Иммерсионное охлаждение
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( Май 2022 г. ) |
Иммерсионное охлаждение — это метод охлаждения ИТ, при котором целые серверы погружаются в диэлектрическую, электрически непроводящую жидкость, имеющую значительно более высокую теплопроводность, чем воздух. Тепло отводится из системы путем прямого контакта охлаждающей жидкости с горячими компонентами и циркуляции нагретой жидкости через теплообменники . Эта практика очень эффективна, поскольку жидкие охлаждающие жидкости могут поглощать больше тепла из системы и легче циркулируют по системе, чем воздух. Иммерсионное охлаждение имеет множество преимуществ, включая, помимо прочего: экологичность, производительность, надежность и стоимость.
В отличие от многих других устройств, компьютеры не могут использовать погружное водяное охлаждение , поскольку обычная вода является электропроводной и может привести к поломке электронных компонентов. Поэтому жидкости, используемые при иммерсионном охлаждении, представляют собой диэлектрические жидкости , что гарантирует их безопасный контакт с электронными компонентами, находящимися под напряжением.
Диэлектрические жидкости
[ редактировать ]В общем, диэлектрические жидкости, используемые для иммерсионного охлаждения, делятся на две категории: углеводороды (т.е. минеральные, синтетические или биологические масла) и фторуглероды (полностью инженерные жидкости). Диэлектрические жидкости делятся на одно- и двухфазные, которые различаются тем, превращается ли охлаждающая жидкость в газ во время цикла охлаждения.
- При однофазном погружении используется метод циркуляции диэлектрической жидкости через горячие электронные компоненты и метод теплообмена. Однофазная жидкость не кипит и не подвергается фазовому переходу в процессе охлаждения.
- В двухфазной иммерсии используются фторуглероды, которые кипят при низких температурах, передавая тепло от компонентов в виде газа. Этот газ улавливается, конденсируется в теплообменнике и возвращается к компонентам. Этот метод достиг PUE 1,01. [1] и может охлаждать до 225 кВт тепла на стойку серверов. [2]
Формы
[ редактировать ]требует Закрытое шасси наличия герметичных разъемов для взаимодействия с отдельным шасси. Эти шасси обычно основаны на традиционных реализациях стоечного типа. Для безкапельных соединителей обычно требуется небольшой замкнутый контур охлаждения с охлаждающей жидкостью для защиты целостности потока через относительно небольшие трубы и соединители. Замкнутый контур обеспечивается CDU или блоком распределения охлаждающей жидкости, который обычно может одновременно обслуживать несколько стоек.
относится Открытая ванна к «открытой» границе раздела жидкость-воздух, и поэтому поверхностное натяжение между жидкостью и воздухом является отличительным элементом. Системы с открытой ванной обычно представляют собой резервуары, содержащие большую часть диэлектрической жидкости, в ванну которой погружена электроника. Несколько электронных блоков используют одну и ту же жидкость. Эта жидкость может быть изготовлена по одно- или двухфазной технологии. Независимо от срока эксплуатации, системы открытой ванны могут быть полностью герметичными, но всегда открываются сверху для обслуживания ИТ-оборудования. Резервуар охлаждающей жидкости для погружных систем с открытой ванной подсоединяется либо к CDU, в котором циркулирует диэлектрическая жидкость, либо к встроенному теплообменному устройству, которое является частью резервуара. Для интерфейса объекта CDU обычно рассчитаны на мощность 100 кВт и более, тогда как интегрированное теплообменное устройство обычно рассчитано на холодопроизводительность 10-100 кВт.
Гибридное охлаждение относится к комбинации аппаратов закрытой и открытой ванны. [3]
Эволюция
[ редактировать ]Погружное охлаждение снижает потребление энергии за счет отказа от инфраструктуры воздушного охлаждения, включая встроенные серверные вентиляторы, CRAC, компрессоры кондиционера, вентиляторы циркуляции воздуха, необходимые воздуховоды, устройства обработки воздуха и другие активные вспомогательные системы, такие как осушители. Эти системы заменяются жидкостными циркуляционными насосами и системами теплообменников и/или сухих охладителей.
Потребление энергии в центрах обработки данных часто измеряется с точки зрения эффективности использования энергии (PUE). Определения PUE для устройств с воздушным охлаждением и устройств с погружным жидкостным охлаждением различаются, что делает такие прямые сравнения неточными. PUE для центров обработки данных с воздушным охлаждением включает мощность, потребляемую вентиляторами и другими активными компонентами охлаждения серверов. PUE для жидкостного иммерсионного охлаждения исключает эти значения из компонента «Энергия ИТ-оборудования», поскольку эти элементы системы (в частности, бортовые вентиляторы) обычно удаляются из ИТ-оборудования, поскольку в них нет необходимости обеспечивать циркуляцию диэлектрических охлаждающих жидкостей. Это несоответствие в определении PUE для различных методов охлаждения приводит к тому, что PUE центров обработки данных с воздушным охлаждением обычно завышается по сравнению с PUE объектов с жидкостным иммерсионным охлаждением с тем же энергопотреблением. [4]
Серверам и другому ИТ-оборудованию, охлаждаемому методом иммерсионного охлаждения, не требуются вентиляторы для циркуляции диэлектрической жидкости, поэтому перед погружением они удаляются из системы. Термопасты , которые обычно используются в распределителях тепла для процессоров и других микросхем, могут потребовать замены другим составом, чтобы избежать термического разложения диэлектрической жидкости. [5] В зависимости от типа применения в качестве заменяющих материалов могут использоваться припой, индиевая фольга и теплопроводящие эпоксидные смолы.
Температуры, используемые при иммерсионном охлаждении, определяются самой высокой температурой, при которой погружаемые устройства могут надежно работать. Для серверов этот диапазон температур обычно составляет от 15 до 65 °C (от 59 до 149 °F); [6] однако в устройствах для майнинга криптовалют на базе ASIC этот диапазон часто расширяется до 75 ° C. [7] Такое увеличение верхнего предела температурного диапазона позволяет операторам центров обработки данных использовать полностью пассивные сухие охладители или гораздо более эффективные испарительные или адиабатические градирни. [8] вместо чиллеров воздушного охлаждения или водяных чиллеров. Такое увеличение температурного диапазона также позволяет операторам, использующим однофазные погружные охлаждающие жидкости, более эффективно использовать изменение температуры наружного воздуха для более эффективного охлаждения своих систем, поскольку эффективность однофазных систем не ограничивается температурой кипения охлаждающей жидкости. охлаждающей жидкости, как и в случае двухфазных охлаждающих жидкостей. [9]
Несколько соответствующих брендов, таких как Intel и Facebook, уже подтвердили преимущества погружения серверов. [10] [11]
Текущие коммерческие применения погружного охлаждения варьируются от решений, ориентированных на центры обработки данных, для охлаждения обычных серверов, [12] [13] кластеры серверов, HPCC приложения [14] и майнинг криптовалют . [15] а также основные облачные архитектуры и архитектуры веб-хостинга. Производители электромобилей и аккумуляторов также используют жидкостное иммерсионное охлаждение в аккумуляторах, трансмиссиях, системах рекуперации кинетической энергии , электродвигателях, контроллерах электродвигателей и других бортовых электронных подсистемах. [ нужна ссылка ] Жидкостное иммерсионное охлаждение также используется для управления температурой светодиодов, лазеров, рентгеновских аппаратов и устройств магнитно-резонансной томографии. [ нужна ссылка ]
Иммерсионное охлаждение применяется к электронным компонентам при глубоководных исследованиях, когда дистанционно управляемые подводные аппараты с электронным оборудованием заполняются однофазными жидкими диэлектриками, чтобы защитить их от коррозии в морской воде, а также в качестве жидкости, компенсирующей давление, чтобы предотвратить разрушение корпуса. чрезвычайным давлением, оказываемым на ROV во время работы в глубоком море. [ нужна ссылка ] Это применение также включает охлаждение электродвигателей, используемых в подводных двигателях.
Примерно до 2014 года эта технология обычно использовалась только в специальных очень интенсивных суперкомпьютерных проектах, таких как Cray Computer Applications. [16] Несмотря на то, что ожидаемый рост глобального потребления энергии центрами обработки данных остается стабильным, [17] Повышенное внимание уделяется энергоэффективности, что привело к использованию жидкостного иммерсионного охлаждения как в центрах обработки данных, так и в операциях по добыче криптовалюты для переоценки его применения. Появление новых процессоров и графических процессоров очень высокой плотности для использования в операциях обработки в реальном времени, искусственного интеллекта, машинного обучения и интеллектуального анализа данных заставляет пользователей и операторов центров обработки данных оценивать способность жидкостного иммерсионного охлаждения охлаждать стойки высокой плотности, а также сократить общую механическую нагрузку центров обработки данных.
История
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( февраль 2022 г. ) |
Основные этапы погружения в XIX и XX веках:
- Погружение электрических систем (в частности, трансформаторов) в диэлектрические жидкости для регулирования температуры использовалось до 1887 года. [18]
- Первый патент, в котором прямо упоминается использование масла в качестве охлаждающей жидкости и изолятора, содержится в патенте на трансформатор постоянного тока, поданном в 1899 году Ричардом Флемингом из Линна, штат Массачусетс, правопреемником компании General Electric в Нью-Йорке. [19]
- Первое упоминание о конкретном использовании диэлектрических жидкостей для охлаждения «компьютеров» принадлежит Октаю Севгину из IBM в 1966 году. [20]
- В 1968 году Ричард Чу и Джон Х. Сили, работавшие в IBM, запатентовали «систему погружного охлаждения для модульно упакованных компонентов». [21]
- Сеймур Р. Крей-младший, основатель Cray Research, LLC, в 1982 году запатентовал «электронный блок высокой плотности с иммерсионным охлаждением». [22]
- В Cray T90 (выпущенном в 1995 году) использовались большие теплообменники типа жидкость-охлажденная жидкость и одно- или двухфазные погружные охлаждающие жидкости для отвода тепла. [23]
- Благодаря появлению CMOS в процессорах была достигнута значительная экономия энергии, что быстро уменьшило проблемы с охлаждением систем HPC. Лишь во втором десятилетии иммерсионное внедрение вновь набрало популярность благодаря повышению тепловых свойств чипов.
Основные этапы погружения в XXI век:
- В 2006 году компания LiquidCool Solutions была основана с целью создания игровых ПК с закрытым корпусом. В 2006 году LiquidCool подала свой первый из 63 патентов на погружное охлаждение. В 2008 году LiquidCool представила свое первое приложение для погружного охлаждения в серверной стойке.
- В 2009 году компания Green Revolution Cooling перезагрузила концепцию погружного охлаждения с открытой ванной, представив коммерческую систему погружного охлаждения с открытой ванной в индустрию высокопроизводительных вычислений.
- В 2010 году компания Midas Green Technologies запустила и эксплуатировала первый центр обработки данных погружного охлаждения.
- В 2011 году Iceotope запустила первую коммерческую технологию закрытого шасси стоечного типа, специально разработанную для развертываний в центрах обработки данных.
- В 2016 году компания Asperitas создала первую однофазную погружную систему открытой ванны с естественной конвекцией и высокой плотностью циркуляции.
- Начиная с 2016 года, рост популярности криптовалют становится основной и значительной движущей силой погружения. Это связано с преимуществами высокой совокупной стоимости владения, которые высоко ценятся в майнинге криптовалют. Этот период позволил многим иммерсионным технологиям получить необходимый опыт и усовершенствовать свои технологии.
- 2017 год показывает большое количество стартапов в области погружного охлаждения. В основном это связано с криптовалютой и растущими проблемами электропитания и охлаждения в индустрии центров обработки данных.
- В 2018 году проект Open Compute Project официально предполагает погружение в новый проект Rack & Power в рамках ACS (Advanced Cooling Solutions).
- В 2019 году первые документированные отраслевые стандарты погружения будут представлены на саммите OCP в Сан-Хосе.
- В 2020 году Ассоциация телекоммуникационной отрасли впервые упоминает погружное охлаждение как жизнеспособный вариант охлаждения.
- В 2021 году, когда тепловые свойства чипов выходят за рамки возможностей воздушного охлаждения, различные гипермасштабные облачные компании, производители чипов и OEM-производители серверов объявили о переходе на иммерсионное охлаждение.
- В 2022 году Intel объявляет об инвестициях в размере 700 миллионов долларов США. [24] в мега-лаборатории, специализирующейся на иммерсионном охлаждении, и публикует спецификацию жидкости для иммерсионного охлаждения, что позволит обеспечить гарантийное обслуживание. [25] продуктов Intel.
Методы погружного охлаждения серверов
[ редактировать ]Погружное охлаждение в открытой ванне
[ редактировать ]Иммерсионное охлаждение с открытой ванной — это метод охлаждения центров обработки данных, который предполагает полное погружение ИТ-оборудования в диэлектрическую жидкость. «Открытый» аспект не относится к открытой или герметичной системе, а относится к «открытой» границе раздела жидкость-воздух, и, таким образом, поверхностное натяжение между жидкостью и воздухом является отличительным элементом. [26]
Эти ванны позволяют охлаждающей жидкости перемещаться через погруженные в нее аппаратные компоненты или серверы. [27]
Двухконтурное однофазное погружение требует циркуляции диэлектрических жидкостей с помощью насосов или естественного конвекционного потока. [28] Эти жидкости всегда остаются в жидком состоянии во время работы. Они никогда не кипятятся и не замерзают. Диэлектрический теплоноситель либо прокачивается через внешний теплообменник , где охлаждается любым теплоносителем объекта, либо теплоноситель объекта прокачивается через погружной теплообменник, что способствует передаче тепла внутри диэлектрической жидкости.
В двухфазных системах фторуглероды [29] используются в качестве теплоносителей. Отвод тепла осуществляется в двухфазной системе, где жидкость закипает при контакте с горячими компонентами из-за низкой температуры кипения. [30] В системе используется концепция, известная как « скрытое тепло », которое представляет собой тепло (тепловую энергию), необходимое для изменения фазы жидкости. Это происходит, когда двухфазная охлаждающая жидкость вступает в контакт с нагретой электроникой в ванне. выше температуры кипения охлаждающей жидкости. После того, как двухфазный хладагент переходит в газовую фазу, его необходимо охладить или конденсировать, обычно с помощью змеевиков с водяным охлаждением, расположенных в верхней части резервуара. После конденсации двухфазная охлаждающая жидкость стекает обратно в бак первичного охлаждения. Двухфазная охлаждающая жидкость в баке обычно остается при «температуре насыщения». Энергия, передаваемая от серверов в двухфазную охлаждающую жидкость, приведет к тому, что ее часть превратится в газ. Газ поднимается над уровнем жидкости, где он контактирует с конденсатором , температура которого ниже температуры насыщения. Это приводит к тому, что газообразный хладагент снова конденсируется в жидкость и падает обратно в ванну. [31]
Закрытое шасси с погружным охлаждением
[ редактировать ]Герметичное погружное охлаждение серверов заключает серверы в водонепроницаемые корпуса. Диэлектрический хладагент циркулирует внутри или прокачивается через каждый сервер для сбора тепла от компонентов. Нагретая жидкость циркулирует в теплообменнике в стойке, где она либо циркулирует непосредственно за пределами здания в градирню или теплообменник, либо охлаждается непосредственно на стойке с помощью инфраструктуры охлаждающей жидкости объекта. [32] Основное преимущество этого подхода заключается в том, что серверы монтируются в автономные сосуды, которые можно заменить в стойке без доступа к жидкости. Недостаток заключается в том, что не все оборудование можно использовать, поскольку характеристики оборудования запечатанных серверов определяет поставщик.
Опасность пожара
[ редактировать ]Некоторые погружные охлаждающие жидкости на углеводородной основе представляют опасность возгорания, поскольку имеют точку воспламенения . [33]
Другое использование
[ редактировать ]Бытовое или технологическое отопление
[ редактировать ]За последние несколько лет [ когда? ] Иммерсионное охлаждение, в частности при майнинге биткойнов, стало популярным методом получения полезного тепла. В холодном климате один ASIC-майнер может обеспечить сверхвысокоэффективное преобразование электрического тепла, достаточное для обогрева всего дома. Погружное охлаждение позволило бесшумно преобразовывать отходящее тепло от горнодобывающих предприятий для нагрева воды, талого снега, подогрева пола и обогрева гидромассажных ванн, бассейнов, магазинов, хозяйственных построек, сараев и теплиц. Существует убедительный аргумент в пользу объединения операций по добыче биткойнов с закрытыми вертикальными фермами и традиционными теплицами, чтобы компенсировать или исключить затраты на отопление объектов. Объекты отдыха в помещении и на открытом воздухе, как государственные, так и частные, также могут получить выгоду от «бесплатного» отходящего тепла. Некоторые компании предоставляют компьютерное отопление для жилых и коммерческих помещений. [ нужна ссылка ]
Иммерсионное охлаждение литий-ионного аккумулятора
[ редактировать ]Перегрев литий-ионных элементов и аккумуляторных батарей является постоянной технологической проблемой преобразования и хранения электрохимической энергии, в том числе в электромобилях. Иммерсионное охлаждение — многообещающий метод управления температурным режимом, позволяющий решить эти проблемы. [34] Погружное охлаждение батарей особенно полезно в условиях неправильного обращения, когда необходимо избежать распространения тепла по аккумуляторному модулю или аккумулятору. Иммерсионное охлаждение приобретает все большее значение как новое применение в автомобильной промышленности. Поскольку способность к теплопередаче в 50–100 раз выше, чем у методов непрямого охлаждения, иммерсионное охлаждение является эффективным и мощным решением. [35] В настоящее время иммерсионное охлаждение преимущественно используется в автоспорте и моделях автомобилей высокого класса, демонстрируя свою эффективность в передовых автомобильных технологиях. [36]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Фирма погружного охлаждения LiquidStack начинает работу как отдельная компания» .
- ^ «Погружение-2: жидкостное охлаждение для стоек мощностью 100 кВт» . 3 марта 2014 г.
- ^ «Требования к погружению в OCP» . Открытый компьютерный проект . Открытый вычислительный проект . Проверено 22 января 2023 г.
- ^ Хабиби Халадж, Али; Халгамуге, Саман К. (2017). «Обзор эффективного управления температурным режимом центров обработки данных с воздушным и жидкостным охлаждением: от чипа к системе охлаждения» . Прикладная энергетика . 205 : 1165. Бибкод : 2017ApEn..205.1165H . дои : 10.1016/j.apenergy.2017.08.037 .
- ^ Памбуди, Нугрохо Агунг; Сарифудин, Альфан; Фирдаус, Ридхо Альфан; Ульфа, Десита Камила; Гандиди, Индра Мамад; Ромадхон, Рахмат (1 декабря 2022 г.). «Технология погружного охлаждения: текущие и будущие разработки в области энергосбережения» . Александрийский инженерный журнал . 61 (12): 9509–9527. дои : 10.1016/j.aej.2022.02.059 . ISSN 1110-0168 . S2CID 247823719 .
- ^ Памбуди, Нугрохо Агунг; Сарифудин, Альфан; Фирдаус, Ридхо Альфан; Ульфа, Десита Камила; Гандиди, Индра Мамад; Ромадхон, Рахмат (1 декабря 2022 г.). «Технология погружного охлаждения: текущие и будущие разработки в области энергосбережения» . Александрийский инженерный журнал . 61 (12): 9509–9527. дои : 10.1016/j.aej.2022.02.059 . ISSN 1110-0168 . S2CID 247823719 .
- ^ «Майнер специализированных интегральных схем (ASIC)» . Инвестопедия . Проверено 21 июня 2022 г.
- ^ «Жидкостное иммерсионное охлаждение дата-центра с адиабатическими градирнями» . Погружные технологии. 2 января 2016 г.
- ^ «Технология погружного охлаждения: текущие и будущие разработки в области энергосбережения» . AEJ — Александрийский инженерный журнал .
- ^ «Ice X: Intel и SGI тестируют систему охлаждения с полным погружением для серверов» . Computerworld, Inc., 8 апреля 2014 г.
- ^ «Facebook бросает серверы на спину в НЕФТНЫЕ ГОРЯЧИЕ ВАННЫ» . Регистр. 14 октября 2013 г.
- ^ «Режим жидкостного иммерсионного охлаждения для сверхплотных центров обработки данных» . ТехТаржет. 5 октября 2014 г.
- ^ «Что такое жидкостное иммерсионное охлаждение? — Определение с сайта WhatIs.com» . WhatIs.com . Проверено 25 июля 2017 г.
- ^ «Усиление иммерсионного охлаждения для кластеров высокопроизводительных вычислений» . внутриHPC. 7 мая 2014 г.
- ^ «BitFury запускает энергоэффективный центр обработки данных с погружным охлаждением» . Деловой провод. 11 декабря 2015 г.
- ^ «Машины Крей-2» . 7 августа 2021 г.
- ^ «Центры обработки данных спроса на электроэнергию в мире по типам, 2021 год» .
- ^ «История трансформатора и его изоляционного масла» (PDF) .
- ^ «Трансформатор постоянного тока» (PDF) .
- ^ «Многожидкостный теплообмен» .
- ^ «Система погружного охлаждения для модульных компонентов» .
- ^ «Электронные сборки высокой плотности с погружным охлаждением» .
- ^ «Выбор жидкости и влияние свойств при одно- и двухфазном погружном охлаждении» (PDF) . Джон Р. Сэйлор, Аврам Бар-Коэн, старший член IEEE, Тьен-Ю Ли, Терри В. Саймон, Вэй Тонг и Пей-Шей Ву. 4 ноября 1988 года.
- ^ «Intel делает ключевые инвестиции в повышение устойчивости центров обработки данных» .
- ^ «Инновации в области технологий Intel и OCP» . Ютуб . Ноябрь 2022 г.
- ^ «Решения для стоек и электропитания/усовершенствованные решения для охлаждения — OpenCompute» . opencompute.org . Проверено 7 мая 2019 г.
- ^ «Электроника принимает ванну» (PDF) . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. 5 ноября 2014 г.
- ^ «Погруженные вычисления Asperitas» . asperitas.com . Рольф Бринк. 30 января 2017 г. Проверено 24 июля 2017 г.
- ^ «Специальная жидкость 3M™ Novec™ 7100» . © 3М.
- ^ «Погружное охлаждение с использованием специальных жидкостей 3M(TM) Novec(TM)» . 3М. 8 апреля 2014 г.
- ^ «Стеллажная платформа «Погружение-2 (ПУЭ 1.01)» . AlliedControl. 22 января 2014 г.
- ^ «Направленное жидкостное охлаждение системы» . Рэкспейс. 23 марта 2011 г.
- ^ Кодекс NFPA 30 по легковоспламеняющимся и горючим жидкостям . 2018. стр. А.4.2.4.
- ^ Сальви, Свапнил; Сурампуди, Бапираджу; Свартс, Андре; Сарлашкар, Джаянт; Смит, Ян; Алджер, Терри; Джайн, Анкур (27 октября 2023 г.). «Экспериментальный и теоретический анализ иммерсионного охлаждения модуля литий-ионной батареи» . Журнал электрохимического преобразования и хранения энергии . 21 (4): 1–31. дои : 10.1115/1.4063914 . ISSN 2381-6872 .
- ^ «Mercedes-AMG раскрывает стратегию гибридных и аккумуляторно-электрических производных AMG» . Конгресс зеленых автомобилей . 31 марта 2021 г. Проверено 30 ноября 2023 г.
- ^ «Подключаемые гибриды Mercedes-AMG E Performance будут иметь мощность более 800 лошадиных сил» . Автомобиль и водитель . 30 марта 2021 г. Проверено 1 декабря 2023 г.