Το κέντρο δεδομένων σας είναι κάτω από το νερό και πιο ζεστό από ποτέ

Όποιος έχει βουτήξει σε κρύα πισίνα μια ζεστή μέρα καταλαβαίνει την αποτελεσματικότητα της ψύξης με υγρό. Αυτό σίγουρα δεν είναι κάτι καινούριο.  Τα ψυγεία των αυτοκινήτων, ένα από τα πρώτα παραδείγματα ψύξης με υγρό στη βιομηχανία, υπάρχουν εδώ και σχεδόν 125 χρόνια.  Η χρήση ψύξης με υγρό - μεταξύ άλλων μεθόδων μείωσης της θερμοκρασίας - δεν είναι μια νέα ιδέα ούτε για το κέντρο δεδομένων, όπου η ανεξέλεγκτη θερμότητα από τους διακομιστές, τους επεξεργαστές υψηλής ισχύος και μια πληθώρα ηλεκτρονικών συσκευών μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα.  Ενώ οι εφαρμογές ψύξης με υγρό στα κέντρα δεδομένων έχουν κάπως περιοριστεί σε συγκεκριμένα συστήματα υψηλής θερμότητας, οι φόρτοι εργασίας με υψηλό όγκο υπολογισμών και δεδομένων στις νέες διαμορφώσεις διακομιστών συνεχίζουν να αυξάνουν τις θερμοκρασίες, γεγονός που αυξάνει το ενδιαφέρον για ευρύτερα εφαρμοσμένες προσεγγίσεις διαχείρισης θερμότητας με υγρό. 

Ο φυσικός σχεδιασμός του κέντρου δεδομένων δίνει προτεραιότητα στη μείωση της θερμότητας, επειδή, όταν πρόκειται για ηλεκτρονικά συστήματα, η υψηλή θερμοκρασία είναι δολοφόνος της απόδοσης αλλά και πιθανός καταστροφέας του συστήματος.  Ενώ το απόλυτο όριο περιβαλλοντικής θερμοκρασίας του κέντρου δεδομένων είναι 82 °F, σύμφωνα με ορισμένες συστάσεις της βιομηχανίας, το ιδανικό εύρος θερμοκρασίας θα πρέπει να κυμαίνεται κάπου μεταξύ 73 ° - 75 °F. [1] Όπως μπορείτε να φανταστείτε, αυτό συνεπάγεται μεγάλο λογαριασμό για τον κλιματισμό, για να μην αναφέρουμε τη σημαντική επιβάρυνση του ηλεκτρικού δικτύου.  Η διασφάλιση του ελέγχου της θερμοκρασίας των συστημάτων διακομιστών (και άλλων ηλεκτρονικών συσκευών) είναι, επομένως, ζωτικής σημασίας όχι μόνο για την αδιάλειπτη αποθήκευση και επεξεργασία των δεδομένων, αλλά και για πιο ενεργειακά αποδοτικές λειτουργίες με χαμηλότερο κόστος. 

Εκτός από την ενεργητική αερόψυξη (κλιματισμός, ανεμιστήρες κ.λπ.) και τη βελτιστοποιημένη σχεδίαση δομών, όπως τα υπερυψωμένα δάπεδα που συμβάλλουν στη μεγιστοποίηση των δυνατοτήτων ροής αέρα, η ψύξη των ηλεκτρονικών συστημάτων - ιδίως σε καμπίνες διακομιστών - από μέσα προς τα έξω είναι εξίσου ζωτικής σημασίας.  Η χρήση υλικών θερμικής διεπαφής (TIM), απαγωγέων θερμότητας και συστημάτων ψύξης με υγρό σε ηλεκτρονικούς διακομιστές υψηλής πυκνότητας είναι οι κύριες μέθοδοι για την επίτευξη μείωσης της θερμοκρασίας εντός της εφαρμογής.  Για όλες αυτές τις προσεγγίσεις, η μαζική καινοτομία βρίσκεται σε εξέλιξη, καθώς ο όγκος των δεδομένων και οι ταχύτητες που απαιτούνται από την τεχνητή νοημοσύνη, την εξόρυξη δεδομένων και την ανάλυση αυξάνουν όλο και πιο πολύ την ένταση -και τη θερμοκρασία.

Η ψύξη με υγρό στο κέντρο δεδομένων λαμβάνει πολλές μορφές - από σωλήνες ψύξης που συνδέονται με πλάκες ψύξης ή πλαίσια μεταξύ PCB/μονάδων έως συστήματα πλήρους εμβάπτισης στα οποία βυθίζονται ολόκληρες καμπίνες.  Η ιδέα είναι σχετικά απλή:  ένα υγρό ψυκτικό μέσο (νερό ή διηλεκτρικό ψυκτικό μέσο) κυκλοφορεί μέσα σε σωλήνες ή άλλο σύστημα και ψύχει τη μεταλλική διεπιφάνεια που λειτουργεί ως συσκευή συλλογής θερμότητας για τα υπολογιστικά τσιπ υψηλής απόδοσης.  Στην περίπτωση της ψύξης εμβάπτισης, τα εξαρτήματα είναι πλήρως βυθισμένα [2] σε δεξαμενές, όπου κυκλοφορεί διηλεκτρικό ψυκτικό μέσο, το οποίο δεν βλάπτει τα εξαρτήματα. για μείωση της θερμότητας λειτουργίας του συστήματος.   Ενώ οι πλάκες ψύξης για πλακέτες/καμπίνες διακομιστών και η ψύξη εμβάπτισης έχουν χρησιμοποιηθεί μόνο σε επιλεγμένες περιοχές του κέντρου δεδομένων, αυτή η μέθοδος ελέγχου της θερμοκρασίας αναμένεται να παρουσιάσει 20% CAGR από το 2022 έως το 2028 [3] καθώς ο όγκος και η ένταση των δεδομένων συνεχίζουν να αυξάνονται. 

Οι χειριστές κέντρων δεδομένων υποχρεώνονται όχι μόνο να διαχειρίζονται τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων μέσω της μείωσης της θερμότητας, αλλά και να διασφαλίζουν πιο βιώσιμα, ενεργειακά αποδοτικά εργοστάσια δεδομένων. Οι δυνατότητες της αερόψυξης έχουν και αυτές ένα όριο όταν οι πυκνότητες ισχύος είναι υψηλές.  Η ψύξη με υγρό ενισχύει την εξίσωση της μείωσης της θερμοκρασίας και το πετυχαίνει με ανακυκλούμενο (δηλ. που μειώνει τα απόβλητα) νερό ή με ψυκτικά μέσα που είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά.  Έτσι μειώνεται σημαντικά η κατανάλωση ενέργειας. Το ερώτημα είναι:  Μπορούν τα θετικά αποτελέσματα της ψύξης με υγρό να γίνουν ακόμη πιο ουσιαστικά; 

Στο παρελθόν έγιναν προσπάθειες για την περαιτέρω βελτίωση της απαγωγής θερμότητας των συστημάτων ψύξης με υγρό χρησιμοποιώντας TIM ανάμεσα στο εξάρτημα και τους μεταλλικούς σωλήνες/πλάκες/πλαίσιο ψύξης με υγρό.  Έτσι επιταχύνεται η απαγωγή θερμότητας μεταξύ των επαφών που σε διαφορετική περίπτωση θα ήταν επαφές μεταξύ μετάλλων.  Αυτή η ιδέα έχει αξία.  Δυστυχώς, τα διαθέσιμα υλικά θερμικής διεπαφής - με τη μορφή επιθεμάτων, συγκολλητικών, γέλης και υγρών - είτε δεν είναι κατάλληλα (γέλες και υγρά) για την εφαρμογή, είτε δεν μπορούν να αντέξουν την τριβή (επιθέματα και συγκολλητικά) που συχνά προκαλείται από την τοποθέτηση συνδεόμενων εξαρτημάτων στο περίβλημα ή/και από την εισαγωγή της πλακέτας PCB σε κατανεμημένες, υγρόψυκτες δομές πλακών. Τα υλικά απωθούνται ή αποκολλούνται και ουσιαστικά καθίστανται αναποτελεσματικά. 

Ωστόσο, η πρόσφατη καινοτομία TIM δείχνει δυνατότητες βελτίωσης της ψύξης με υγρό.  Με αποδεδειγμένη παροχή αξιοσημείωτης μείωσης της θερμότητας για τις συνδεόμενες οπτικές μονάδες (POM) πομποδέκτη, ένα ανθεκτικό υλικό μικροθερμικής διεπαφής (mTIM) που εφαρμόζεται σε μια εξαιρετικά λεπτή στρώση επιταχύνει την απαγωγή θερμότητας παρέχοντας μια θερμικά αγώγιμη διεπαφή, η οποία είναι ανώτερη από τη μεταφορά θερμότητας από μέταλλο σε μέταλλο. Αυτή η λύση, που χρησιμοποιείται επί του παρόντος για OSFP 400 GbE POM σε κέντρα δεδομένων, έχει επιδείξει σημαντική μείωση της θερμοκρασίας σε σχέση με μια διεπαφή μεταξύ μετάλλων. Το συλλογικό αποτέλεσμα της μείωσης της θερμότητας ανά POM (μια κάρτα γραμμής μπορεί να περιέχει έως και 32 POM) είναι ακόμη πιο σημαντικό. Αν και η διερεύνηση της απόδοσης του mTIM τόσο με σωληνώσεις όσο και με σχέδια ψύξης με εμβάπτιση σε υγρό βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο, οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά της ανθεκτικής επίστρωσης υποδηλώνουν ότι μπορεί να προσφέρει σημαντική επιτάχυνση της ψύξης για δομές ψύξης με υγρό.  Το υλικό είναι συμβατό με πολλαπλά μέταλλα, είναι εξαιρετικά λεπτό με 25 μm (+/- 5 μm) και πολύ ανθεκτικό.  

Καθώς οι καμπίνες των διακομιστών των κέντρων δεδομένων θερμαίνονται όλο και περισσότερο και ακόμη και οι πιο αποτελεσματικές λύσεις ψύξης με υγρό φτάνουν στα όριά τους, η καινοτομία στον θερμικό έλεγχο - όπως το mTIM - μπορεί να αποτελέσει μια παράμετρο που θα καταστήσει δυνατή μια ακόμη πιο βιώσιμη λειτουργία υψηλής απόδοσης.