Προσφέρει η ψύξη εμβάπτισης μία οδό για βιώσιμο κέντρο δεδομένων;

Καθώς οι τεχνολογίες τεχνητής νοημοσύνης και μηχανομάθησης ωριμάζουν και η όρεξή μας για όλο και περισσότερα δεδομένα και επεξεργαστική ισχύ συνεχίζει να αυξάνεται, η ζήτηση για υπολογιστές υψηλής απόδοσης (HPC), επεξεργαστική ισχύ και αποθηκευτικό χώρο πολλαπλασιάζεται. 

Αυτό με τη σειρά του ασκεί αυξανόμενη πίεση στη δυναμικότητα των κέντρων δεδομένων. Η McKinsey¹ αναφέρει ότι όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας, η ζήτηση των αμερικανικών κέντρων δεδομένων θα αυξηθεί από 17 GW το 2022 σε 35 GW το 2030. 

Το δίλημμα είναι ότι, ενάντια σε αυτή την αυξανόμενη ζήτηση για δυναμικότητα, τα κέντρα δεδομένων πρέπει επίσης να εκπληρώσουν τις υποχρεώσεις τους όσον αφορά τη βιωσιμότητα και το μηδενικό ισοζύγιο.

Ενώ οι τεχνολόγοι υπολογιστών συνεχίζουν να βρίσκουν νέους τρόπους για να αυξάνουν την πυκνότητα ισχύος, τοποθετώντας περισσότερη επεξεργαστική ισχύ και αποθηκευτικό χώρο σε όλο και μικρότερους χώρους, αυτό μπορεί να μην είναι αρκετό μεσοπρόθεσμα για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα. Ένα άρθρο του MIT Technology Review² του 2020 προειδοποιεί ότι δεν μπορούμε πλέον να βασιζόμαστε στο νόμο του Moore για να συνεχίσουμε να τοποθετούμε περισσότερη υπολογιστική ισχύ σε κάθε δισκίο πυριτίου και ότι δεν υπάρχει καμία προφανής βραχυπρόθεσμη τεχνολογία αντικατάστασης εκτός από την αύξηση της πυκνότητας στις καμπίνες διακομιστών. 

Στο πλαίσιο αυτό, η μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των υφιστάμενων υποδομών των κέντρων δεδομένων αποτελεί βασικό στόχο. Η ψύξη είναι ο μεγαλύτερος καταναλωτής ενέργειας και χώρου στο κέντρο δεδομένων μετά τους διακομιστές και τον εξοπλισμό πληροφορικής, οπότε η καινοτομία στην τεχνολογία ψύξης έχει καθοριστικό ρόλο στην επίλυση του διλήμματος του κέντρου δεδομένων. 

Αυτό το ιστολόγιο εξετάζει την ψύξη εμβάπτισης ως μια τέτοια τεχνολογία, σταθμίζει τα οφέλη και τις προκλήσεις της και εξετάζει κατά πόσον η προσπάθεια για βιωσιμότητα των κέντρων δεδομένων θα είναι αρκετή για να την οδηγήσει από εξειδικευμένη λύση στη γενικευμένη υιοθέτηση.

Η ψύξη εμβάπτισης λειτουργεί με την τοποθέτηση του εξοπλισμού πληροφορικής σε ένα υγρό μέσο, το οποίο είναι καλός αγωγός της θερμότητας αλλά κακός αγωγός του ηλεκτρισμού, ως μέσο απαγωγής της θερμότητας.

Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις στην ψύξη εμβάπτισης: 

Στην ψύξης εμβάπτισης μιας φάσης, η δεξαμενή συνδέεται με μια μονάδα διανομής ψύξης (CDU) που ψύχει και ανακυκλοφορεί το υγρό, το οποίο παραμένει πάντα σε υγρή κατάσταση. 

Η ψύξη εμβάπτισης δύο φάσεων λειτουργεί με εξάτμιση και συμπύκνωση του ψυκτικού υγρού, χρησιμοποιώντας έναν εναλλάκτη θερμότητας, π.χ. ένα πηνίο συμπυκνωτή. 

Όπως επισημαίνει ένα ιστολόγιο του 2019 για το Data Center Dynamics³ η ψύξη εμβάπτισης δεν είναι κάτι καινούργιο, καθώς χρησιμοποιείται για την ψύξη μετασχηματιστών υψηλής τάσης για περισσότερα από εκατό χρόνια και σε συστήματα υπολογιστών από τη δεκαετία του 1960. Το ενδιαφέρον για την ψύξη με υγρό, και ειδικότερα για την ψύξη εμβάπτισης, έχει αναζωπυρωθεί πρόσφατα λόγω της δυνατότητάς της να μειώσει δραστικά την ισχύ και το μέγεθος των συστημάτων ψύξης πληροφορικής, εκτός από την αυξημένη απόδοση ψύξης που έχει σε σύγκριση με την αερόψυξη, ιδίως σε καμπίνες διακομιστών με υψηλότερες πυκνότητες.

Η ψύξη εμβάπτισης στο σύγχρονο πλαίσιο είναι μια αναδυόμενη τεχνολογία. 

Το Open Compute Project δημοσίευσε τις απαιτήσεις της ψύξης εμβάπτισης⁴ μόλις το 2022, οπότε πρέπει να γίνει αρκετή δουλειά ακόμα για να μετατραπεί σε επικρατούσα τάση. 

Ως ειδικός στην τεχνολογία υλικών, η Henkel ενδιαφέρεται ιδιαίτερα για τα υλικά θερμικής διεπαφής που χρησιμοποιούνται στην ψύξη εμβάπτισης. 

Όπως συμβαίνει με τα περισσότερα μέσα απαγωγής θερμότητας, η αποτελεσματικότητα της ψύξης εμβάπτισης εξαρτάται από το πόσο αποτελεσματικά μεταφέρεται η θερμότητα από την πηγή στο ψυκτικό μέσο, και τα υλικά θερμικής διεπαφής παίζουν καθοριστικό ρόλο σε αυτό. 

Η ψύξη εμβάπτισης δημιουργεί τις δικές της προκλήσεις, για παράδειγμα, οι παραδοσιακές λύσεις γράσων θερμικής διεπαφής είναι πιθανό να είναι διαλυτές στο ψυκτικό υγρό. 

Η Henkel ασχολείται και αναζητά λύσεις για τις επιπτώσεις της ψύξης εμβάπτισης για τα υλικά θερμικής διεπαφής.

Η ψύξη εμβάπτισης προσφέρει πλεονεκτήματα έναντι άλλων μεθόδων ψύξης τα οποία την καθιστούν ελκυστική για τους παρόχους κέντρων δεδομένων που επιθυμούν να μειώσουν το κόστος, να αυξήσουν τη δυναμικότητα και να ελαχιστοποιήσουν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις

Διαθέτει εγγενώς μεγαλύτερη απόδοση ισχύος σε σχέση με την αερόψυξη και έχει το επιπλέον πλεονέκτημα ότι παρέχει άμεση ψύξη σε ολόκληρο τον διακομιστή ή όποιο άλλο στοιχείο πληροφορικής έχει εμβαπτιστεί. 

Απαιτεί λιγότερα κινούμενα μέρη και ηλεκτρικά εξαρτήματα από άλλες μεθόδους.

Συνδυαστικά, αυτά τα χαρακτηριστικά προσφέρουν μια σειρά από οφέλη κόστους και βιωσιμότητας:

• Πολύ χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας για το ίδιο επίπεδο ψύξης 
• Μεγαλύτερη αξιοπιστία των εξαρτημάτων χάρη στη σταθερή, συνεπή ψύξη ολόκληρου του αντικειμένου
• Χαμηλότερο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας και λειτουργικό κόστος
• Χαμηλότερα κόστη συντήρησης 
• Λιγότερος θόρυβος

Ένα άρθρο του 2022 από το Science Direct⁵ αναλύει ορισμένα από αυτά τα πλεονεκτήματα. Η ψύξη εμβάπτισης παραμένει προς το παρόν μια εξειδικευμένη τεχνολογία, καθώς υπάρχουν επίσης σημαντικά εμπόδια για την υιοθέτηση της, όπως: 

• Υψηλό κόστος κεφαλαίου για την απαιτούμενη υποδομή 
• Προκλήσεις μετασκευής σε παλαιά κέντρα δεδομένων
• Πιθανή ανάγκη επανασχεδιασμού των διατάξεων των κέντρων δεδομένων 
• Έλλειψη στο ψυκτικό υγρό & τις δεξιότητες που απαιτούνται για την εγκατάσταση και τη συντήρηση του εξοπλισμού
• Το υγρό που απαιτείται σήμερα για την ψύξη δύο φάσεων είναι επιβλαβές και όχι φιλικό προς το περιβάλλον

Παρόλο που αυτές είναι σημαντικές προκλήσεις για την καθιέρωση της ψύξης εμβάπτισης, δεν υπάρχει επί του παρόντος καμία προφανής εναλλακτική λύση που να φαίνεται ότι θα μπορούσε να προσφέρει τη σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας που χρειάζονται τα κέντρα δεδομένων. 

Η ψύξη εμβάπτισης είναι ήδη μια βασική τεχνολογία για την ανάπτυξη βιωσιμότητας στην εξόρυξη κρυπτονομισμάτων και σε αναξιοποίητα πεδία. Πέρα από τη συνολική κατανάλωση ενέργειας στα κέντρα δεδομένων, υπάρχουν συγκεκριμένοι παράγοντες που οδηγούν στην επιταχυνόμενη μετάβαση σε συστήματα ψύξης με εμβάπτιση σε υγρό.

Υψηλότερες πυκνότητες ισχύος στις καμπίνες - Τα φορτία εργασίας για παραγωγική τεχνητή νοημοσύνη, ML & HPC αυξάνουν τις ανάγκες για υπολογιστικές επιδόσεις δεδομένων. Αυτό με τη σειρά του δημιουργεί απαιτήσεις για υψηλότερες πυκνότητες ισχύος στις καμπίνες. Καθώς αυξάνεται η πυκνότητα ισχύος της καμπίνας, ολοένα και δυσκολεύει η αποτελεσματική ψύξη με μεθόδους αερόψυξης. Οι μέθοδοι που βασίζονται σε υγρά, και κυρίως η ψύξη εμβάπτισης, μπορεί να αποτελέσουν τη μόνη βιώσιμη λύση.

Υπολογιστική παρυφών - Η υπολογιστική παρυφών (edge computing) παρέχει περισσότερη επεξεργαστική ισχύ και ταχύτητα σε έναν αυξανόμενο αριθμό τελικών σημείων που αναπτύσσονται σε μεγάλη γεωγραφική έκταση, τοποθετώντας τη δυναμικότητα αυτή πιο κοντά στο σημείο κατανάλωσης. Πρόκειται για μια αγορά που προβλέπεται να διπλασιαστεί σε μέγεθος μεταξύ 2023 και 2028⁶.

Η ψύξη εμβάπτισης θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το αποτύπωμα χώρου που απαιτείται για ένα κέντρο δεδομένων και να προσφέρει πιο αθόρυβα κέντρα δεδομένων με λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Όλα αυτά αποτελούν βασικά κριτήρια για την παροχή των μικρών, τοπικών κέντρων δεδομένων που απαιτεί η υπολογιστική παρυφών.

Βιώσιμα, πιο πράσινα κέντρα δεδομένων - Οι τεχνολογίες ψύξης εμβάπτισης έχουν τη δυνατότητα να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στον τομέα των κέντρων δεδομένων για την επίτευξη του στόχου μηδενικού ισοζυγίου για το 2030, βελτιώνοντας παράλληλα την αποτελεσματικότητα της χρήσης νερού και μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας.

Θα ήθελα πολύ να ακούσω και άλλες σκέψεις για την ψύξη εμβάπτισης - επικοινωνήστε μαζί μου στο LinkedIn, όπου θα χαρώ να συνεχίσουμε τη συζήτηση.