מה זה קירור ישיר לשבב, חד פאזי ודו פאזי

בעולם מרכזי הנתונים, אחד האתגרים הגדולים ביותר – ואחת ההזדמנויות הגדולות ביותר – הוא חום. כאשר רכיבים פועלים, כל האנרגיה החשמלית שהם צורכים מומרת בסופו של דבר לחום, אשר לאחר מכן יש להסירו. באופן מסורתי, ארגונים הסתמכו על קירור אוויר, בדרך כלל באמצעות מאווררים כדי לנהל את החום הזה. למעשה, על פי מקורות, 80% ממרכזי הנתונים עדיין משתמשים בעיקר בקירור אוויר כדי להיפטר מחום מרכיבי השרת.

עם זאת, קירור אוויר אינו יעיל וגם צורך אנרגיה רב. על פי מחקר שנערך לאחרונה על ידי מקינזי, קירור אוויר יכול להוות 40% מכלל צריכת האנרגיה במרכז הנתונים – אין זה מפתיע, אם כן, ש-40% ממפעילי מרכזי הנתונים בוחנים שיטות קירור חלופיות בחיפוש אחר אפשרויות ידידותיות לסביבה וחסכוניות לתמיכה בפעילות בת קיימא של מרכזי נתונים.

ברמה הבסיסית, גישה זו הגיונית. כפי שכל מי שאי פעם העיף עפיפון יודע, אוויר יכול להיות מסובך לניהול וכיוון. קל הרבה יותר לשלוט בנוזל – כפי שכל מי שאי פעם התיזה אקדח מים (או היה בצד המקבל של אחד כזה) יודע.

עם זאת, טכניקות קירור נוזלים משתנות, במיוחד כשאנו נתקלים בעומסי שרתים שנוטים להיות עתירי אנרגיה יותר, וכתוצאה מכך, פועלים חמים יותר.

מהו קירור ישיר לשבב (DTC)?

DTC הוא הצורה הנפוצה ביותר של קירור מים והוא נמצא בשימוש מרכזי נתונים וגיימרים במשך עשרות שנים. לוח מתכת יושב על גבי המעבדים (CPU או GPU) עם חומר מוליך בין השניים – בדרך כלל חומר ממשק תרמי (TIM). לאחר מכן הלוח משתמש בנוזל בצינורות כדי להזיז את החום הרחק מהשבב, ובמנגנון פיזור כדי לפזר את החום.

מנגנון פיזור זה יכול להיות משהו פשוט כמו מאוורר יחיד, אם כי בסביבות תעשייתיות, נוטים לראות מקררים יבשים המצוידים במנגנוני קירור אידוי. מקררים יבשים הם יחידות שנמצאות מחוץ למרכז הנתונים. הם כוללים מחליפי חום דמויי רדיאטור בעלי סנפירים שדרכם נוזל מחומם מופץ. מאווררים בחלק החיצוני של היחידות שואבים אוויר קר פנימה ומעבירים אותו סביב הסנפירים, ומקררים את הנוזל. נוזל זה מוזרם לאחר מכן חזרה למערכת והתהליך חוזר על עצמו.

בחודשים חמים יותר – או במקומות חמים יותר – נעשה שימוש בקירור אידוי לצד מקררים יבשים. אוויר חם נשאב דרך רפידות רטובות, מאדה מים ומקרר את האוויר. אוויר זה משמש לאחר מכן לקירור הנוזל ממרכז הנתונים דרך המקררים היבשים.

ניתן להשתמש בשיטות פיזור אלו ברוב סוגי קירור הנוזלים. DTC ממוקד יותר מקירור אוויר, בעיקר משום שקל יותר לכוון נוזל בצינורות לרכיבים ספציפיים מאשר אוויר. עם קירור אוויר, למרות שניתן לכוון זרמי אוויר באמצעות כיוון המאוורר, DTC מאפשר לך להיות מדויק מאוד. הוא גם יעיל יותר, הודות לפיזיקה,מכיוון שנוזלים בדרך כלל בעלי מוליכות תרמית גבוהה יותר מאשר גזים.

אבל אפילו עם DTC, קירור אוויר מסוים בדרך כלל נחוץ בגלל האתגרים בהתאמת עיצובים מרובים של לוחות קור כדי להתאים לכל ציוד ה-IT שמייצר חום. כרטיסי מסך (GPU) ואכן מייצרים את רוב החום בשרתים, אך גם זיכרון RAM ודיסקים קשיחים מתחממים, ולכן לעתים קרובות משתמשים בקירור אוויר מסוים. היחס בין קירור אוויר למים הוא בדרך כלל באזור של 30%/70%.

עם זאת, עולם הקירור נמצא בתנועה מתמדת, ויש צורה נוספת של קירור שיכולה לקרר את כל הרכיבים בבת אחת.

קירור טבילה

בקירור טבילה, כל השרת טובל בנוזל. ישנם מספר יתרונות לכך: ניתן לקרר את כל הרכיבים בבת אחת, וניתן להתמודד עם עומסי חום גבוהים יותר. יתר על כן, מכיוון שכל השרת טובל בנוזל, אבק אינו יכול להיכנס למערכת, מה שמגדיל משמעותית את חיי המוצר. עם זאת, קירור טבילה מורכב הרבה יותר מקירור דו-פאזי (DTC) ותחזוקה היא תהליך מורכב יותר.

ישנן שתי צורות של קירור טבילה – חד פאזי ודו-פאזי. בקירור חד פאזי, הנוזל נשאר נוזלי לאורך כל המחזור (כלומר, הוא שומר על הפאזה שלו קבועה). בקירור דו-פאזי, הוא לא עושה זאת.

בקירור טבילה חד פאזי, נוזל קר נכנס בתחתית יחידת הטבילה כדי לקרר את השרת, בעוד שהנוזל המחומם יוצא בחלק העליון – וכמו ב-DTC, מצנן יבש משמש לקירור נוזל זה לאחר שהוא עובר דרך מחליף חום פלטות. לאחר מכן, נוזל קירור נפרד בלולאה משמש לפיזור החום.

במערכת קירור דו-פאזית, השרתים טבולים בנוזל, אך לנוזל יש נקודת רתיחה נמוכה. כאשר רכיבי השרת מתחממים, הנוזל רותח ומופנה ליחידת מעבה, שם הגז (אדים) מקורר ומתעבה מחדש לנוזל. הנוזל יכול לזרום חזרה לתוך המערכת לשימוש חוזר.

עם זאת, לא רק שנוזלי הקירור במערכות דו-פאזיות בדרך כלל יקרים יותר, אלא שהתחזוקה קשה אף יותר, בין היתר משום שהנוזל הופך לאדים, שקשה הרבה יותר לנהל מאשר הנוזל במערכת חד-פאזית.

חום פסולת

ישנו גם חלק משמעותי נוסף במשוואה: למרות שאנו יכולים להשתמש במקררים יבשים ובקירור אידוי כדי להיפטר מחום פסולת, האם אין משהו טוב יותר שאנחנו יכולים לעשות איתו?

זהו אתגר גדול עבור מרכזי נתונים, במיוחד כאלה שקיימים כבר זמן מה. מרכזי נתונים רבים נמצאים בפארקים תעשייתיים, הרחק מאזורים שבהם ניתן לעשות בקלות שימוש חוזר בחום; כולנו ראינו את הסיפורים על בריכות שחייה המחוממות באמצעות חום מרכזי נתונים, אבל זה לא תמיד מעשי. יש להעביר מים פיזית דרך צינורות למקומות אחרים,ולאחר מכן מחליפי חום המשמשים לחימום המים האחרים, מה שגורם לאובדן אנרגיה, מכיוון שאף תהליך חילופי אנרגיה אינו יעיל לחלוטין.

בנוסף, חלק ממרכזי הנתונים מתמודדים עם מגבלות המעכבות את יכולתם לעשות שימוש חוזר בחום פסולת. לדוגמה, בחלק ממרכזי הנתונים שלנו, המים המחוממים מגיעים רק לכ-45 מעלות; ניתן להניח את ידכם בבטחה על הצינור ה"חם". אבל זה גם אומר שהחום המתקבל פחות שימושי – ייקח זמן רב לחמם בריכת שחייה עם מקור חום של 45 מעלות.

עם זאת, חשוב להמשיך להתקדם. במרכזי הנתונים הגרמניים שלנו, לדוגמה, איננו משתמשים בדודי גז לחימום המשרד שלנו, במקום זאת, אנו מנצלים את החום הפסולת ממרכזי הנתונים מכיוון שהוא בקרבת מקום. כתעשייה, עלינו להמשיך לקדם את החדשנות הזו. כאשר נבנים אתרי מרכזי נתונים חדשים, ארגונים צריכים לשקול שימוש חוזר בחום כבר מההתחלה.

במהלך שני העשורים האחרונים, טכנולוגיית קירור נוזלים עשתה צעדים משמעותיים וכעת היא מסוגלת לנהל עומסי חשמל וחום גבוהים יותר ויותר הן בסביבות אישיות והן בסביבות תעשייתיות. למרות שאנו עדיין בשלבים המוקדמים של התפתחות טכנולוגיית הטבילה, היא טומנת בחובה פוטנציאל גדול לטיפול ברכיבים הפועלים בטמפרטורות גבוהות מאוד. עם זאת, כמו כל טכנולוגיה, זה לא פתרון אחד שמתאים לכולם, וכמעט בוודאות נמשיך לראות שילוב של DTC וקירור טבילה – שלא לדבר על מעט אוויר – בכל מרכזי הנתונים בשנים הבאות.

.

וכמעט בוודאות נמשיך לראות שילוב של DTC וקירור טבילה – שלא לדבר על מעט אוויר – במתחמי מרכזי נתונים בשנים הבאות.

.

וכמעט בוודאות נמשיך לראות שילוב של DTC וקירור טבילה – שלא לדבר על מעט אוויר – במתחמי מרכזי נתונים בשנים הבאות.

.