Ponorné chlazení - Immersion cooling
Ponorné chlazení je chladicí postup IT, při kterém jsou součásti IT a další elektronika, včetně kompletních serverů a úložných zařízení, ponořeny do tepelně vodivé dielektrické kapaliny nebo chladicí kapaliny. Teplo je ze systému odváděno cirkulací kapaliny do přímého kontaktu s horkými součástmi a poté studenými výměníky tepla. Kapaliny vhodné pro ponorné chlazení mají velmi dobré izolační vlastnosti, které zajišťují, že mohou bezpečně přijít do styku s elektronickými součástmi pod napětím.
Dielektrické kapaliny
Obecně existují dvě hlavní kategorie kapalin, uhlovodíky (tj. Minerální, syntetické nebo biooleje) a fluorované uhlovodíky (tj. Plně upravené kapaliny). Dielektrické kapaliny se dělí na jedno- a dvoufázové aplikace.
- Jednofázový využívá cirkulační metodu pro dielektrickou kapalinu napříč horkými elektronickými součástkami a přístup k výměně tepla.
- Dvoufázové ponoření využívá nízkoteplotní odpařovací proces k ochlazení horké elektroniky a přenosu tepla z kapaliny. Plyn je opět ochlazen metodou výměny tepla, aby byl umožněn zpětný tok do většího objemu kapaliny.
Tvary a formy
„Uzavřené šasi“ vyžaduje připojení bezdrapových konektorů k jednotlivým šasi. Tyto podvozky jsou obvykle založeny na tradičních implementacích rackového stylu. Dripless konektory obvykle vyžadují malou chladicí smyčku s uzavřeným okruhem s chladivem, aby byla chráněna integrita toku přes relativně malé potrubí a konektory. Uzavřený obvod je zajištěn jednotkou CDU nebo distribuční jednotkou chladicí kapaliny, která obvykle může zajistit více stojanů najednou.
„Otevřená lázeň“ označuje „otevřené“ rozhraní kapalina-vzduch, a proto je povrchové napětí mezi kapalinou a vzduchem výrazným prvkem. Otevřené lázeňské systémy jsou obvykle nádrže, které obsahují větší těleso dielektrické kapaliny, kde je elektronika ponořena do lázně. Několik elektronických sestav sdílí stejnou kapalinu. Tato kapalina může být založena na jedno- nebo dvoufázové technologii. Bez ohledu na termín mohou být otevřené lázeňské systémy plně utěsněny, ale vždy se otevírají shora za účelem servisu IT zařízení. Vodní okruh pro systémy ponoření do otevřené lázně je buď připojen k CDU, který cirkuluje dielektrickou kapalinou, nebo k integrovanému zařízení pro výměnu tepla, které je součástí nádrže. Pro rozhraní zařízení jsou jednotky CDU obvykle navrženy pro 100 kW nebo více, zatímco integrované zařízení pro výměnu tepla je obvykle navrženo pro chladicí výkon 10-100 kW.
„Hybridní“ označuje kombinace výše uvedených tvarů a forem. V oboru již existuje řada řešení s jedinečnými a rozmanitými přístupy. Ty nemusí vždy odpovídat jakékoli určené definici. V závislosti na tom, který aspekt je relevantní, mohou být tyto strategie umístěny jako překrývající se definice.
Vývoj
Ponorné chlazení má potenciál stát se populárním řešením chlazení serverů, zejména pro zelená datová centra , protože umožňuje operátorům drasticky snížit spotřebu energie odstraněním drahé infrastruktury chlazení vzduchem, včetně ventilátorů palubních serverů, CRAC, A/ C kompresory, ventilátory s cirkulací vzduchu, nezbytné potrubí, vzduchotechnické zařízení a další aktivní pomocné systémy, jako jsou odvlhčovače. Tyto systémy jsou nahrazeny účinnými nízkootáčkovými oběhovými čerpadly a systémy výměníku tepla a/nebo suchého chladiče. Snížení výkonu, kterého lze dosáhnout použitím imerzního chlazení, se často měří pomocí účinnosti využití energie (PUE). Je však důležité poznamenat, že definice PUE pro vzduchem chlazená zařízení a kapalinou ponořená zařízení se liší v jednom důležitém aspektu, což činí taková přímá srovnání zavádějící ve prospěch vzduchového chlazení.
- PUE pro vzduchem chlazená datová centra podle definice Green Grid zahrnuje energii spotřebovanou ventilátory a dalšími aktivními chladicími součástmi, které se nacházejí na palubě serverů jako součást IT Equipment Energy,
- PUE pro kapalinové ponorné chlazení vylučuje tyto hodnoty ze složky IT zařízení Energie, protože tyto prvky systému (zejména u palubních ventilátorů) jsou z IT zařízení obecně odstraněny, protože nejsou nutné k cirkulaci dielektrických chladiv a často ve skutečnosti brání oběhu dielektrické chladivo.
Tato nesrovnalost v definici PUE pro různé způsoby chlazení má za následek, že PUE vzduchem chlazených datových center je obecně nadhodnoceno o 10 až 20% ve srovnání s PUE zařízení chlazeného kapalinou ponořeného se stejným využitím energie.
Servery a další IT hardware chlazené ponorným chlazením nevyžadují ventilátory k cirkulaci dielektrické kapaliny, a proto jsou před ponořením odstraněny ze systému. Tepelné pasty, které se obvykle používají na rozdělovačích tepla pro CPU a jiné čipy, mohou vyžadovat náhradu jinou sloučeninou, aby se zabránilo tepelné degradaci v dielektrické kapalině. V závislosti na typu aplikace lze jako náhradní materiál použít pájku, indiovou fólii a tepelně vodivé epoxidy.
Teploty používané při imerzním chlazení jsou určeny nejvyšší teplotou, při které mohou ponořená zařízení spolehlivě fungovat. U serverů je tento teplotní rozsah typicky mezi 15 až 65 ° C (59 až 149 ° F), avšak v kryptologických zařízeních založených na ASIC je tento rozsah často rozšířen až na 75 ° C. Toto zvýšení na horním konci teplotního rozsahu umožňuje provozovatelům datových center používat zcela pasivní suché chladiče nebo mnohem účinnější odpařovací nebo adiabatické chladicí věže místo vzduchového chlazení nebo vodních chladičů na bázi chladiče. Toto zvýšení teplotního rozsahu také umožňuje operátorům, kteří používají jednofázové ponorné chladicí kapaliny, efektivněji využívat změnu venkovních teplot, aby ze svých systémů získali účinnější chlazení, protože účinnost jednofázových systémů není omezena jejich teplotou varu. chladicí kapalina, jako je tomu u dvoufázových chladicích kapalin.
Několik relevantních značek jako Intel a Facebook již ověřilo výhody ponořování serverů.
Aktuální komerční aplikace pro imerzní chlazení sahají od řešení orientovaných na datová centra pro chlazení komoditních serverů, serverových klastrů, aplikací HPCC a těžby kryptoměn . a tradiční cloudové a webhostingové architektury. Výrobci elektrických vozidel a baterií také využívají kapalinové ponoření do baterií, pohonných jednotek, systémů rekuperace kinetické energie , elektromotorů, ovladačů elektromotorů a dalších palubních elektronických subsystémů. Ponorné chlazení kapalinou se také používá v tepelné správě LED, laserů, rentgenových zařízení a zařízení pro zobrazování magnetickou rezonancí.
Odlišným odvětvím, kde se na elektronické součástky používá ponorné chlazení, je hlubinný výzkum, kde jsou dálkově ovládaná podvodní vozidla s elektronickým zařízením naplněna jednofázovými kapalinovými dielektrikum, která je chrání před korozí v mořské vodě a jako kapalina vyrovnávající tlak, aby nedošlo k rozdrcení extrémní tlak vyvíjený na ROV při práci v hlubokém moři. Tato aplikace také zahrnuje chlazení elektromotorů používaných pro námořní pohon.
Přibližně do roku 2014 byla technologie obvykle využívána pouze ve speciálních velmi intenzivních superpočítačových projektech, podobných počítačovým aplikacím Cray. Od dramatického nárůstu celosvětové spotřeby energie datovými centry se však nyní zaměřuje na energetickou účinnost, která vedla k využití kapalinového imerzního chlazení jak v datových centrech, tak v kryptoměnovém provozu k přehodnocení jeho aplikace. Kromě toho příchod nových CPU a GPU s velmi vysokou hustotou pro použití ve zpracování v reálném čase, umělá inteligence, strojové učení a operace dolování dat tlačí na uživatele a provozovatele datových center, aby vyhodnotili chlazení kapalinovým ponorem pro schopnost chladit regály s vysokou hustotou jako a také snížit celkovou mechanickou stopu datových center.
Od roku 2005 se několik společností pokoušelo patentovat na základě přístupu s otevřenou vanou s instalacemi externích čerpadel. Většina, ne -li všechna tato tvrzení byla zamítnuta na základě toho, že IBM již technologii patentovala.
Dějiny
Milníky ponoření 19. a 20. století:
- Před rokem 1887 bylo použito ponoření elektrických systémů (konkrétně transformátorů) do dielektrických kapalin pro tepelné řízení.
- První patent, který výslovně zmiňuje použití oleje jako chladiva a izolátoru, je v patentu předloženém v roce 1899 na transformátor konstantního proudu Richardem Flemingem z Lynn, Massachusetts, přiřaditelem General Electric Company of New York
- První zmínka o specifickém použití dielektrických kapalin používaných k chlazení „počítačů“ je v roce 1966 Oktayem Sevginem z IBM.
- V roce 1968 si Richard C. Chu a John H. Seely, pracující pro IBM, nechali patentovat „Ponorný chladicí systém pro modulárně zabalené součásti“.
- Seymour R. Cray Jr. zakladatel společnosti Cray Research, LLC si v roce 1982 nechal patentovat „elektronickou sestavu s vysokou hustotou chlazenou ponorem“.
- Cray T90 (vydáno v roce 1995) používá velké tekuté k chlazené kapalné výměníků tepla a jednoho nebo dvou-fázové chladící kapaliny ponorné pro odvod tepla
- Díky příchodu CMOS bylo u CPU dosaženo značných úspor energie, což rychle omezilo problémy s chlazením systémů HPC. Až ve druhém desetiletí se ponoření vrátilo k tahu kvůli rostoucím tepelným vlastnostem čipů.
Milníky ponoření do 21. století:
- V roce 2006 byla společnost Hardcore Computer Inc založena na konceptu zavádění uzavřených počítačů ve stylu šasi pro hraní her.
- V roce 2009 Green Revolution Cooling restartoval koncept ponoření do otevřené lázně zavedením komerčního systému s otevřenou lázní do průmyslu HPC
- V roce 2010 společnost Midas Green Technologies založila první celosvětové komerční datové centrum s imerzním chlazením.
- V roce 2011 společnost Iceotope uvedla na trh první komerční technologii založenou na rackových uzavřených šasi, která byla speciálně navržena pro nasazení v datových centrech.
- V roce 2016 společnost Asperitas vytvořila první cirkulační cirkulační cirkulační systém s vysokou hustotou, jednofázový otevřený lázeň s otevřenou lázní.
- Počínaje rokem 2016 se vzestup kryptoměny stává hlavní a významnou hybnou silou ponoření. To je způsobeno vysokými výhodami TCO, které jsou při krypto těžbě velmi ceněny. Toto období umožnilo mnoha technologiím ponoření získat základní zkušenosti a vyzrát na jejich technologie.
- 2017 ukazuje velký objem start-upů v doméně ponorného chlazení. Většinou souvisí s kryptoměnou a rostoucími výzvami v oblasti napájení a chlazení v odvětví datových center.
- V roce 2018 Open Compute Project oficiálně zahrnuje ponoření do nového projektu pod Rack & Power jako součást ACS (Advanced Cooling Solutions).
- V roce 2019 jsou na summitu OCP v San Jose představeny první dokumentované oborové standardy pro ponoření .
- V roce 2019 společnost Midas Green Technologies navrhla a postavila první plně kontejnerové imerzní datové centrum.
Techniky chlazení serverem ponořením
Ponorné chlazení otevřenou lázní
Ponorné chlazení otevřenou lázní je chladicí technika datového centra, která zahrnuje úplné ponoření zařízení IT do dielektrické kapaliny. Aspekt „otevřenosti“ se netýká otevřeného nebo utěsněného systému, ale odkazuje na „otevřené“ rozhraní kapalina-vzduch a povrchové napětí mezi kapalinou a vzduchem je výrazným prvkem.
Tyto lázně umožňují pohyb chladicí kapaliny hardwarovými součástmi nebo servery, které jsou v ní ponořeny.
Jednofázové ponoření vyžaduje cirkulaci dielektrických kapalin pomocí čerpadel nebo přirozeným prouděním. Tyto kapaliny zůstávají během provozu vždy v kapalném stavu. Nikdy nevaří ani nezmrazují. Dielektrické chladivo je buď čerpáno přes externí výměník tepla, kde je chlazeno jakýmkoli chladivem pro zařízení, nebo je chladivo pro zařízení čerpáno přes ponořený výměník tepla, což usnadňuje přenos tepla uvnitř dielektrické kapaliny.
Ve dvoufázových systémech se jako teplonosné kapaliny používají fluorované uhlovodíky. Teplo je odebíráno ve dvoufázovém systému, kde kapalina při kontaktu s horkými složkami doslova vře, kvůli nízkému bodu varu. Systém využívá konceptu známého jako „ latentní teplo “, což je teplo (tepelná energie) potřebné ke změně fáze tekutiny, k čemuž dochází, když dvoufázové chladivo přijde do styku s vyhřívanou elektronikou v lázni, které jsou nad bod varu chladicí kapaliny. Jakmile dvoufázové chladivo vstoupí do plynné fáze, musí být ochlazeno nebo kondenzováno, obvykle pomocí vodou chlazených spirálek umístěných v horní části nádrže. Jakmile zkondenzuje, dvoufázová chladicí kapalina kape zpět do primární chladicí nádrže. Dvoufázová chladicí kapalina v nádrži obvykle zůstává na „saturační teplotě“. Energie přenesená ze serverů do dvoufázové chladicí kapaliny způsobí, že se její část vyvaří na plyn. Plyn stoupá nad hladinu kapaliny, kde je v kontaktu s kondenzátorem, který je chladnější než teplota nasycení. To způsobí, že chladivo v plynném stavu kondenzuje zpět do kapalné formy a spadne zpět do lázně.
Uzavřené chlazení podvozku
Jiným přístupem k chlazení lázní s otevřenou lázní jsou uzavřená řešení pro ponorné chlazení serverů, kde jsou servery speciálně zabudovány v pouzdru nepropustném pro kapaliny. Dielektrická chladicí kapalina cirkuluje uvnitř nebo je čerpána přes každý server, aby sbírala teplo ze součástí. Teplo je poté odebíráno do rozdělovače nebo propojovací roviny ve stojanu, kde je buď cirkulováno přímo mimo budovu do chladicí věže nebo výměníku tepla, nebo je chlazeno přímo v rozvaděči pomocí infrastruktury chladicí kapaliny zařízení.
Hlavní výhodou tohoto přístupu je, že servery jsou namontovány v samostatných nádobách, které lze snadno vyměnit ve stojanu a nemusí být umístěny v horizontálních lázních. Nejběžnější nevýhodou je, že nelze použít veškerý hardware, protože dodavatel definuje hardwarové specifikace zapečetěných serverů.
Ponorné chlazení při těžbě kryptoměn
Kapalné chlazení se používá k odstranění přebytečného tepla z čipů a desek výpočetního zařízení. V posledních letech je zvláště důležité kapalinové (imerzní) chlazení zařízení pro těžbu kryptoměn. Obvykle se vytvářejí univerzální nádrže s cirkulující kapalinou, ve kterých jsou GPU, ASIC a FPGA zcela ponořeny. Jsou odděleny od svých původních chladicích systémů, což eliminuje hluk, prach, nečistoty a umožňuje přetaktování zařízení při zachování vysoké účinnosti chlazení.
Jedním z hlavních charakteristických rysů ponorného chlazení při těžbě je schopnost znovu použít teplo generované zařízením pro následující účely:
- water and premises heating; - breeding of heat-loving plants and animals; - drying of wood; - processing of products in the shops after painting and varnishing works; - drying of fruits and vegetables; - production of rubber, chemical fibers, plastics, alumina.
Ponorné chladicí systémy v současné době vyrábí následující společnosti: 3M, Asperitas, BiXBiT, Fujitsu, GRC a několik dalších výrobců.