Uw datacenter staat onder water en is warmer dan ooit

Iedereen die wel eens in een koud zwembad is gesprongen op een warme dag begrijpt de effectiviteit van vloeistofkoeling. Dit is zeker geen nieuw concept.  Autoradiators, een van de eerste voorbeelden van vloeistofkoeling in de industrie, bestaan al bijna 125 jaar.  Het gebruik van vloeistofkoeling - naast andere methoden om de temperatuur te verlagen - is ook geen nieuw idee voor het datacenter, waar ongecontroleerde warmte van servers, krachtige processors en een groot aantal elektronische apparaten ernstige problemen kunnen veroorzaken.  Terwijl toepassingen voor vloeistofkoeling in datacenters relatief beperkt zijn gebleven tot specifieke systemen met hoge temperaturen, blijven computerintensieve en gegevensintensieve werklasten van nieuwe serverconfiguraties de temperaturen opdrijven, waardoor er meer interesse ontstaat voor breder toegepaste benaderingen voor thermisch management van vloeistoffen. 

Het fysieke ontwerp van het datacenter geeft prioriteit aan warmtebeperking omdat, als het gaat om elektronische systemen, een hoge temperatuur de prestaties ondermijnt en ook een potentiële systeemvernietiger is.  Hoewel de absolute limiet voor de omgevingstemperatuur van een datacenter 82 °F is, zou volgens sommige aanbevelingen uit de industrie het ideale temperatuurbereik ergens tussen 73 °F en 75 °F moeten liggen [1] U kunt zich wel voorstellen dat dit leidt tot een hogere rekening voor de airconditioning, en dan hebben we het nog niet eens over de aanzienlijke belasting voor het energienet.  Zorgen dat serversystemen (en andere elektronica) zoveel mogelijk temperatuurgeregeld zijn, is daarom niet alleen cruciaal voor de ononderbroken opslag en verwerking van gegevens, maar ook voor energie-efficiëntere, goedkopere activiteiten. 

Naast actieve luchtkoeling (airconditioning, ventilatoren, enz.) en geoptimaliseerde structuurontwerpen zoals verhoogde vloeren die de mogelijkheden voor luchtstroming helpen maximaliseren, is het koelen van elektronische systemen - met name in serverrekken - van binnenuit net zo belangrijk.  Het gebruik van thermische interfacematerialen (TIM's), koelelementen en vloeistofkoelsystemen binnen serverelektronica met hoge dichtheid zijn de primaire methoden om de toepassingstemperatuur te verlagen.  Voor al deze benaderingen geldt dat er een enorme innovatie aan de gang is, aangezien de gegevensvolumes en -snelheden die worden aangedreven door AI, datamining en analyse alleen maar intensiever - en warmer - worden.

Vloeistofkoeling in het datacenter kent vele vormen: van koelleidingen die zijn bevestigd aan koelplaten of het chassis tussen PCB's/modules tot volledige dompelkoelsystemen die hele rekken onderdompelen.  Het idee is relatief eenvoudig:  een vloeibaar koelmiddel (water of di-elektrische koelvloeistof) circuleert door leidingen of andere structuren die de metalen interface koelen die fungeert als warmteopvang voor de hoogwaardige computingchips.  Bij dompelkoeling worden de componenten volledig ondergedompeld [2] in tanks, waar di-elektrische koelvloeistof circuleert die niet schadelijk is voor de componenten om de operationele systeemwarmte te verminderen.   Terwijl koelplaten voor serverplaten/-rekken en dompelkoeling tot nu toe alleen in bepaalde gebieden van het datacenter werden gebruikt, zal deze temperatuurregelmethode naar verwachting een CAGR van 20% zien tussen 2022 en 2028 [3] naarmate het gegevensvolume en de intensiteit blijven toenemen. 

Operators van datacenters worden niet alleen gestimuleerd om de prestaties te optimaliseren door warmtereductie, maar ook om te zorgen voor duurzamere, energie-efficiëntere gegevensfabrieken. Er is maar een beperkt niveau dat luchtkoeling kan bereiken wanneer de energiedichtheid hoog is.  Vloeistofkoeling versterkt de balans van temperatuurverlaging en doet dit met gerecirculeerd (d.w.z. afvalverminderend) water of koelvloeistoffen die zeer effectief zijn.  Dit verlaagt de belasting op het energienet aanzienlijk. De vraag is:  Kunnen de positieve effecten van vloeistofkoeling nog groter worden gemaakt? 

In het verleden zijn pogingen ondernomen om de warmteafvoering van vloeistofkoelsystemen verder te verbeteren door TIM's te gebruiken tussen de component en de metalen leidingen/platen/het chassis van de vloeistofkoeling.  Dit versnelt de warmteafvoering tussen wat anders metaal-op-metaal-contacten zouden zijn.  Dit idee heeft bepaalde voordelen.  Helaas zijn de beschikbare thermische interfacematerialen - in de vorm van blokken, lijmen, gels en vloeistoffen - ofwel niet geschikt (gels en vloeistoffen) voor de toepassing of niet bestand tegen de wrijving (blokken en lijmen) die vaak veroorzaakt wordt door insteekbare componenten in de behuizing en/of de PCB die in gepartitioneerde, vloeistofgekoelde plaatstructuren wordt geplaatst. De materialen worden weggedrukt of afgeschraapt en worden in wezen ineffectief. 

Recente innovatie op het gebied van TIM toont echter potentieel als verbetering van vloeistofkoeling.  Het is bewezen dat er een opmerkelijke warmteverlaging voor inplugbare optische modules (POM's) op de zendontvanger wordt gerealiseerd met een bestendig microthermisch interfacemateriaal (mTIM), aangebracht in een ultradunne laag, dat de warmteafvoering versnelt door een thermisch geleidende interface te bieden die superieur is aan de warmteoverdracht van metaal-op-metaal. Deze oplossing wordt momenteel gebruikt voor OSFP 400 GbE POM's in datacenters en heeft aangetoond de temperatuur aanzienlijk te verlagen in vergelijking met een metaal-op-metaal-interface. Het collectieve effect van de warmtereductie per POM (één lijnkaart kan tot 32 POM's bevatten) is zelfs nog aanzienlijker. Hoewel een onderzoek naar de prestaties van mTIM's met zowel leiding- als dompelontwerpen voor vloeistofkoeling zich nog in een vroeg stadium bevindt, suggereren de eigenschappen en kenmerken van de bestendige coating dat deze een aanzienlijke versnelling van de koeling kunnen bieden voor vloeistofkoelingsstructuren.  Het materiaal is compatibel met meerdere metalen, is ultradun met 25 µm (+/- 5 µm) en zeer bestendig.  

Nu serverrekken voor datacenters warmer worden en zelfs de meest effectieve oplossingen voor vloeistofkoeling hun grenzen bereiken, kunnen innovaties op het gebied van thermische controle - zoals mTIM - een overweging zijn om een nog meer duurzame, hoogwaardige werking mogelijk te maken.