Что такое системы охлаждения, методы и технологии центров обработки данных?

Поскольку центры обработки данных имеют плотно упакованное оборудование и находятся в постоянной работе, они генерируют много тепла (каждый сервер может иметь мощность в нескольких киловаттах до десятков киловатта). Если тепло не может быть рассеяно во времени, это приведет к перегреву оборудования, деградации производительности и даже отказа. Следовательно, конструкция системы охлаждения напрямую влияет на энергоэффективность, надежность и эксплуатационные расходы центра обработки данных. Ниже приведено подробное введение из аспектов состава системы, методов охлаждения, ключевых технологий и тенденций развития.

1. Компоненты системы охлаждения центров обработки данных
Система охлаждения центра обработки данных обычно состоит из следующих частей, которые работают вместе для достижения эффективной теплопередачи и разряда:
● Оборудование на боковой стороне тепла
Тепло-генерирующие компоненты, такие как серверы, устройства для хранения, оборудование для питания (например, UPS) и т. Д., Первоначально охлаждаются вентиляторами или пассивными радиаторами.
● Среда теплопередачи
Воздух: среда традиционной системы воздушного охлаждения, низкая стоимость, но низкая эффективность тепловой проводимости (теплопроводность воздуха составляет около 0. 026 Вт\/м ・ K).
Жидкость: среда системы жидкого охлаждения, такая как вода или охлаждающие жидкости, такие как минеральное масло и фторированная жидкость, имеет значительно более высокую теплопроводность, чем воздух (теплопроводность воды составляет около {0}}. 6 Вт\/м ・ K, фторированная жидкость составляет около 0,05 Вт\/м. Но латентная тепление впоризации является высокой).
● Оборудование для охлаждения и рассеивания тепла
Точность кондиционирования воздуха (CRAC\/CRAH): обеспечивает постоянную температуру и влажность холодного воздуха для управления средой центра обработки данных (типичная температура 20-24 степень, влажность 40%-60%).
Чиллер: удаляет тепло через циркуляцию воды, обычно используемое в больших центрах обработки данных или в системах жидкого охлаждения.
Охлаждающая башня\/сухой охладитель: сбросьте тепло в открытую атмосферу, разделенную на водяное охлаждение (требует воды) и сухого охлаждения (воздухоостирательное охлаждение, спаситель воды, но менее эффективно).
Теплообменник: например, теплообменник пластин и тепловой теплообменник, используемый для теплообмена между различными носителями.
● Компоненты управления воздушным потоком\/потоком жидкости
Воздуховоды и воздуховоды: направляйте воздушный поток для достижения холодной и горячей изоляции.
Жидкий охлаждающий трубопровод: в том числе насосы, клапаны, расходные метры и т. Д. Для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости.
Компоненты на уровне шкафа: такие как вентиляторы Backplane, холодные пластины и распылительные устройства (погружение в жидкое охлаждение).
● Система управления
Датчики (температура, влажность, давление) и интеллектуальные контроллеры динамически регулируют работу охлаждения оборудования для оптимизации энергоэффективности.

2. Классификация методов охлаждения центра обработки данных
Основываясь на среде теплопередачи и технического пути, методы охлаждения можно разделить на три категории: воздушное охлаждение, жидкое охлаждение и естественное охлаждение. Каждый метод имеет различные применимые сценарии и преимущества и недостатки.
● Воздушное охлаждение (воздушное охлаждение)
Принцип: тепло оборудования удаляется воздушным потоком, а горячий воздух охлаждается системой кондиционирования воздуха, а затем перерабатывается или разряжается снаружи.
Типичные технологии:
Компьютерное воздушное охлаждение на уровне:
Точный кондиционер непосредственно поставляет воздух в компьютерную комнату, а горячий воздух возвращается через потолок или под полом. Стоимость низкая, но энергоэффективность средняя (пую высока, около 1. 5-2. 0).
Меры по улучшению: выделение горячих и холодных каналов (прикладывают горячие каналы или холодные каналы, чтобы избежать смешивания потока), снаряжение под половием (с использованием повышенных этажей для транспортировки холодного воздуха, распространенного в традиционных центрах обработки данных).
Воздушное охлаждение на уровне шкафа:
Шкаф имеет встроенные вентиляторы или вентиляторы Backplane для усиления рассеяния тепла одного шкафа (подходящего для шкафов средней плотности, мощность меньше или равна 15 кВт).
В сочетании с кондиционированием воздуха (кондиционирование воздуха развертывается между рядами шкафов, чтобы сократить путь воздушного потока и повысить эффективность).
Преимущества: зрелые технологии, низкая стоимость развертывания, легкое обслуживание.
Недостатки: низкая воздушная теплоемкость, недостаточная эффективность в сценариях высокой плотности мощности (обновление до жидкого охлаждения, когда мощность одного шкафа> 20 кВт).
● Жидкое охлаждение (жидкое охлаждение)
Принцип: используйте жидкую среду, чтобы прямо или косвенно свяжитесь с тепло-генерирующими компонентами, убейте тепло посредством циркуляции, а затем перенесите тепло в систему наружного охлаждения через теплообменник.
Классификация и технология:
Косвенное жидкое охлаждение (тип холодной тарелки):
Тепло-генерирующие компоненты (такие как процессор, графический процессор) контактируются через металлическую холодную пластину, а охлаждающая жидкость (вода или непроводящая жидкость) течет в холодной пластине, чтобы поглощать тепло без непосредственного контакта с электронными компонентами.
Преимущества: высокая безопасность (не проводящая жидкость не является обязательной), совместима с существующей архитектурой сервера и низкой сложности в преобразовании.
Приложение: сценарии вычислений высокой плотности (такие как серверы AI, кластеры HPC), мощность одного шкафа может достигать 20-50 кВт.
Прямое жидкое охлаждение (погружение):
Серверное оборудование полностью погружено в непроводящую фторированную жидкость или минеральное масло. Жидкость поглощает тепло и испаряется, а парожи сжима и течет обратно через конденсатор (охлаждение фазы, более высокая эффективность).
Преимущества: чрезвычайно высокая эффективность рассеивания тепла (мощность одного шкафа может достигать более 100 кВт), вентилятор не требуется, низкий уровень шума, пую может быть всего 1,05 или менее.
Приложения: Ультра-высокопроизводительные вычисления, блокчейн горнодобывающие фермы, крупномасштабные учебные кластеры искусственного интеллекта.
Охлаждение жидкого распыления:
Охлаждающая жидкость распыляется на поверхность нагревательного элемента через сопло, в сочетании с испарительностью для поглощения тепла, которое находится между типом холодной пластины и типом погружения.
Преимущества: высокая эффективность рассеивания тепла, значительно снижение пуха и поддержка сверхвысокой плотности мощности.
Недостатки: высокие начальные инвестиции (требуется модификация кабинета и трубопровода), высокая сложность технического обслуживания и требуется профессиональное управление охлаждающей жидкостью.
● Естественное охлаждение (бесплатное охлаждение)
Принцип: Используйте наружные натуральные холодные источники (такие как низкотемпературный воздух, подземные воды, охлаждающие башни), чтобы заменить механическое охлаждение, чтобы уменьшить потребление энергии.
Типичные технологии:
Натуральное охлаждение на стороне воздуха:
Охлаждение свежего воздуха. Наружный низкотемпературный воздух напрямую вводится в центр обработки данных после фильтрации (влажность и пыль должны строго контролироваться), а горячий воздух разряжается на открытом воздухе.
Тепловая труба\/теплообменник: внутреннее тепло перемещается на улицу через тепловые трубы или теплообменники пластины, чтобы избежать прямого смешения воздуха (подходит для областей с высокой влажностью).
Натуральное охлаждение на стороне воды:
Используйте охлаждающие башни или сухие охлаждения, чтобы напрямую использовать чиллеры, чтобы обеспечить низкотемпературную охлаждающую воду, когда температура на открытом воздухе низкая, уменьшая время выполнения компрессора.
В сочетании с закрытой системой циркуляции воды загрязнение воды не может повлиять на рассеяние тепла.
Заземляющий источник\/охлаждение источника воды:
Используйте подземные воды, озерную воду или теплообменники почвы для извлечения естественных источников холода через системы тепловых насосов, которые являются экологически чистыми, но ограничены географическим положением.
Преимущества: значительно снижает потребление энергии охлаждения, Pue может быть до 1,1 или ниже, зеленый и энергосберегающий.
Недостатки: зависит от наружных климатических условий (очевидные преимущества в холодных областях) и требует дополнительного оборудования для теплообмена.

3. Ключевые технологии охлаждения и инновации
В дополнение к вышеуказанным основным методам, технология охлаждения центров обработки данных развивается в направлении высокой эффективности, интеллекта и низкой карбонизации. Ниже приведены текущие основные и передовые технологии:
● Технология высокоэффективного охлаждения
Магнитный левитационный чиллер: использование магнитного левитационного компрессора, отсутствие потери смазочного масла, коэффициент энергоэффективности (COP) может достигать более 10, что составляет более 30% энергии, чем традиционные центробежные чиллеры.
Испарительное охлаждение: понижение температуры воздуха путем поглощения тепла за счет испарения воды (например, увлажнитель влажного пленки + вентилятор), подходящий для сухих мест, может значительно снизить спрос на механическое охлаждение.
Двухфазное охлаждение потока: использование жидкой фазы изменения (испарение-конденсация) для эффективной теплопередачи, такой как тепловая труба петлей (LHP) и пульсирующая тепловая труба (PHP), для рассеивания теплового уровня чипа.
● Оптимизация интеллекта и энергоэффективности
ИИ и машинное обучение:
Проанализируйте исторические данные с помощью алгоритмов искусственного интеллекта, прогнозировать изменения нагрузки, динамически регулировать рабочие параметры кондиционеров, вентиляторов, водяных насосов и другого оборудования и достичь оптимизации энергоэффективности (например, технология Google DeepMind может снизить потребление энергии охлаждения на 40%).
Мониторинг горячих точек в реальном времени, автоматическая регулировка потока воздушного потока или распределения потока жидкости, чтобы избежать локального перегрева.
Digital Twin: Создайте виртуальную модель центра обработки данных, моделируйте эффекты различных решений охлаждения и оптимизируйте стратегии макета, эксплуатации и обслуживания.
● Восстановление отходов и нейтралитет углерода
Повторное повторное использование тепла: переработка тепла, сброшенной из системы охлаждения для нагрева, горячей воды или промышленных процессов (например, в центре скандинавского обработки данных в сочетании с региональной системой отопления) для улучшения общего использования энергии.
Синергия зеленой энергии: комбинируйте возобновляемую энергию, такую ​​как фотоэлектрическая и мощность ветра для питания системы охлаждения и сокращения выбросов углерода; В некоторых центрах обработки данных используются топливные элементы, отходы которых могут быть непосредственно использовать для отопления или выработки электроэнергии.
Естественные хладагенты с рабочей жидкостью: используйте низкие GWP (потенциал глобального потепления), такие как аммиак (NH3) и углекислый газ (CO₂), чтобы заменить традиционный фреон, в соответствии с экологическими правилами (такими как правила F-GAS ЕС).
● Популяция технологии погружения жидкого охлаждения
С взрывом ИИ и высокопроизводительных вычислений серверов высокой плотности (такие как кластеры графических процессоров) способствовали погружению жидкого охлаждения, чтобы стать горячей точкой:
Особенности фторированной жидкости: изоляция, низкая температура кипения (около 50-60 степень), подходящая для охлаждения фазы, не нужно изменять аппаратное обеспечение сервера.
Тенденция снижения затрат: с крупномасштабным применением цена на фторированную жидкость постепенно снижалась, и ее можно использовать повторно (срок службы более 10 лет), и долгосрочные преимущества затрат очевидны.

4. Сценарии отбора и применения технологии охлаждения
Выбор решений охлаждения для центров обработки данных должен всесторонне рассмотреть плотность мощности, географическое местоположение, бюджет и энергоэффективность:

5. будущие тенденции развития
●Центры передачи данных с низким уровнем углерода и с нулевым углеродом:Приводятся в действие политикой (такими как «двойные углеродные цели» Китая, естественное охлаждение, восстановление отходов и возобновляемая энергия, и целевая цель PUE будет двигаться к 1. {1}}.
● Масштабирование технологии жидкого охлаждения:ИИ и краевые вычисления приводят к высокой потребности в высокой плотности, погружение жидкого охлаждения проникает от высококлассных сценариев до общих центров обработки данных, а отраслевые стандарты (такие как спецификации жидкого охлаждения OCP) постепенно объединяются.
● Точная тепловая рассеяние на уровне чипа:Микроканальное охлаждение, распылительное охлаждение и другие технологии непосредственно действуют на чипе, чтобы уменьшить потерю пути теплопередачи.
● Интеллект с полной цепью:От мониторинга оборудования до глобальной оптимизации, ИИ и Интернет вещей (IoT) глубоко интегрированы для достижения «прогнозного обслуживания» и адаптивного охлаждения.
●Модуляризация и сборная:Сборные шкафы с жидким охлаждением и центры обработки данных контейнерного типа ускоряются для развертывания, сокращения цикла строительства и сокращения расходов на эксплуатацию и обслуживание

Система охлаждения центра обработки данных является ключевой ссылкой в ​​балансировке производительности, затрат и энергоэффективности. Выбор технологий должен быть адаптирован к местным условиям и потребностям. С взрывом вычислительной потребности в мощности и развитии зеленого преобразования, эффективное жидкое охлаждение, естественное охлаждение и интеллектуальное управление станут основным направлением будущего развития, что стимулирует эволюцию центров обработки данных к «низкоуглеродному, эффективному и устойчивому».