Kuna andmekeskustel on tihedalt pakitud seadmed ja töötavad pidevalt, tekitavad need palju soojust (igal serveril võib olla mitu kilovatti võimsus kümnete kilovatiini). Kui soojust ei saa aja jooksul hajutada, põhjustab see seadmete ülekuumenemist, jõudluse halvenemist ja isegi ebaõnnestumist. Seetõttu mõjutab jahutussüsteemi kujundamine otseselt andmekeskuse energiatõhusust, töökindlust ja tegevuskulusid. Järgnev on üksikasjalik sissejuhatus süsteemi koostise, jahutusmeetodite, peamiste tehnoloogiate ja arengusuundade aspektidest.
1. Andmekeskuse jahutussüsteemi komponendid
Andmekeskuse jahutussüsteem koosneb tavaliselt järgmistest osadest, mis töötavad koos tõhusa soojusülekande ja väljalaske saavutamiseks:
● Soojusallikate külgvarustus
Soojust genereerivad komponendid, näiteks serverid, hoiuseadmed, toiteallikaseadmed (näiteks UPS) jne, jahutavad algselt ventilaatorid või passiivsed jahutusvalandid.
● Soojusülekandekeskkond
Õhk: traditsioonilise õhujahutussüsteemi sööde, madalate kulude, kuid madala soojuse juhtivuse efektiivsus (õhu soojusjuhtivus on umbes 0. 026 W\/M ・ K).
Vedelik: vedela jahutussüsteemi, näiteks vee või jahutusvedeliku, näiteks mineraalõli ja fluoritud vedeliku, sööde on oluliselt kõrgem soojusjuhtivust kui õhus (vee soojusjuhtivus on umbes {{{0}}}.
● Külmutus- ja soojuse hajumise seadmed
Täpne kliimaseade (CRAC\/CRAH): tagab andmekeskuse keskkonna juhtimiseks pideva temperatuuri ja niiskuse külma õhku (tüüpiline temperatuur 20-24 kraad, niiskus 40%-60%).
Jahuti: eemaldab soojuse veeringluse kaudu, mida tavaliselt kasutatakse suurtes andmekeskustes või vedelates jahutussüsteemides.
Jahutustorn\/kuiv jahuti: eraldab soojuse õues atmosfääri, jagatud veejahutuseks (vajab vett) ja kuiva jahutamist (õhujahutus, veesäästlik, kuid vähem tõhus).
Soojusvaheti: näiteks plaadi soojusvaheti ja soojustoru soojusvaheti, mida kasutatakse soojusvahetuseks erinevate söötmete vahel.
● Õhuvoolu\/vedeliku voolu haldamise komponendid
Kanalite ja kanalid: juhendage õhuvool külma ja kuuma isolatsiooni saavutamiseks.
Jahutusvedeliku ringluse tagamiseks vedelik jahutusjuht: sealhulgas pumbad, ventiilid, voolumõõturid jne.
Kapi taseme komponendid: näiteks tagaplaani ventilaatorid, külmaplaadid ja pihustusvahendid (keelekümbluse vedeliku jahutus).
● Juhtimissüsteem
Andurid (temperatuur, niiskus, rõhk) ja intelligentsed kontrollerid reguleerivad energiatõhususe optimeerimiseks dünaamiliselt jahutusseadmete toimimist.
2. Andmekeskuse jahutusmeetodite klassifitseerimine
Soojusülekande keskmise ja tehnilise tee põhjal võib jahutusmeetodid jagada kolme kategooriasse: õhu jahutus, vedelik ja jahutamine. Igal meetodil on erinevad kohaldatavad stsenaariumid, plussid ja puudused.
● Õhujahutus (õhujahutus)
Põhimõte: Seadmete kuumus eemaldatakse õhuvoolu abil ja kuuma õhku jahutatakse kliimaseadmete süsteem ja seejärel ringlussevõtt või väljapoole lastakse välja.
Tüüpilised tehnoloogiad:
Arvutiruumi tasemel õhujahutus:
Täpne kliimaseade tarnib otse arvutitoasse ja kuum õhk naaseb läbi lae või põranda all. Maksumus on madal, kuid energiatõhusus on keskmine (pue on kõrge, umbes 1. 5-2. 0).
Parandusmeetmed: kuumade ja külmade kanalite eraldamine (ümbritsevad kuumakanalid või külmad kanalid õhuvoolu segamise vältimiseks), põrandaõhuvarustus (kasutades kõrgendatud põrandaid külma õhu transportimiseks, tavaline traditsioonilistes andmekeskustes).
Kapi tasemel õhkjahutus:
Kapis on sisseehitatud ventilaatorid või tagaplaani ventilaatorid, et suurendada ühe kapi soojuse hajumist (sobib keskmise tihedusega kappide jaoks, mis on vähem kui 15 kW).
Kombineerituna ridadevahelise kliimaseadmega (kliimaseadmed võetakse kasutusele kapi ridade vahel, et lühendada õhuvoolu ja parandada tõhusust).
Eelised: küps tehnoloogia, madala juurutuskulud, lihtne hooldus.
Puudused: madal õhu soojusmaht, ebapiisav efektiivsus suure võimsusega stsenaariumide korral (uuendage vedeliku jahutuse korral, kui kapi ühe võimsus> 20 kW).
● Vedela jahutus (vedela jahutus)
Põhimõte: kasutage vedelat söödet, et pöörduda soojust genereerivate komponentidega otseselt või kaudselt, võtke soojuse ringluse kaudu ja seejärel soojuse jahutussüsteemi soojusvaheti kaudu.
Klassifikatsioon ja tehnoloogia:
Kaudne vedela jahutus (külma plaadi tüüp):
Soojust genereerivad komponendid (näiteks CPU, GPU) on kokku puutunud metallist külmaplaadi kaudu ja jahutusvedelikuga (vesi või mittejuhtiv vedelik) voolab külmaplaadil, et neelata soojust, ilma et oleks otseselt ühendust võtnud elektrooniliste komponentidega.
Eelised: suur ohutus (mittejuhtiv vedelik on valikuline), ühildub olemasoleva serveri arhitektuuriga ja madalate transformatsiooniraskustega.
Rakendus: suure tihedusega arvutusstsenaariumid (näiteks AI-serverid, HPC klastrid), ühe kapi võimsus võib jõuda 20-50 kW-ni.
Otsene vedel jahutus (keelekümblus):
Serveri riistvara on täielikult sukeldatud mittejuhtivasse fluoritud vedelikusse või mineraalõli. Vedelik neelab soojust ja aurustub ning auruvedeldavad ja voolavad tagasi läbi kondensaatori (faasimuutus jahutus, suurem tõhusus).
Eelised: Äärmiselt kõrge soojuse hajumise efektiivsus (ühekapi võimsus võib ulatuda üle 100 kW), ventilaatorit pole vaja, madal müra, pue võib olla nii madal kui 1,05 või vähem.
Rakendused: ülikõrge jõudlusarvutus, plokiahela kaevandamise farmid, suuremahulised AI treeningklastrid.
Pihustage vedelat jahutamist:
Jahutusvedelik pihustatakse kuumuta elemendi pinnale läbi düüsi, kombineeritakse aurustumisega soojuse imamiseks, mis on külmaplaadi tüübi ja keelekümbluse tüübi vahel.
Eelised: kõrge soojuse hajumise efektiivsus, märkimisväärselt vähenenud PUE ja tugi ülitugeva võimsusega.
Puudused: kõrge alginvesteering (vajalik kabinet ja torujuhtme muutmine), kõrge hoolduse keerukus ja vajalik professionaalne jahutusvedeliku juhtimine.
● Looduslik jahutus (tasuta jahutus)
Põhimõte: energiatarbimise vähendamiseks kasutage mehaanilise jahutuse asendamiseks välistingimustes looduslikke külmaallikaid (näiteks madala temperatuuriga õhk, põhjavesi, jahutustornid).
Tüüpilised tehnoloogiad:
Õhupoolne loomulik jahutus:
Värske õhu jahutamine: välistingimustes madala temperatuuriga õhk sisestatakse pärast filtreerimist otse andmekeskusesse (niiskust ja tolmu tuleb rangelt kontrollida) ja kuuma õhku lastakse välja õues.
Soojustoru\/soojusvaheti: sisekuumus kantakse väljastpoolt soojust torude või plaatide soojusvahetite kaudu, et vältida otsese õhu segamist (sobib kõrge õhuniiskusega aladele).
Veepoolne looduslik jahutus:
Kui välistingimustes temperatuur on madal, kasutage jahutitornide ja kuivade jahutite kasutamiseks jahutid, et tagada madala temperatuuriga jahutusvesi, vähendades kompressori tööaega.
Kombineerituna suletud vee ringlussüsteemiga takistatakse veereostusel soojuse hajumist.
Maapinna allika\/veeallika jahutus:
Kasutage põhjavett, järvevett või mulla soojusvahet, et eraldada looduslikud külmad allikad soojuspumbasüsteemide kaudu, mis on keskkonnasõbralik, kuid piirab geograafilist asukohta.
Eelised: vähendage jahutuse energiatarbimist oluliselt, PUE võib olla nii madal kui 1,1 või alla, roheline ja energiasäästlik.
Puudused: sõltub õuekliimatingimustest (ilmsed eelised külmades piirkondades) ja nõuab täiendavaid soojusvahetusseadmeid.
3. peamised jahutamise tehnoloogiad ja uuendused
Lisaks ülaltoodud põhimeetoditele areneb andmekeskuse jahutustehnoloogia kõrge efektiivsuse, intelligentsuse ja vähese karboniseerimise suunas. Järgmised on praegused peavoolu- ja tipptasemel tehnoloogiad:
● Suure efektiivsusega külmutustehnoloogia
Magnetiline levitatsioonijahuti: magnetilise levitatsiooni kompressori kasutamine võib määrdeõli kadudeta, energiatõhususe suhe (COP) ulatuda rohkem kui 10, mis on rohkem kui 30% energiasäästlik kui traditsioonilised tsentrifugaaljahutid.
Aurustuv jahutamine: õhutemperatuuri alandamine vee aurustumise kaudu (näiteks niiske kile niisutaja + ventilaator), mis sobib kuivade alade jaoks, võib vähendada mehaanilise jahutamise nõudlust.
Kahefaasiline voolu jahutus: kasutades vedeliku faasi muutmist (aurustuskondensatsioon) tõhusaks soojusülekandeks, näiteks silmuse soojust toru (LHP) ja pulseeriv soojustoru (PHP), kiibitaseme soojuse hajumiseks.
● Luure- ja energiatõhususe optimeerimine
AI ja masinõpe:
Analüüsige ajaloolisi andmeid AI algoritmide kaudu, ennustage koormuse muutusi, reguleerige dünaamiliselt kliimaseadmete, ventilaatorite, veepumpade ja muude seadmete tööparameetreid ning saavutada energiatõhususe optimeerimine (näiteks Google'i DeepMind tehnoloogia võib vähendada külmutuse energiatarbimist 40%).
Kuumade kohtade reaalajas jälgimine, õhuvoolu või vedeliku voolu jaotuse automaatne reguleerimine, et vältida kohalikku ülekuumenemist.
Digitaalne kaksik: looge andmekeskuse virtuaalne mudel, simuleerige erinevate jahutuslahenduste mõju ning optimeerige paigutus- ja töö- ja hooldusstrateegiaid.
● Jäätmete soojuse taastumine ja süsiniku neutraalsus
Jäätmete soojuse taaskasutamine: taaskasutage jahutussüsteemist vabastatud soojus kuumutamiseks, kuumaveeks või tööstusprotsessideks (näiteks Põhjamaade andmekeskus koos piirkondliku küttesüsteemiga), et parandada üldist energiatarbimist.
Rohelise energia sünergia: ühendage taastuvenergia, näiteks fotogalvaanilised ja tuuleenergia jahutussüsteemi toiteks ja süsinikuheite vähendamiseks; Mõnes andmekeskuses kasutatakse kütuseelemente, mille heitletust saab otse kuumutamiseks või elektritootmiseks kasutada.
Looduslikud töötavad vedelikud külmutusagensid: kasutage madala GWP (globaalse soojenemispotentsiaali) külmutusagente nagu ammoniaak (NH3) ja süsinikdioksiid (CO₂), et asendada traditsiooniline Freon, vastavalt keskkonnaeeskirjadele (näiteks EL F-GAS-i eeskirjad).
● Summarsiooni vedeliku jahutustehnoloogia populariseerimine
AI plahvatuse ja suure jõudlusega andmetöötluse korral on suure tihedusega serverid (näiteks GPU klastrid) soodustanud keelekümbluse vedeliku jahutust, et saada kuumaks kohaks:
Fluoritud vedeliku omadused: isolatsioon, madal keemistemperatuur (umbes 50-60 kraad), mis sobib faasi muutmiseks jahutamiseks, pole vaja serveri riistvara muuta.
Kulude vähendamise suundumus: suuremahulise rakenduse korral on fluoritud vedeliku hind järk-järgult vähenenud ja seda saab uuesti kasutada (eluiga rohkem kui 10 aastat) ning pikaajalised kulude eelised on ilmsed.
4. Jahutustehnoloogia valimis- ja rakendusstsenaariumid
Andmekeskuste jahutuslahenduste valimine peab põhjalikult arvestama energiatihedusega, geograafilise asukoha, eelarve ja energiatõhususe eesmärkidega:
| Stsenaarium | Soovitatav jahutusmeetod | Tüüpiline sus | Ühekapi võimsus |
| Väikese võimsusega tihedus (<5 kW) | Arvutiruumi tasemel õhkjahutus + külm ja kuum kanali isolatsioon | 1.5-1.8 | Vähem või võrdne 5 kW |
| Keskmise võimsuse tihedus (5-20 kW) | Kapi tasemel õhu jahutamine + ridade konditsioneerimine | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| Suure võimsusega tihedus (20-50 kW) | Külmaplaadi vedel jahutus + looduslik jahutus | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Keelatud vedela jahutus + jäätmete soojuse taastumine | 1.05-1.1 | 50-100 kw+ |
| Külmad alad | Looduslik jahutus (õhu\/vee pool) + lisajahutus | 1.08-1.2 | Paindlik |
| Kuivad alad | Aurustuv jahutus + loomulik jahutus | 1.1-1.3 | Paindlik |
5. tulevased arengusuundumused
●Madala süsinikusisaldusega ja nulltüsiniku andmekeskused:Ajendatud poliitikatest (näiteks Hiina "kahe süsiniku" eesmärgid), loomulik jahutus, jäätmete soojuse taastamine ja taastuvenergia muutuvad tavapäraseks ning pue sihtmärk liigub 1 poole. 0.
● Vedeliku jahutustehnoloogia skaleerimine:AI ja Edge Computing juhivad suure tihedusega nõudlust, keelekümblusvedelik jahutus tungib tipptasemel stsenaariumidest üldistesse andmekeskustesse ja tööstusstandardid (näiteks OCP vedeliku jahutamise spetsifikatsioonid) järk-järgult.
● Kiibitaseme täppisoskuse hajumine:Mikrokanalite jahutus, pihustusjahutus ja muud tehnoloogiad toimivad otseselt kiibil, et vähendada soojusülekande tee kadu.
● Täis-ahela intelligentsus:Alates seadmete jälgimisest kuni globaalse optimeerimiseni on AI ja asjade Internet (IoT) sügavalt integreeritud, et saavutada "ennustav hooldus" ja adaptiivse jahutuse saavutamiseks.
●Modulariseerimine ja eeltöötlus:Eeslepitud vedeljahutuskapid ja konteiner-tüüpi andmekeskused kiirendatakse ehitustsükli juurutamiseks, vähendamiseks ning töö- ja hoolduskulude vähendamiseks
Andmekeskuse jahutussüsteem on jõudluse, kulude ja energiatõhususe tasakaalustamise peamine seos. Tehnoloogiavalik tuleb kohandada kohalike tingimuste ja vajadustega. Arvutusvõimsuse nõudluse plahvatuse ja rohelise muundamise edenemisega saab tulevase arengu põhisuund, tõhus vedela jahutamine, loomulik jahutamine ja intelligentne juhtimine, mis juhib andmekeskuste arengut "madala süsinikusisaldusega, tõhusa ja jätkusuutliku poole".
