Thermisches Design einer Flüssigkeitskühlungsschalttafel
Mit der Verbreitung von Internet, Cloud Computing und Big-Data-Diensten steigt der Gesamtenergieverbrauch von Rechenzentren und auch deren Energieeffizienz erhält immer mehr Aufmerksamkeit. Laut Datenstatistik beträgt der durchschnittliche Power Usage Efficiency (PUE)-Wert von Rechenzentren in China 1,49 und liegt damit deutlich über der von der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission vorgeschlagenen Anforderung, dass neue große Rechenzentren weniger als 1,25 betragen müssen. Die Reduzierung des PUE ist dringend erforderlich. Wie können Hersteller von Netzwerkgeräten den Energieverbrauch erheblich senken und gleichzeitig eine hohe Leistung der Chips gewährleisten? Das Kühlsystem als Schlüsselfaktor für Leistung und Energieverbrauch ist zu einem Schwerpunkt der Reform von Rechenzentren geworden, und die Flüssigkeitskühlungstechnologie ersetzt aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile nach und nach die herkömmliche Luftkühlung als gängige Kühllösung.
Wir haben festgestellt, dass der durchschnittliche Energieverbrauch von Rechenzentren bis zu 33 % beträgt, was fast einem Drittel des gesamten Energieverbrauchs von Rechenzentren entspricht. Dies liegt daran, dass das herkömmliche luftgekühlte Kühlsystem in Rechenzentren Luft mit einer sehr geringen spezifischen Wärmekapazität als Kühlmedium verwendet, das von Lüftern im Inneren der Geräte angetrieben wird, um die Wärme von der CPU und anderen Wärmequellen an Kühlkörper abseits der IT zu übertragen Die Wiederverwendung von Gebläsekonvektor-Wärmetauschern oder Klimaanlagenkühlung zur Luftzirkulation zur Wärmeableitung und Kühlung ist ebenfalls eine notwendige Einschränkung der Luftkühlung. Daher ist die Frage, wie die Energieeffizienz des Kühlsystems gelöst werden kann, zu einer technologischen Iterationsherausforderung geworden, vor der Gerätehersteller im neuen politischen Umfeld stehen.
Aus Sicht der Anforderungen an die Wärmeableitung von Gerätechips. Mit der Entwicklung von Switch-Chips können Hochleistungschipprozesse (z. B. 5 nm) zwar den Stromverbrauch der einzelnen Recheneinheiten effektiv reduzieren, da die Bandbreite des Switch-Chips auf 51,2 Tbit/s ansteigt, ist der Gesamtstromverbrauch eines einzelnen Chips jedoch auf etwa gestiegen 900W. Die Lösung des Wärmeableitungsproblems des Gerätechips ist zu einem schwierigen Punkt im gesamten Hardwaredesign geworden. Die Kühlleistung des luftgekühlten Systems stößt bald an ihre Grenzen. Obwohl luftgekühlte Kühlkörper die aktuellen Wärmeableitungsprobleme von Switches lösen können, werden sie irgendwann nicht mehr ausreichen, wenn 102,4/204,8 Tbit/s zum Mainstream werden und der Stromverbrauch der Chips in Zukunft steigt. Daher ist für die nächste Generation von IT-Geräten eine effizientere Flüssigkeitskühlungstechnologie entstanden. In den nächsten 5-10 Jahren herrscht in der Branche Konsens darüber, dass die luftgekühlte Kühlung in Rechenzentren schrittweise durch eine Flüssigkeitskühlung ersetzt wird.
Die aktuelle Flüssigkeitskühlungstechnologie ist hauptsächlich in einphasige Flüssigkeitskühlung und zweiphasige Flüssigkeitskühlung unterteilt. Unter einphasiger Flüssigkeitskühlung versteht man, dass die Kühlflüssigkeit während des zirkulierenden Wärmeableitungsprozesses ihren flüssigen Zustand beibehält und durch die hohe spezifische Wärmekapazität leicht Wärme abführt. Unter Zweiphasen-Flüssigkeitskühlung versteht man den Phasenwechsel des Kühlmittels während des Zirkulationswärmeableitungsprozesses, bei dem das Kühlmittel die Wärme der Anlage durch extrem hohe latente Vergasungswärme abführt. Im Vergleich zu anderen Methoden weist die einphasige Flüssigkeitskühlung eine geringere Komplexität auf und ist einfacher zu realisieren. Ihre Wärmeableitungskapazität reicht aus, um IT-Geräte in Rechenzentren zu unterstützen, was sie zur aktuellen Wahl macht.
Die einphasige Flüssigkeitskühlung wird in Kühlplatten-Flüssigkeitskühlung und Immersions-Flüssigkeitskühlung unterteilt. Bei der Flüssigkeitskühlung mit der Kühlplatte wird die Flüssigkeitskühlplatte an der Hauptheizvorrichtung des Geräts befestigt, wobei die Flüssigkeit, die durch die Kühlplatte fließt, die Wärme abführt und den Zweck der Wärmeableitung erreicht. Bei der Immersions-Flüssigkeitskühlung wird die gesamte Maschine direkt in Kühlmittel eingetaucht. Dabei wird auf die natürliche oder erzwungene Zirkulation der Flüssigkeit zurückgegriffen, um die beim Betrieb von Geräten wie Servern erzeugte Wärme abzuleiten.
Zu den Vorteilen der Kühlplatten-Flüssigkeitskühlung gehören: minimale Änderungen am gesamten Computerraum, nur Änderungen am Rack, an den Kühlverteilungseinheiten (CDUs) und am Wasserversorgungssystem erforderlich. Darüber hinaus kann die Kaltplatten-Flüssigkeitskühlung eine größere Auswahl an Kühlmitteltypen verwenden und erfordert viel weniger als die Tauchkühlung, was zu niedrigeren Anfangsinvestitionskosten führt. Darüber hinaus ist die Industriekette der Kühlplatten-Flüssigkeitskühlung ausgereifter und auf dem Markt akzeptabler.
Zu den Vorteilen der Immersionsflüssigkeitskühlung gehören: (1) Aufgrund des direkten Kontakts des Kühlmittels mit dem Gerät ist die Wärmeableitungsfähigkeit stärker und das Risiko einer Geräteüberhitzung geringer; (2) Geräte zur immersiven Flüssigkeitskühlung erfordern keinen Lüfter, was zu weniger Vibrationen und einer längeren Lebensdauer der Hardware-Ausrüstung führt; (3) Die Temperatur der Kaltwasserversorgung auf der Seite des Tauchflüssigkeitskühlmaschinenraums ist höher und auf der Außenseite lässt sich die Wärme leichter ableiten. Daher ist die Standortwahl des Maschinenraums nicht mehr so stark durch die Region und die Temperatur eingeschränkt wie im luftgekühlten Zeitalter.
Der Einsatz der Flüssigkeitskühlungstechnologie in Rechenzentrums-Switches löst nicht nur ihre eigenen thermischen Probleme, sondern ermöglicht auch den einheitlichen Einsatz mit Flüssigkeitskühlungsservern und erleichtert so den einheitlichen Aufbau und Betrieb der Rechenzentrumsinfrastruktur. Flüssigkeitskühlung unterstützt den Austausch neuer Technologien, um die Leistung zu maximieren, mehr gute Rechenzentrumsprodukte zu entwickeln und gemeinsam eine grüne digitale Wirtschaft aufzubauen.
