru eftirlitslokar settir upp við inntak og úttak á greinarbúnaðinum á grindinni. Þessir afturlokar lokast sjálfkrafa þegar verulegur þrýstingsmunur greinist.

 

3. Hönnun fyrir vökvakælingu á herbergisstigi

Kæling á herbergisstigi er hönnuð til að flytja hitann sem dreginn er úr rekkunum til úti. Vökvakælilausnin á herbergisstigi inniheldur vökvakælt einingagagnaherbergi, kælitæki, vatnsdælur, kæliturna, leiðslur og fleira, eins og sýnt er á mynd 4.

 

▲ Mynd 4: Uppsetning vökvakælingar á herbergisstigi

 

Venjulega inniheldur vökvakælt einingagagnaherbergi tvær varaafgreiðslueiningar fyrir vökvakælingu (CDU), 10-20 IT rekki, 1-2 loftræstitæki í röð og aflgjafa, eins og sýnt er á mynd 4.

 

Vökvakælidreifingareiningin (CDU) er ábyrg fyrir því að dreifa vinnuvökvanum á milli upplýsingatæknivökvakældra rekki, sem veitir efri hliðarflæðisdreifingu, þrýstingsstýringu, líkamlegri einangrun og þéttingaraðgerðum. Við raunverulegan rekstur gefur CDU ákveðið flæði og hitastig kælivatns til upplýsingatæknivökvakældu rekkana, sem fer inn í vökvakældu kalda plöturnar í gegnum sundrið, fjarlægir hita sem myndast af örgjörvum og lykilhlutum og skilar upphitaðri kælingu. vatn til millivarmaskiptaeiningar CDU. Hitanum er síðan sleppt inn í afturvatnsleiðsluna utandyra og þessum hluta varmans er hleypt út í umhverfið utandyra með kælum eða þurrkælum, og lýkur hitastjórnunarferlinu fyrir vökvakældu netþjónana.

 

CDU stjórnar hitastigi og flæði kælivökvans sem fer inn í vökvakældu kalda plöturnar og veitir þannig kælingu á upplýsingatæknigrindunum og dreifir kælikrafti. Innri varmaskiptaeiningin gegnir einnig hlutverki við að einangra vökvagjafarásina á milli einingagagnaherbergisins og útiumhverfisins. Vegna mikilvægs hlutverks síns notar CDU venjulega 1+1 offramboðsstillingu. CDU stjórnar flæði fljótandi kælivökvans með því að greina hitastig inntaks og úttaksvatns og framboðsþrýstings og stilla hraða vatnsdælunnar.

 

 

Eins og er, tengjast flest CDU stýrikerfi ekki við hitaskynjara í rekkunum, sem leiðir til tiltölulega grófrar stjórnunar. Til að takast á við þetta vandamál hafa sum forrit skipt út miðlægum CDUs fyrir dreifða CDUs, sem eru samþættir í rekkana. Þannig byggjast CDU flæðistillingar algjörlega á rekstrarstöðu og orkunotkunarsveiflum rekkisins. Miðstýrðar CDUs henta fyrir aðstæður með miklum fjölda vökvakældra rekka sem hægt er að sameina í einingagagnaherbergi, en dreifðar CDUs henta betur fyrir aðstæður með aðeins 2-3 vökvakældum rekkum, sem gerir uppsetningu auðveldari.

 

 

III Niðurstaða

 

Undir leiðsögn tveggja kolefnismarkmiða bera gagnaver tvöfalt hlutverk: annars vegar, með mikilli og umfangsmikilli starfsemi, veita þær nægjanlegan tölvuafl fyrir stafræna hagkerfið. Útbreidd beiting þéttleikarekka og kraftmikilla flísa, knúin áfram af skilvirkni tölvuafls gagnavera, hefur valdið því að hefðbundin loftkæling lendir í flöskuhálsum. Á hinn bóginn, með því að nýta afkastamikla varmaskipti, vökvakælingu og náttúrulega kælingu frá þurrkælum, geta gagnaver dregið úr eigin orkunotkun.

 

Eftir að hafa tekið upp fljótandi kælingu er kælivirkni verulega bætt, þar sem orkunotkun kælikerfa minnkar úr 37% í um 10%, sem leiðir til verulegs orkusparnaðar og kolefnisminnkunar. Ef 50% nýbyggðra gagnavera á landsvísu taka upp fljótandi kælingu er hægt að spara 45 milljarða kWh af rafmagni árlega og 3 milljónir tonna af CO₂ má draga úr losun.