Máy lạnh chính xác - Làm mát bằng chất lỏng dành cho DataCenter

Thứ năm , 08 Tháng 07 Năm  2021

Tổng quan 

Càng ngày các máy chủ càng xử lý mạnh mẽ hơn với sự hỗ trợ trí tuệ nhân tạo và cùng với các bộ xử lý các ứng dụng càng tinh vi hơn, đồng nghĩa với việc yêu cầu về nguồn điện trên tủ rack đang vượt quá 20 kilowatt (kW) ở một số DC ngày càng tăng, nhiều tổ chức hiện đang tìm cách triển khai các cách làm mát hệ thống có yêu cầu từ 50 kW trở lên.

Hệ thống làm mát bằng không khí đã liên tục phát triển để giải quyết mật độ cao hơn với hiệu suất cao hơn, nhưng có một điểm mà ở đó đơn giản không có các đặc tính truyền nhiệt cần thiết để cung cấp đủ làm mát cho các hệ thống mật độ cao một cách hiệu quả. Điều này có thể làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của các máy chủ chuyên dụng và trở nên kém hiệu quả hơn khi năng lượng tủ rack tăng lên. Như nhiều hệ thống công suất cao được triển khai, việc làm mát không khí không thể đạt được hữu ích về mặt kinh tế & thể  hiện tính bền vững.

Bài viết này cung cấp cho chúng ta cái nhìn tổng quan về công nghệ làm mát bằng chất lỏng, tập trung vào các cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu đã phát triển để hỗ trợ làm mát bằng chất lỏng.

Hệ thống quản lý nhiệt đang phát triển như thế nào

Các công nghệ làm mát trong các trung tâm dữ liệu luôn phải phát triển để hỗ trợ nhu cầu thay đổi của các hệ thống CNTT mà chúng đang vận hành. Trong những năm trước, hệ thống làm mát bằng không khí đã thích nghi với mật độ cao hơn bằng cách di chuyển hệ thống làm mát đến gần nguồn nhiệt và sử dụng biện pháp ngăn chặn. Nhưng những cách tiếp cận này mang lại lợi nhuận giảm dần khi mật độ tủ Rack tăng trên 20 kW (Hình 1). Một loạt các công nghệ làm mát bằng chất lỏng đã ra đời để đáp ứng các yêu cầu làm mát của các Rack mật độ ngày càng cao.

Trao đổi nhiệt phía sau

Bộ trao đổi nhiệt cửa sau là một công nghệ hoàn thiện cung cấp giải pháp khả thi để quản lý mật độ trên 20 kW. Trong khi những công nghệ không mang chất lỏng trực tiếp đến máy chủ, chúng sử dụng các đặc tính truyền nhiệt cao của chất lỏng và sử dụng cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu theo yêu cầu để làm mát trực tiếp bằng chất lỏng.

Bộ trao đổi nhiệt thụ động hoặc chủ động (Hình 2) thay thế cửa sau của giá thiết bị CNTT bằng bộ trao đổi nhiệt lỏng. Với một thụ động thiết kế, quạt máy chủ đẩy không khí nóng ra ngoài thông qua một cuộn dây chứa đầy chất lỏng được gắn ở cửa sau của giá đỡ. Cuộn dây hấp thụ nhiệt trước khi không khí đi vào trung tâm dữ liệu. Bộ trao đổi nhiệt bao gồm quạt để kéo không khí qua các cuộn dây và loại bỏ nhiệt ra khỏi Rack .

Làm mát chất lỏng trực tiếp đến chip 

Các tấm lạnh làm lạnh được đặt trên các thành phần sinh nhiệt của bo mạch (CPU, GPU, bộ nhớ) để hút nhiệt qua các tấm lạnh một pha hoặc thành phần bay hơi hai pha.

Các công nghệ làm mát trực tiếp đến chip thường có khả năng loại bỏ nhiệt hơn bộ trao đổi nhiệt cửa sau, và một số công ty cung cấp công nghệ tấm lạnh có thể tích hợp với các máy chủ hiện có và mới. Cách tiếp cận này, tuy nhiên, không loại bỏ 100% nhiệt từ thiết bị trong giá đỡ. Thông thường, làm mát trực tiếp đến chip có thể loại bỏ 70-75% nhiệt lượng do thiết bị trong giá tạo ra, yêu cầu  một cách tiếp cận kết hợp để làm mát. Điều này là do tấm lạnh hoạt động tốt nhất khi phủ một bề mặt phẳng như CPU,GPU và bộ nhớ và không được áp dụng cho các thành phần như bộ nguồn và tụ điện IC. Các tổ chức triển khai làm mát chất lỏng trực tiếp đến chip nên làm việc với đối tác cơ sở hạ tầng của họ để xác định xem một số hệ thống làm mát không khí có thể được trang bị thêm để hỗ trợ làm mát trực tiếp đến chip.

Các tấm lạnh một pha sử dụng chất lỏng làm mát được nối vào tấm lạnh bằng CDU để hấp thụ nhiệt từ các thành phần của máy chủ. Chất lỏng bị nóng lên được chuyển ra bên ngoài, thường được thực hiện bởi CDU. Lựa chọn chất lỏng được xác định bằng cách cân bằng sự thu nhiệt tính chất và độ nhớt của chất lỏng. Nước mang lại giá trị cao nhất khả năng thu nhiệt, nhưng thường được trộn với glycol, giảm bắt nhiệt nhưng tăng độ nhớt để tăng cường hiệu suất bơm. Các hệ thống này cũng có thể sử dụng chất lỏng điện môi để giảm thiểu thiệt hại do rò rỉ; tuy nhiên, chất lỏng điện môi có khả năng vận chuyển nhiệt thấp hơn nước / glycol hỗn hợp. Hình 3 so sánh khả năng thu nhiệt của các phương tiện khác nhau. Với tấm lạnh hai pha, chất lỏng điện môi áp suất thấp chảy vào thiết bị bay hơi và nhiệt do máy chủ tạo ra các thành phần đun sôi chất lỏng. Nhiệt được giải phóng từ thiết bị bay hơi dưới dạng hơi, được chuyển ra bên ngoài Rack để loại bỏ nhiệt

Làm mát bằng cách ngâm 

Với làm mát ngâm, máy chủ và các thành phần khác trong tủ Rack được ngâm ngập trong chất lỏng điện môi dẫn nhiệt hoặc chất lỏng. Với phương pháp này, nhu cầu làm mát không khí được loại bỏ. Cách tiếp cận này tối đa hóa tính chất chuyển hóa  nhiệt của chất lỏng và cách để đạt hiệu quả về tiết kiệm năng lượng nhất từ hình thức làm mát bằng chất lỏng hiệu quả.

Như với làm mát trực tiếp đến chip, một pha và hai pha hệ thống làm mát ngâm luôn sẵn sàng . Trong loại một pha (Hình 4), các máy chủ được lắp đặt theo chiều dọc trong một chất điện môi chất lỏng dẫn nhiệt. Nhiệt được truyền đến chất làm mát thông qua tiếp xúc trực tiếp với các thành phần máy chủ và được loại bỏ bởi các bộ trao đổi nhiệt trong CDU. Trong trung tâm dữ liệu, CDU thường sẽ là một thành phần riêng biệt nằm gần bể ngâm hoặc ở phần bìa của trung tâm dữ liệu. Tuy nhiên, bể ngâm “vi mô” cũng luôn sẵn sàng tích hợp CDU vào bể, cung cấp giải pháp làm mát hoàn chỉnh, khép kín cho mật độ cao các ứng dụng biên.

Trong làm mát ngâm hai pha, các máy chủ được ngâm trong bể chứa chất lỏng điện môi được thiết kế để có nhiệt độ sôi thấp đủ để tạo ra nhiệt độ thích hợp nhưng đủ cao  để giảm tiêu thụ năng lượng trong khi di chuyển nhiệt ngoài trời. Nhiệt từ các máy chủ làm sôi chất lỏng xung quanh, thay đổi giai đoạn của nó. Hơi bốc lên được ngưng tụ trở lại chất lỏng bằng các cuộn dây nằm ở trên cùng của bể và rơi xuống bởi trọng lực trở lại thùng chất lỏng. Bởi vì chất lỏng được sử dụng trong các hệ thống này rất đắt và có các mối quan tâm về môi trường, sức khỏe và an toàn, đó là quan trọng là thiết kế hệ thống ngâm hai pha để giảm thiểu mất hơi. Một cách tiếp cận là niêm phong bể ngâm để ngăn không cho hơi thoát ra ngoài.

Phương pháp này tạo ra sự mất hơi tối thiểu một cách hiệu quả. Tuy nhiên, việc truy cập vào thiết bị kèm theo yêu cầu chất lỏng các phương pháp xử lý như được nêu trong các quy định làm phức tạp việc bảo trì máy chủ. Cách tiếp cận khác là kiểm soát áp suất khí quyển sử dụng tản nhiệt để thay đổi lượng hơi bay hơi khi lượng thiết bị server  tải tăng hoặc giảm. Một ống thổi được sử dụng kết hợp với một bình ngưng nhiệt độ thấp để ngưng tụ hơi và than hoạt tính để hấp thụ / khử hấp thụ hơi nhiệt trong quá trình thở ra / hít vào. Cách tiếp cận này cung cấp khả năng truy cập dễ dàng hơn vào máy chủ trong bồn ngâm , nhưng sẽ làm tăng thêm độ phức tạp và chỉ có thể giảm thiểu mất hơi.

Cơ sở hạ tầng làm mát bằng chất lỏng 

Định hình đúng cơ sở hạ tầng làm mát là chìa khóa để thực hiện chuyển đổi thành công sang làm mát bằng chất lỏng. Khi cấu hình một vòng lặp chuyên dụng để hỗ trợ làm mát bằng chất lỏng, cần xem xét được cung cấp cho khả năng của hệ thống cơ sở hạ tầng để đảm bảo kiểm soát nhiệt độ chính xác của chất lỏng được sử dụng cho làm mát, cũng như khả năng đáp ứng với tải đột ngột tăng phổ biến ở HPC. Cơ sở hạ tầng làm mát bằng chất lỏng chuyên dụng cũng nên được thiết kế để giảm thiểu khối lượng chất lỏng để giảm hậu quả của rò rỉ và để giảm thiểu rủi ro từ áp lực cơ sở vật chất. Sau đây là các thành phần của cơ sở hạ tầng làm mát bằng chất lỏng chuyên dụng.

Đơn vị phân phối chất làm mát (CDU)

      CDU cung cấp chất lỏng làm mát được kiểm soát cho nhiệt bộ trao đổi, trực tiếp đến chip và làm mát ngâm. CDU tạo ra một vòng lặp thứ cấp tách biệt với cung cấp nước lạnh, cho phép ngăn chặn nghiêm ngặt và chính xác điều khiển hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Thông thường, nó duy trì chất lỏng nhiệt độ cung cấp làm mát trên điểm sương của trung tâm dữ liệu đến ngăn ngừa sự ngưng tụ và tối đa hóa khả năng làm mát hợp lý. Nhiệt sau đó được loại bỏ khỏi Rack bằng bộ trao đổi nhiệt lỏng thành không khí . CDU luôn sẵn sàng cho sử dụng trong hàng hoặc trên vùng biên của trung tâm dữ liệu. Một loạt các công suất cũng có sẵn, với một số mô hình cung cấp công suất vượt quá 1 MW để hỗ trợ triển khai lớn hơn với số lượng CDU tối thiểu. Khi triển khai làm mát bằng chất lỏng gián tiếp hoặc trực tiếp trong một hỗn hợp môi trường, CDU cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh cho phân phối chất làm mát cục bộ và loại bỏ nhiệt. Khi hỗ trợ làm mát trực tiếp bằng chất lỏng trong môi trường hoàn tòan làm mát bằng chất lỏng thì  CDU được kết hợp với một hệ thống loại bỏ nhiệt. Khi sử dụng với làm mát cửa sau, việc sử dụng một máy làm lạnh là điển hình để cung cấp giảm nhiệt độ cho các cửa sau.

Làm lạnh bên trong

     Đối với các ứng dụng không có quyền truy cập vào nguồn làm lạnh trong trung tâm dữ liệu, hoặc không muốn chạm vào nguồn làm lạnh hiện có hệ thống, một máy làm lạnh mô-đun trong nhà cung cấp hiệu quả và đáng tin cậy hỗ trợ làm mát bằng chất lỏng. Máy bơm gia tốc thay đổi cho phép dòng chảy của chất làm lạnh để thích ứng với việc thay đổi tải và điều khiển bên trong duy trì nhiệt độ nước còn lại bằng cách kiểm soát tốc độ của máy bơm. Máy làm lạnh bên trong được thiết kế để hỗ trợ chất lỏng làm mát sử dụng cùng một dấu chân như các máy làm mát vùng biên để đơn giản hóa việc trang bị thêm và các thiết kế trung tâm dữ liệu mới bằng chứng trong tương lai.

Bể ngâm

      Bể ngâm chứa các máy chủ được gắn theo chiều dọc trong một bể điện môi và, làm việc với CDU, lưu thông chất lỏng làm mát để loại bỏ nhiệt.

Loại bỏ nhiệt

      Có thể kết nối các CDU với bộ trao đổi nhiệt từ chất lỏng sang chất lỏng hệ thống làm lạnh của tòa nhà để loại bỏ nhiệt. Có thể sử dụng hiện có bộ làm mát khô hoặc tháp giải nhiệt để loại bỏ nhiệt cuối cùng, nhưng những hệ thống thông thường yêu cầu sửa đổi để hỗ trợ làm mát bằng chất lỏng. Ví dụ, tùy thuộc vào vị trí của trung tâm, máy làm lạnh có thể yêu cầu một hỗ trợ mức nhiệt để duy trì cung cấp nhiệt độ cần thiết để làm mát bằng chất lỏng trong suốt năm.

Lợi ích của mát bằng chất lỏng 

Các cơ sở đang tìm cách triển khai các Rack Server có mật độ cực cao (> 30 kW) sẽ có ít sự lựa chọn có sử dụng chất lỏng hay không làm mát. Bất kể hệ thống được định cấu hình hoặc tối ưu hóa như thế nào, làm mát không khí chỉ đơn giản là sẽ không thể cung cấp loại bỏ nhiệt năng lực cần thiết để duy trì độ tin cậy của hệ thống CNTT. Điều này sẽ đúng trên rìa cũng như trong các trung tâm dữ liệu cốt lõi. Trong trường hợp mật độ tủ Rack tăng dần đến ngưỡng mà tại đó làm mát bằng chất lỏng trở thành một điều cần thiết, cơ sở các nhà khai thác sẽ phải cân nhắc những lợi ích có thể đạt được bằng cách chuyển sang làm mát bằng chất lỏng để chống lại chi phí và rủi ro liên quan đến việc đẩy hệ thống làm mát không khí ra ngoài điểm nơi họ có thể quản lý nhiệt hiệu quả.

Một số nhà khai thác cũng có thể lo ngại về việc đưa chất lỏng vào các Rack. Cơ sở hạ tầng làm mát bằng chất lỏng ngày nay được thiết kế để giảm thiểu cả khả năng và hậu quả của rò rỉ chất lỏng về hoạt động của trung tâm dữ liệu. Thảo luận mối quan tâm của bạn với nhà cung cấp cơ sở hạ tầng để hiểu rõ hơn về sử dụng các tính năng giảm thiểu rò rỉ các hệ thống cụ thể. Làm mát bằng chất lỏng có thể không phù hợp với mọi cơ sở hạ tầng, nhưng ở một trung tâm dữ liệu nào đó thì nó có thể mang lại những lợi ích sau .

Cải thiện độ tin cậy và hiệu suất CNTT

      Một hệ thống làm mát bằng chất lỏng sẽ không chỉ cho phép tăng độ tin cậy mà còn mang lại lợi ích về hiệu suất vận hành DC. Như nhiệt độ CPU xấp xỉ nhiệt độ hoạt động an toàn, hiệu suất CPU được điều chỉnh trở lại để tránh nhiệt thoát ra ngoài. Làm mát bằng chất lỏng cho phép các hệ thống hoạt động liên tục ở điện áp và tần số tối đa nhưng cũng đồng thời tránh quá nhiệt.

Cải thiện hiệu quả năng lượng

      Tính chất truyền nhiệt cao hơn của chất lỏng so với không khí, kết hợp với việc loại bỏ các quạt cần thiết để di chuyển không khí qua trung tâm dữ liệu và thông qua các máy chủ, có thể  tiết kiệm năng lượng đáng kể trong các trung tâm dữ liệu làm mát bằng chất lỏng. Các máy bơm cần thiết để làm mát bằng chất lỏng tiêu thụ ít điện năng hơn những chiếc quạt cần thiết để làm mát trong một hệ thống như nhau.

Sự bền vững

      Không chỉ làm mát bằng chất lỏng tạo ra cơ hội để giảm mức tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu và mức sử dụng năng lượng của ổ đĩa hiệu quả (PUE) giảm xuống gần 1,0, nó cung cấp nhiều hơn cách tiếp cận hiệu quả để xác định lại mục đích nhiệt đã thu để giảm nhu cầu về xây dựng hệ thống sưởi ấm. Nước hồi nhiệt độ từ các hệ thống có thể là 140 độ F. (60 C) trở lên và sự truyền nhiệt từ chất lỏng sang chất lỏng hơn hiệu quả hơn có thể với các hệ thống dựa trên không khí.

Tối đa hóa việc sử dụng không gian

      Mật độ được kích hoạt bằng cách làm mát bằng chất lỏng cho phép một cơ sở tốt hơn sử dụng không gian trung tâm dữ liệu hiện có, loại bỏ nhu cầu mở rộng hoặc xây dựng mới hoặc để xây dựng diện tích nhỏ hơn cơ sở. Nó cũng cho phép xử lý các ứng dụng cạnh chuyên sâu được hỗ trợ khi không gian vật lý bị hạn chế.

Chi phí sở hữu thấp hơn

       Một chi tiết phân tích chi phí sở hữu của các trung tâm dữ liệu làm mát bằng không khí so với một mô hình kết hợp trung tâm dữ liệu làm mát bằng không khí và chất lỏng và được tìm thấy điều đó, trong khi một số biến số có thể ảnh hưởng đến tổng chi phí quyền sở hữu (TCO), “làm mát bằng chất lỏng tạo ra khả năng cải thiện TCO thông qua mật độ cao hơn, tăng khả năng sử dụng miễn phí làm mát, cải thiện hiệu suất và cải thiện hiệu suất trên mỗi watt.

Kết luận  

Hỗ trợ các ứng dụng ngày càng nhiều các doanh nghiệp hiện đang sử dụng để tạo ra lợi thế cạnh tranh yêu cầu mật độ công suất xử lý dày đặc vượt quá giới hạn vật lý của việc làm mát không khí. Làm mát bằng chất lỏng cung cấp khả năng truyền nhiệtncao hơn vài bậc so với làm mát bằng không khí và sẽ ngày càng được yêu cầu để hỗ trợ xử lý chuyên sâu ứng dụng cốt lõi và cạnh. Cơ sở hạ tầng hoàn thiện các giải pháp hiện có sẵn ngày hôm nay để hỗ trợ an toàn và hiệu quả công nghệ làm mát bằng chất lỏng, cho phép cả hai thiết kế các cơ sở làm mát bằng chất lỏng và sự ra đời thành công của chất lỏng làm mát vào các trung tâm dữ liệu làm mát bằng không khí hiện có.

 

Nguồn : www.vertiv.com

Quốc Nguyễn.