مقارن تبريد مرحلة واحدة مقابل مرحلة ثنائية الطور

مقدمة: حتمية تبريد الانغماس للحوسبة عالية الكثافة

يعمل العالم الرقمي على مراكز البيانات ، وبما أن اعتمادنا على البيانات ينمو بشكل كبير ، فإن الطاقة المستهلكة - وتولدها - من خلال هذه المنشآت الحرجة. دفع ارتفاع الذكاء الاصطناعي (AI) ، والحوسبة عالية الأداء (HPC) ، وأجهزة الخادم الكثيفة بشكل متزايد طرق تبريد الهواء التقليدية إلى نقطة الانهيار. ترتفع كثافة الحرارة داخل رفوف الخادم ، مما يجعل الإدارة الحرارية فعالة من أجل الاستقرار التشغيلي ، وطول عمر الأجهزة ، والاستدامة البيئية.

أدخل غمر تبريد , نهج تحويلي يتجاوز الهواء ويجلب السائل مباشرة في ملامسة المكونات المولدة للحرارة. من خلال غمرها في أجهزة تكنولوجيا المعلومات في السوائل العازلة المتخصصة (غير الموصوفة) ، يوفر تبريد الانغماس قدرات نقل حرارة متفوقة إلى حد كبير. ومع ذلك ، 'الانغماس التبريد ' ليس متجانس. ويشمل في المقام الأول تقنيتين متميزتين: تبريد غمر المرحلة الواحدة (1-PIC) وتبريد الانغماس ثنائي الطور (2-PIC) . يعد فهم الاختلافات الأساسية والمزايا والمقايضات بين هذين النهجين أمرًا بالغ الأهمية لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن تبريد مركز البيانات من الجيل التالي. توفر هذه المقالة مقارنة شاملة لتوجيه هذا الاختيار.

إزالة الغموض عن تبريد الانغماس أحادي الطور (1-PIC)

كيف تعمل: نهج الحمل الحراري والدورة الدموية

في نظام تبريد أحادي الطور ، يتم غمر معدات تكنولوجيا المعلومات (الخوادم ، وحدات معالجة الرسومات ، ASIC) رأسياً أو أفقياً في خزان مملوء بمبرد عازل. الحرارة الناتجة عن المكونات تنتقل مباشرة إلى السائل المحيط في المقام الأول من خلال الحمل الحراري. بشكل حاسم ، يبقى المبرد في حالته السائلة طوال عملية التبريد الأولية هذه-وبالتالي ، 'المرحلة الواحدة. '

لإزالة الحرارة الممتصة ، يتم توزيع السائل العازلة الدافئة بنشاط عن طريق المضخات خارج خزان الانغماس. يتدفق إلى وحدة رفض الحرارة الخارجية ، وعادة ما تكون وحدة توزيع سائل التبريد (CDU) ، والتي تحتوي على مبادل حراري (غالبًا ما يكون سائلًا إلى سائل). هنا ، يتم نقل الحرارة من سائل التبريد العازلة إلى حلقة ثانوية ، وعادة ما تكون مياه المنشأة. ثم يتم ضخ السائل العازل المبرد الآن في خزان الغمر لمواصلة دورة التبريد.

الخصائص والمكونات الرئيسية

• السوائل: عادةً ما تستخدم السوائل المهندسة القائمة على الهيدروكربون (مثل الزيوت المعدنية أو الزيوت الاصطناعية) التي تتميز بنقاط غليان عالية نسبيًا ، تقلبات منخفضة (تقليل الخسارة التبخرية) ، والاستقرار الحراري الجيد ، وغالبًا ما يكون التكلفة مقارنةً بالسوائل ثنائية الطور.

• الأجهزة: تتطلب الخزانات (التي يمكن تصميمها كحمامات مفتوحة أو وحدات مختومة) ، ومضخات قوية قادرة على التعامل مع لزوجة وتدفق معدلات السائل العازلة ، و CDU الخارجي أو المبادلات الحرارية للتفاعل مع نظام رفض الحرارة في المنشأة.

إزالة الغموض عن تبريد الانغماس على مرحلتين (2-PIC)

كيف تعمل: دورة الغليان والتكثيف

يتضمن تبريد الانغماس ثنائي الطور أيضًا أجهزة غارقة في سائل عازل ، ولكن مع وجود اختلاف رئيسي: تم تصميم السائل على وجه التحديد للحصول على نقطة غليان منخفضة للغاية (غالبًا ما يكون حوالي 50-60 درجة مئوية أو 120-140 درجة فهرنهايت عند ضغط التشغيل).

مع ارتفاع تسخين المكونات ، فإنها تتسبب في غليان السائل المحيط مباشرة على أسطحها. يمتص تغيير طور السائل إلى البخار كمية كبيرة من الطاقة (الحرارة الكامنة للتبخير) بكفاءة للغاية وفي درجة حرارة ثابتة تقريبًا. البخار الناتج ، كونه أقل كثافة ، يرتفع بشكل طبيعي إلى أعلى الخزان. هناك ، يواجه مكثفًا (عادةً ما يتم تبريده بواسطة مياه المنشأة أو حلقة ثانوية أخرى) مدمجة في غطاء الخزان أو القسم العلوي. يطلق البخار حرارته الكامنة إلى المكثف ، ويتغير مرة أخرى إلى السائل ، ثم يقطر العودة إلى حمام السوائل الرئيسي عبر الجاذبية. توفر دورة الغليان/التكثيف الداخلية هذه آلية التبريد الأولية ، مما يلغي إلى حد كبير الحاجة إلى مضخات لتدوير السائل العازل الأولي داخل الخزان نفسه.

الخصائص والمكونات الرئيسية

• السوائل: توظف سوائل هندسية متخصصة ، والكيمياء الفلورية في الغالب (تاريخيا PFCs ، والآن أكثر شيوعا HFEs ، أو FKS ، أو تركيبات GWP ذات الملكية الأحدث مثل 3M ™ Novec ™/Fluorinert ™ أو Chemours ™ Opteon ™). هذه لها نقاط غليان منخفضة ، وقيم حرارة عالية الكامنة ، وقوة عازلة ممتازة ، ولكن عادة ما تكون أكثر تكلفة ومتقلبًا من السوائل الواحدة. يعد التأثير البيئي (GWP) والتدقيق التنظيمي المحتمل (PFAs) اعتبارات مهمة لأنواع معينة من السوائل.

• الأجهزة: يتطلب الخزانات المصممة بعناية والتي عادة ما تكون مختومة أو شبه خارقة لإدارة ضغط البخار وتقليل فقدان السوائل الباهظة الثمن. المكثفات المتكاملة هي مكونات حرجة. في حين أن ضخ السائل الأساسي داخل الخزان غالباً ما يتم التخلص منه ، فلا تزال هناك حاجة للمضخات للحلقة الخارجية التي تبرد المكثف.

مقارنة وجها لوجه: الاختلافات الرئيسية بين 1-pic و 2-pic

يتطلب فهم الفروق الدقيقة بين هذه التقنيات مقارنة مباشرة عبر العديد من المجالات الرئيسية:

آلية نقل الحرارة والكفاءة

• 1-PIC: يعتمد على نقل الحرارة المعقول عن طريق الحمل الحراري. تعتمد الكفاءة على خصائص السوائل (الموصلية الحرارية ، الحرارة المحددة ، اللزوجة) ومعدل التدفق الناتج عن المضخات. فعالة ، ولكن أقل كفاءة عند نقطة امتصاص الحرارة من الغليان.

• 2-PIC: يعتمد بشكل أساسي على نقل الحرارة الكامنة عن طريق الغليان النووي . هذه الآلية لها معاملات نقل الحرارة أعلى بطبيعتها ، مما يتيح إزالة الحرارة أكثر كفاءة مباشرة من أسطح المكونات.

أقصى كثافة الطاقة

• 1-PIC: قادرة على التعامل مع كثافات رف عالية ، وغالبًا ما يتم الاستشهاد بها حتى 100 كيلوواط أو حتى تقترب من 200 كيلو وات لكل رف ، اعتمادًا على التنفيذ المحدد والسوائل المستخدمة.

• 2-PIC: يعتبر عمومًا قادرًا على التعامل مع أقصى قدر من الكثافة في الطاقة ، وغالبًا ما يتجاوز 200 إلى 250 كيلوواط لكل رف وربما أعلى بكثير ، بسبب الكفاءة الفائقة لنقل الحرارة المغلي. هذا يجعلها جذابة للتطبيقات الأكثر حداثة لحساب.

الأداء الحراري والتوحيد

• 1-PIC: يمكن أن تحقق التحكم في درجة الحرارة الجيدة ، ولكن سيكون هناك بطبيعته ارتفاع درجة الحرارة في السائل حيث يتدفق المكونات السابقة وتدرج درجة الحرارة عبر النظام.

• 2-PIC: تحدث عملية الغليان في درجة حرارة تشبع شبه ثابتة (تعتمد على الضغط). يؤدي هذا عادةً إلى توحيد درجة حرارة ممتازة عبر أسطح المكونات المنغمس ، مما يقلل من الإجهاد الحراري وتخفيف النقاط الساخنة بشكل أكثر فعالية.

سوائل العمل

• 1-PIC: يستخدم زيوت ونقطة غليان أعلى. بشكل عام ، انخفاض التكلفة ، وتقلص أقل بكثير (الحد الأدنى من الخسارة التبخرية) ، والتعامل البسيط ، وغالبًا ما يكون أقل من المخاوف البيئية (اعتمادًا على السائل المحدد).

• 2-PIC: يستخدم انخفاض النقطة الفلورية. ارتفاع تكلفة بشكل ملحوظ ، تقلبات عالية (يتطلب أنظمة مختومة لمنع الخسائر المكلفة) ، وربما GWP أعلى لبعض السوائل (على الرغم من أن الخيارات الأحدث تتحسن) ، والاعتبارات التنظيمية حول المواد الكيميائية PFAS. الخصائص العازلة الممتازة أمر لا بد منه.

أجهزة النظام والبنية التحتية

• 1-PIC: مفهوم أبسط-يتطلب مضخات حلقة أولية قوية و CDU خارجية. يمكن أن يكون تصميم الخزانات أقل تعقيدًا (الحمامات المفتوحة شائعة وتبسيط الوصول).

• 2-PIC: يلغي مضخات الحلقة الأولية ولكنه يتطلب مكثفات متكاملة فعالة وخزانات مختومة/شبه ختم ، مما يضيف التعقيد وربما التكلفة لتصميم الخزان نفسه. لا يزال يتطلب حلقة خارجية لتبريد المكثف.

كفاءة الطاقة (بوي - فعالية استخدام الطاقة)

• يقدم كل من 1-PIC و 2-PIC تحسينات مثيرة على تبريد الهواء التقليدي ، وغالبًا ما يحقق الأرقام قريبة جدًا من المثالية (1.0).

• غالبًا ما يدعي 2-PIC حافة طفيفة (على سبيل المثال ، يحتمل أن يكون PUE منخفضًا يصل إلى 1.01-1.02) بسبب التخلص من طاقة الضخ الأولية ونقل الحرارة عالي الكفاءة.

• 1-PIC PUE ممتاز أيضًا (على سبيل المثال ، 1.02-1.03 أو أفضل) ، مع وجود النفقات العامة في طاقة التبريد الرئيسية من مضخات الدورة الدموية الأولية ونظام رفض الحرارة الخارجي (شائع لكليهما). يعتمد Pue في العالم الحقيقي اعتمادًا كبيرًا على التصميم والمقياس والتكامل المحدد مع تبريد المنشأة.

الصيانة والقدرة على الخدمة

• 1-PIC: غالبًا ما يُنظر إليه على أنه أسهل في الخدمة. تتيح تصميمات الاستحمام المفتوحة الوصول المباشر إلى الأجهزة (على الرغم من أن السوائل التي تحتاج إلى إدارة). السوائل أقل تقلبًا وأسهل بشكل عام.

• 2-PIC: يمكن أن تكون الصيانة أكثر تعقيدًا. قد تحتاج الخزانات المختومة إلى فتحها بعناية لتقليل فقدان البخار. يتطلب التعامل مع السوائل المتطايرة إجراءات محددة. تدعي بعض المصادر صيانة أبسط لأن استنزاف السوائل غير مطلوب لمقايضات المكونات ، لكن إدارة البخار لا تزال بمثابة اعتبار رئيسي.

إيجابيات وسلبيات ملخصة: وجهة نظر متوازنة

تبريد الانغماس أحادي الطور (1-PIC)

• الايجابيات:

• ميكانيكا النظام أبسط وربط تعقيد الأجهزة.

• انخفاض التكلفة وتقليل انخفاض الكثير من سوائل العمل.

• أسهل معالجة السوائل والوصول إلى الأجهزة الأسهل (فتح حمام مفتوح).

• التكنولوجيا الناضجة والمنتشرة على نطاق واسع.

• سلبيات:

• انخفاض قدرة كثافة الحرارة الحد الأقصى مقارنة مع 2-PIC.

• يتطلب طاقة كبيرة لضخ السوائل الأولية.

• أقل توحيد درجة الحرارة المتأصلة مقارنة بالغليان.

تبريد الانغماس على مرحلتين (2-PIC)

• الايجابيات:

• أعلى كفاءة نقل الحرارة وقدرة على كثافة الطاقة القصوى.

• توحيد درجات الحرارة الممتازة بسبب الغليان متساوي الحرارة.

• يزيل طاقة ضخ السوائل الأولية (على الرغم من أن حلقة المكثف لا تزال بحاجة إلى التبريد).

• يحتمل أن يكون أدنى PUE يمكن تحقيقه.

• سلبيات:

• تعقيد النظام الأعلى (الخزانات المختومة ، المكثفات ، إدارة البخار).

• ارتفاع تكلفة السوائل أعلى بكثير والتقلب العالي (يتطلب الختم وخطر الخسارة).

• الاهتمامات البيئية/التنظيمية المرتبطة ببعض السوائل المفلورة (GWP ، PFAs).

• من المحتمل أن تكون إجراءات صيانة أكثر تعقيدًا.

التطبيقات الحلوة: مطابقة التكنولوجيا مع الاحتياجات

لا يكون الاختيار بين 1-pic و 2-pic واضحًا دائمًا ويعتمد بشكل كبير على متطلبات محددة:

• غالبًا ما يتم تفضيل PIC للتطبيقات التي تتطلب تحسينات كبيرة في الكثافة على تبريد الهواء (تصل إلى 100-200 كيلو واط/نطاق رف) حيث تكون البساطة والتكلفة الأولية المنخفضة وسهولة التشغيل أولويات عالية. إنه حل قوي ومثبت للعديد من مراكز بيانات HPC و AI و Enterprise.

• عادةً ما يتم النظر في 2-PIC للتطبيقات التي تدفع الحدود المطلقة لكثافة الطاقة (> 200 كيلوواط/رف) ، مثل أجهزة الكمبيوتر الفائقة المتطورة ، ومجموعات التدريب المتطرفة من الذكاء الاصطناعي/مل ، أو إلكترونيات متخصصة في التدفق العالي حيث يمكن أن يكون الحد الأقصى للأداء الحراري وأدنى قدر ممكن من الأهمية ، ويمكن تبرير التعقيد/التكلفة الأعلى.

تلعب عوامل مثل قيود الميزانية والخبرة التشغيلية والتسامح مع تعقيد إدارة السوائل واللوائح البيئية المحلية وأهداف TCO طويلة الأجل دورًا مهمًا في القرار.

التنقل في نقاش السوائل والاتجاهات المستقبلية

تطور سوائل تبريد الانغماس مستمر. بالنسبة إلى 2-PIC ، تركز الأبحاث المهمة على إنشاء سوائل جديدة مع انخفاض GWP ، وتحسين توافق المواد ، وتكاليف أقل ، مع الاحتفاظ بخصائص حرارية وعزلارية ممتازة. قد تؤثر اللوائح المحيطة بالمواد الكيميائية PFAS على خيارات السوائل المستقبلية. بالنسبة لـ 1-pic ، تستمر التطورات في تحسين خصائص السوائل لتحسين الموصلية الحرارية وانخفاض اللزوجة. قد نرى أيضًا النهج الهجينة تظهر ، في محاولة لجمع الفوائد من كلتا التقنيتين.

الخلاصة: اتخاذ خيار تبريد الانغماس الصحيح لمرفقك

يمثل كل من تبريد المرحلة الواحدة والغمر ثنائي الطور التقدم الرائد في الإدارة الحرارية لمركز البيانات ، مما يوفر تحسينات كبيرة في الكفاءة والكثافة والاستدامة مقارنة بتبريد الهواء التقليدي. يوفر 1-PIC مسارًا أكثر بساطة ، وغالبًا ما يكون أكثر فعالية من حيث التكلفة للتبريد السائل عالي الكثافة باستخدام سوائل أقل تقلبًا. يوفر 2-PIC قمة أداء نقل الحرارة ، مما يتيح كثافات الطاقة الشديدة ولكن يأتي مع تعقيد أكبر واعتبارات حول تكلفة السوائل والتقلب والتأثير البيئي.

الاختيار الأمثل ليس عالميًا. إنه يتطلب تقييمًا شاملاً لاحتياجات كثافة الطاقة الحالية والمستقبلية ، والميزانيات الرأسمالية والتشغيلية ، والخبرة الفنية ، وتحمل المخاطر ، وأهداف الاستدامة. يعد التقييم الدقيق والتشاور في كثير من الأحيان مع خبراء التبريد ضروريًا لاختيار استراتيجية تبريد الانغماس التي تتوافق مع الأهداف المحددة للمنشأة.

Winshare Thermal: الخبرة في حلول التبريد السائل المتقدمة

نظرًا لتكثيف الطلب على حلول التبريد المتطورة عبر مراكز البيانات والتطبيقات الإلكترونية الأخرى ذات الطاقة العالية ، تصبح خبرة الهندسة الحرارية العميقة لا غنى عنها. في Winshare Thermal ، الذي تأسس في عام 2009 ، نحن مكرسون لتصميم ومحاكاة وتصنيع حلول الإدارة الحرارية عالية الأداء القادرة على مواجهة هذه التحديات المتطورة.

توفر لنا خلفيتنا الواسعة في أنظمة التبريد السائل المتقدمة أساسًا قويًا في المبادئ الأساسية المهمة لنشر التبريد الفعال للانغماس ، سواء كانت مرحلة واحدة أو مرحلتين. وهذا يشمل الخبرة في:

• تصميم عالية الكفاءة المبادلات الحرارية ، والمكونات الحيوية في CDU (ل 1-PIC) والمكثفات (ل 2-PIC).

• تحسين ديناميات السوائل ونقل الحرارة داخل التجميعات الحرارية المعقدة.

• إجراء عمليات محاكاة حرارية مفصلة (CFD) للتنبؤ بأداء النظام والتحقق منه.

• التصنيع الدقيق للمكونات الحرارية المعقدة والتجميعات.

في حين أن تركيزنا الأساسي قد يكون على حلول المكونات والمستوى على مستوى النظام مثل وحدات أنابيب الحرارة ، وغرف البخار ، واللوحات الباردة المخصصة ، فإن فهمنا لفيزياء نقل الحرارة ، وعلوم المواد ، وعمليات التصنيع الجودة (معتمدة على ISO9001 ، ISO14001 ، IATF 16949) يتيح لنا المساهمة بشكل فعال في تنمية وتنفيذ مستحضرات التبريد السوائل. نحن نتشارك مع المبدعين عبر الصناعات الجديدة للطاقة وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وإلكترونيات الطاقة ومركز البيانات لتقديم الأداء الحراري الموثوق والمحسّن.

اتصل بـ Winshare Thermal لمناقشة كيف يمكن أن تدعم قدراتنا على المعرفة والتصنيع في الهندسة الحرارية مشروع التبريد المتقدم التالي.