بحث حول تقنية التبريد السائل بالغمر لمركز البيانات

مع التطور السريع للتطبيقات كثيفة الحوسبة مثل الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء والعملات المشفرة والواقع المعزز/الواقع الافتراضي وما إلى ذلك، فإن الطلب المتزايد على الحوسبة يجعل مراكز البيانات تتطور تدريجيًا نحو 'الأداء العالي والكثافة العالية والاستهلاك العالي للطاقة'. يتكون استهلاك الطاقة في مركز البيانات تقريبًا من معدات الاتصالات والشبكات ونظام إمداد وتوزيع الطاقة والإضاءة والمعدات المساعدة ونظام التبريد. يمثل استهلاك الطاقة لجزء التبريد حوالي 40% من إجمالي استهلاك الطاقة لمركز البيانات. يعد تحسين كفاءة أنظمة تبريد مراكز البيانات وتقليل استهلاك الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق هدف 'الكربون المزدوج'.

تشتمل طرق التبريد السائلة الشائعة على الصفيحة الباردة والرش والغمر. من بينها، التبريد السائل بالغمر يتمتع بأعلى كفاءة في نقل الحرارة ويمكنه تجنب النقاط الساخنة المحلية. وهي حاليًا الوسيلة التقنية الأكثر احتمالاً لحل المشكلات المختلفة التي تواجهها أنظمة التبريد في بيئات الحوسبة عالية الأداء.

باعتبارها المحرك لتعزيز التطوير الجديد لمركز البيانات الكبير من الجيل التالي، تنعكس مزايا تقنية التبريد السائل الغاطس بشكل أساسي في الجوانب التالية.

(1) استخدام الطاقة العالي

يستخدم التبريد السائل الغمر المبرد كوسيلة لنقل الحرارة. تتمتع السوائل بموصلية حرارية أعلى وسعة حرارية محددة، لذا فهي توصل الحرارة بشكل أسرع وتمتص الحرارة بكفاءة أكبر. وفي الوقت نفسه، تتمتع مراكز البيانات التي تستخدم تقنية التبريد السائل الغاطس بمعدلات استخدام أقل للطاقة (PUE) بسبب انخفاض استخدام المراوح ومكيفات الهواء.

(2) كثافة طاقة أعلى

يمكن أن يؤدي التبريد السائل المغمور إلى زيادة كثافة الخادم بشكل كبير لكل وحدة مساحة في مركز البيانات، وبالتالي دعم الحوسبة عالية الكثافة بشكل أفضل. تستخدم مراكز البيانات التقليدية أنظمة تبريد الهواء، وعادةً ما تتراوح كثافة الطاقة القابلة للتبريد التي يمكن تبريدها بين 10 كيلو وات و15 كيلو وات. يمكن للتبريد السائل المغمور أن يزيد من قوة الحامل الواحد إلى 100 كيلو واط أو حتى أكثر من 200 كيلو واط. لذلك، يمكنه تلبية متطلبات تبديد الحرارة لسيناريوهات الحوسبة عالية الكثافة بشكل كامل.

(3) موثوقية أكبر للمعدات

يحافظ التبريد السائل المغمور على معدات تكنولوجيا المعلومات في درجة الحرارة المناسبة. تتجنب بيئة الغمر بشكل فعال التأثيرات الضارة للرطوبة (سيتسبب الماء الموجود في الهواء في تآكل المكونات، ويمكن لسائل التبريد حماية المعدات)، والغبار، وما إلى ذلك على المعدات. بالإضافة إلى ذلك، يتم حل مشاكل الضوضاء والاهتزاز بشكل فعال لأن الخوادم وغرف الكمبيوتر لم تعد بحاجة إلى مراوح.

(4) استغلال المساحة بشكل أعلى

يتيح أداء تبديد الحرارة الممتاز للتبريد السائل المغمور إمكانية ترتيب الخوادم بشكل وثيق دون فصل. وفي الوقت نفسه، ليست هناك حاجة لتكوين المراوح، وليس هناك حاجة لمكيفات الهواء ووحدات التبريد في غرفة الآلة. ليست هناك حاجة لتركيب مرافق احتواء الممرات الساخنة والباردة والأرضيات المرتفعة، وبالتالي فإن التبريد السائل الغاطس يتمتع باستغلال مساحة أكبر من حلول التبريد التقليدية.

(5) استهلاك أقل للمياه

ولا يؤدي الاستهلاك الضخم للمياه إلى زيادة تكاليف التشغيل فحسب، بل يواجه أيضًا ضغوطًا تنظيمية في المناطق ذات الاستخدام المحدود للمياه. تتطلب تقنية تبريد الهواء التقليدية عادةً استخدام كمية كبيرة من الماء للتبريد بالتبخير. يمكن أن يعمل مبرد تقنية التبريد السائل الغاطس عند درجة حرارة أعلى (تصل إلى 45 درجة مئوية). حتى في المناخات الأكثر حرارة، يمكن استخدام التبريد الحر بكفاءة، مما يقلل الحاجة إلى إزالة الحرارة بشكل نشط وبالتالي توفير المياه.

يعمل التبريد السائل المغمور على غمر معدات تكنولوجيا المعلومات مباشرة في سائل التبريد، بالاعتماد على سائل التبريد لامتصاص الحرارة الناتجة عن المعدات. وفقًا لما إذا كان سائل التبريد يخضع لتغير الطور في عملية تبديد الحرارة المنتشرة، يمكن تقسيمه إلى تبريد سائل غمر أحادي الطور وتبريد سائل غمر ثنائي الطور.

عادةً ما يكون لسائل التبريد الخاص بسائل التبريد أحادي الطور نقطة غليان عالية نسبيًا. بعد أن يمتص سائل التبريد الحرارة، لن يكون هناك أي تغيير في الطور وسيظل دائمًا في حالة سائلة. يقوم بتدوير سائل التبريد من خلال الحمل الحراري الطبيعي أو المضخة. تستفيد عملية تبديد الحرارة الدورانية المدفوعة بالحمل الحراري الطبيعي من خاصية انخفاض كثافة تمدد حجم السائل بعد تسخينه. يطفو سائل التبريد الأكثر سخونة بشكل طبيعي إلى الأعلى ويتم تبريده بواسطة مبادل حراري متصل بدائرة تبريد خارجية. يغرق السائل المبرد بشكل طبيعي تحت تأثير الجاذبية لإكمال الدورة الدموية وتبديد الحرارة.

بالمقارنة مع الحمل الحراري الطبيعي، فإن استخدام مضخة لدفع سائل التبريد المنتشر يمكن أن يحسن قدرة التبريد بشكل أكثر فعالية. يسمى الجهاز الذي يتكون من مضخة ومبادل حراري وجهاز استشعار وفلتر بوحدة توزيع سائل التبريد (CDU، وحدة توزيع سائل التبريد). يمكن التحكم في درجة الحرارة ومعدل تدفق سائل التبريد بشكل أكثر دقة باستخدام وحدة CDU. يتم ضخ سائل التبريد من خلال عنصر التسخين، مما يؤدي إلى إزالة الحرارة. يدخل المبرد الساخن إلى المبادل الحراري ليتم تبريده تحت محرك المضخة، ثم يستمر في الدوران تحت تأثير المضخة. يستخدم المبادل الحراري بشكل عام الماء كوسيط تبريد، ويتم تفريغ الحرارة أخيرًا من خلال نظام مياه التبريد الدائري.

يظهر الشكل مبدأ العمل للتبريد السائل بالغمر أحادي الطور.

تنعكس مزايا التبريد السائل بالغمر أحادي الطور في جانبين. الأول هو أن المبرد أرخص وأرخص في النشر. والآخر هو أن المبرد لا يوجد لديه تغيير في الطور. ليست هناك حاجة للقلق بشأن المخاطر الصحية الناجمة عن تدفق تبخر سائل التبريد أو استنشاق الأفراد، وهو أكثر ملاءمة للصيانة.

في التبريد السائل الغمر على مرحلتين، يخضع سائل التبريد بشكل مستمر لعملية تغيير الطور من السائل إلى الغاز ثم يعود إلى السائل أثناء عملية التدوير وتبديد الحرارة. يتم غمر معدات تكنولوجيا المعلومات بالكامل في خزان محكم مملوء بسائل تبريد منخفض الغليان، والذي يمتص الحرارة المنبعثة من المعدات. بعد أن يمتص المبرد الحرارة، ترتفع درجة الحرارة وتبدأ في الغليان بعد الوصول إلى درجة الغليان. من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، يتم إنتاج كمية كبيرة من البخار في نفس الوقت. يرتفع البخار من السائل ويتسرب فوق سطح السائل، مكونًا منطقة الطور الغازي في الخزان المبرد بالسائل. يتلامس بخار سائل التبريد الموجود في منطقة الطور الغازي مع المكثف المبرد بالماء، ويتم امتصاص الحرارة بواسطة المكثف. يتكثف سائل التبريد ليتحول إلى سائل يعود إلى الحاوية على شكل قطرات لإعادة تدويرها. يتم استنفاد مياه التبريد الساخنة في المكثف من خلال نظام مياه التبريد المتداول.

يظهر مبدأ العمل للتبريد السائل بالغمر على مرحلتين في الشكل 3.

لا ينبغي أن يتمتع المبرد المستخدم للتبريد السائل بالغمر على مرحلتين بخصائص فيزيائية حرارية جيدة وثبات كيميائي وحراري وعدم تآكل فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى نقطة غليان مناسبة ونطاق غليان ضيق نسبيًا وحرارة تبخر كامنة عالية. تمت تجربة السيليكات والمواد العطرية والسيليكونات والمركبات الأليفاتية والفلوروكربونات في التبريد السائل بالغمر على مرحلتين. من بينها، تتمتع مركبات الفلوروكربون بأفضل أداء شامل، لذلك يتم استخدامها بشكل أكثر شيوعًا.

إن سائل التبريد المغمور على مرحلتين يستفيد بشكل كامل من الحرارة الكامنة لتبخر سائل التبريد، والتي يمكن أن تلبي المتطلبات القصوى لعناصر التسخين عالية الطاقة لتبديد الحرارة. فهو يحافظ على تشغيل معدات تكنولوجيا المعلومات بكامل طاقتها. ومع ذلك، فإن وجود تغير الطور يجعل نظام التبريد السائل المغمور على مرحلتين يجب أن يظل محكم الإغلاق لمنع البخار من الهروب. علاوة على ذلك ، يجب مراعاة التغير في ضغط الهواء الناتج عن عملية تغيير الطور والمخاطر الصحية لاستنشاق موظفي الصيانة للغاز أثناء صيانة النظام.

في هذه المرحلة، لا يزال هناك العديد من العقبات والتحديات في عملية تعزيز مراكز البيانات لتبني تقنية التبريد السائل المغمور بسرعة. يتضمن ذلك قيود سيناريو التطبيق ودعم موردي المعدات وتكاليف النشر والتحديث.

إن ما إذا كان من الممكن حل المشكلات المذكورة أعلاه وبأي طريقة سيكون هو المفتاح لتحديد النشر السريع والواسع النطاق لتكنولوجيا التبريد السائل الغاطس في المستقبل.