il76

Иммерсионное охлаждение и его применение

Определение

Иммерсионным охлаждением (Immersive Система) называют процесс отвода тепла от работающего оборудования путем его погружения в контейнер с иммерсионной жидкостью(или, как  её называют различных источниках “хладоагент“).

Иммерсионная жидкость – это техническая жидкость, имеющая определенную формулу (у многих производителей они запатентованы), имеющая такие уникальные свойства как: 

  • Негорючесть, низкую токсичность, инертность, высочайшие диэлектрические свойства.

Таким образом, данная жидкость не вступает в химическую реакцию практически ни с чем и является абсолютным диэлектриком, что позволяет использовать ее в контакте с любым электронным оборудованием без последствий для него.

ВАЖНО! Применение данной жидкости абсолютно безопасно для любого оборудования, а также для людей работающих с ней.

Свойства жидкости(хладоагента) на примере:

Хладоагент BiXBiT(но только не трансформаторное масло, как многие делают обзоры)

Содержание иммерсионной жидкости не содержит воды и парафина, селективных растворителей и механических примесей. Он совместим с изолируя материалами, электронными блоками и имеет совершенное содержание для системы охлаждения погружения. Такой подход предотвращает износ оборудования и сохраняет его первоначальный вид.

  • Объем жидкости: 20л.($65.87) , 200л.,1000л.
  • Технические требования:
  1. Диэлектричество
  2. Температура вспышки в открытом тигле – 228°C
  3. Кинематическая вязкость при 40 ° C, мм2 /с –10,77
  4. Плотность при 15 ° C, кг/м³ – 835,5
  5. Напряжение пробоя, кВт – 59,1 кВт
  6. Низкомолекулярное содержание MG KOH / g – 0,002
  7. Тангенс угла потери на 90°C – 0,01%
  8. Точка замерзания – -20°С
  9. Срок хранения – 3 года

 Применение и принцип действия

На примере ЦОД:

Для охлаждения стоек оборудования в дата-центрах (ЦОД), в системах пожаротушения опасных и ценных объектов (архивы, дата-центры и т.д.), где последствия пожаров наносят часто гораздо больше вреда, чем сам пожар.

Традиционно при строительстве нового дата-центра около 35% капитальных затрат расходуется на охлаждающее оборудование, а впоследствии на него приходится еще 50% эксплуатационных расходов. Количество данных, которые необходимо хранить растет в геометрической прогрессии, стимулируют спрос на более и более крупные центры обработки данных (ЦОД), наряду со значительными инвестициями, понятно, что необходимо искать все более экономичные и эффективные технологии охлаждения.

Многочисленные исследования доказывают, что процесс жидкостного охлаждения имеет очень высокий коэффициент эффективности использования энергии (Power Usage Effectiveness; PUE) это позволяет добиться феноменальных показателей с точки зрения эффективности и экономичности данной технологии.

Применение данных жидкостей в промышленных масштабах началось много лет назад и по сей день имеет очень широкий спектр.

Альтернативные системы охлаждения на основе жидкостей:

Основываясь на принципе погружения в жидкость, система Iceotope от компании 2bm покрывает электронику непроводящей охлаждающей жидкостью, тепло от которой транслируется к радиатору. Вода проходит через стойку и может быть повторно использована для других целей, например в центральном отоплении. По данным 2bm, эта система позволяет сэкономить до 40% от общей стоимости обслуживания ЦОДа.

Система охлаждения Petagen от Iceotope.

Проектирование и построение центра обработки данных 2bm объявило о своем выборе технологии жидкостного охлаждения Iceotope для будущих энергоэффективных центров обработки данных.

Основываясь на принципе погружения в жидкость – система Iceotope покрывает электронику, лопасти процессора с корпусом, заполненным диэлектрической (непроводящей) жидкостью(охлаждающей жидкостью   Solvay Galden. Это создает автономную среду, в которой тепло выделяется оборудованием  в охлаждающую жидкость(хладагент) и передается на водяные каналы, которые соединяются с охлаждающей пластиной. Вода циркулирует через стойку и может собираться и повторно использоваться для других целей, таких как центральное отопление.

Система Iceotope  выделяет тепло намного быстрее, чем вода, и на порядок быстрее воздуха и центры обработки данных, оснащенные этой бесшумной технологией, сэкономит до 40 процентов общей стоимости потребления центром обработки данных(ЦОД).

  • Основатель и технологический директор Iceotope Питер Хоптон заявил, что «потребность в гибкости и масштабируемости имеет решающее значение для работы в современной цифровой экономике, и мы считаем, что жидкое охлаждение – единственный способ сделать это».

Компании, занимающиеся построением центров обработки данных, уже давно не хотят адаптировать свое ИТ-оборудование к жидкостному охлаждению, опасаясь, что тренд не будет улавливать; но теперь жидкое охлаждение приносит новые перспективы для центров обработки данных, что позволяет использовать технологии граничных вычислений и модульные центры обработки данных в дополнение к эффективно построенным центрам обработки данных.

Подробней по теме: В  своем мнении, опубликованном в DCD в начале этого месяца,

Основатель Sorell Engineering Вали заявил, что «жидкостное охлаждение на уровне процессора – это волна будущего, и он преобразит индустрию центров обработки данных в ближайшие 5 лет». 

Сегодня существует множество технологий жидкостного охлаждения:

Минимум с жидкостью

  •  Одним из примеров такого охлаждения жидкости является погружное охлаждение, которое требует полного погружения ИТ-оборудования в жидкость. Эта жидкость, по очевидным причинам, не может быть водой, так как вода обладает электропроводностью. 

Выбранная жидкость должна быть непроводящей (или диэлектрической).  Существует два типа диэлектрических жидкостей; некоторые из них подходят для однофазного погружения (т.е. повышения температуры в жидкость), другие используют изменение фазы (т.е. испарительное охлаждение).

  • Другой тип жидкостного охлаждения использует воду, но вода никогда не касается электрических компонентов.

aquila image 4

Система холодных пластин входит в контакт с компонентами– Clustered Systems.

Другой тип жидкостного охлаждения использует воду, но вода никогда не касается электрических компонентов.  Скорее, теплообменник (или холодная плита) создает барьер между компонентом IT-оборудования и водой, а охлажденная вода циркулирует по холодной плите. Холодные пластины обычно располагаются на микропроцессорах, а иногда и на запоминающих устройствах. Вода охлаждает эти компоненты, а оставшаяся часть сервера, такая как блок питания, дисководы и т. д., охлаждается воздушным охлаждением. Эти типы устройств с жидкостным охлаждением часто называются «гибридными» системами из-за комбинации устройств для обеспечения как воздушного, так и водяного охлаждения.

Таким образом, благодаря наличию этих технологий жидкостного охлаждения и многочисленным успешным демонстрационным проектам, почему конечные пользователи не спешат покупать эти устройства сегодня?:

  • Причина может быть в большей степени связана с экономикой отрасли, чем с жизнеспособностью технологии. 
  • «Экономика отрасли» в этом контексте не относится к стоимости технологии жидкостного охлаждения, хотя может возникнуть первая проблема с издержками. Большая проблема связана с инвестициями, которые промышленность сделала на сегодняшний день в ИТ-оборудовании с воздушным охлаждением и связанной с ним инфраструктуре охлаждения. 
  • Промышленность не может позволить себе отказаться от этих инвестиций, если технологии с воздушным охлаждением не достигнут максимального потенциала для удаления тепла. 

Как выяснилось иммерсионное охлаждение более энергоэффективно и является передовой технологией для такого рода задач.

Как далеко может работать технология с воздушным охлаждением?

Не так давно владельцы и дизайнеры чувствовали, что шкафы, приближающиеся к нагрузке 20-30 кВт, приближаются к естественным пределам устройств с воздушным охлаждением. С другой стороны, демонстрационные проекты показали шкафы мощностью от 40 до 50 кВт.

  • Производители процессоров и внутренних компонентов, по существу, продлевают срок службы IT-устройств с воздушным охлаждением, проектируя для более теплых температур и более высокого потока воздуха delta T на устройствах.
  • В то время как типичные дельты T на серверах составляли от 20 до 30 ºF несколько лет назад, производители IT-оборудования теперь говорят, что 40-45 ºF или более достижимы. В сочетании с лучшими практиками в центре обработки данных, такими как использование защитной оболочки, может быть обеспечено большее охлаждение с тем же потоком воздуха. Эти дополнительные успехи перекачали новую жизнь в технологии, которые ранее считались приближающимися к тупику.

Возможно, этот естественный конец линии будет достигнут в ближайшем будущем, но оставаться в курсе нынешних технологий, одновременно делая дополнительные улучшения в воздушном охлаждении, является наиболее экономически эффективным использованием текущих инвестиций в отрасль.

  • В какой-то момент устройства с воздушным охлаждением достигнут пределов их потенциала, и изготовителям устройств необходимо будет отрегулировать их конструкции для обеспечения жидкостного охлаждения. Эти изменения потребуют устранения плавников над основными процессорами, устранения вентиляторов сервера и устранения всех движущихся частей. 
  • Они также могут потребовать изменения форм-фактора, возможно, изменения некоторых конфигураций, чтобы позволить устанавливать доски вертикально, а не горизонтально (хотя блейд-серверы уже установлены таким образом). 
  • Другие модификации, которые не могут быть предусмотрены в это время, также могут потребоваться, но нет никаких сомнений в том, что изменение дизайна будет дорогостоящим для отрасли, поскольку оно потребует значительных изменений в существующих продуктовых линиях.

Как произойдет переход?

  • Возможно, есть переходная технология, которая облегчит индустрию в этом изменении, которое должно прийти; если есть, то переходная технология может быть гибридными кулерами, отмеченными ранее. 
  • Гибридные кулеры могут быть более эффективными, чем современные устройства с воздушным охлаждением, но они имеют тот недостаток, что для центров обработки данных(ЦОД), поддерживающих гибридные системы, требуются две охлаждающие установки или по крайней мере два охлаждающих контура: Один для охлаждения воды, который проходит через холодные пластины на IT-устройства и независимый, который охлаждает все другие воздушно-охлаждаемые нагрузки в здании.

Обеспечение двух контуров (или петель) действительно дорого и может иметь плохую отдачу от инвестиций. Тем не менее, лучшие достижения, которые могут быть достигнуты в отрасли, будут иметь место, когда существующие центры обработки данных с воздушным охлаждением достигнут своего физического предела для охлаждения, и единственный вариант для добавления большей емкости связан с обновлением ИТ с воздушным охлаждением в центре обработки данных до IT-оборудование с водяным охлаждением. 

  • Даже если это изменение связано с добавлением установок для подачи охлаждающей воды в новое оборудование с водяным охлаждением, добавление этой инфраструктуры еще более благоприятно, чем создание новых центров обработки данных с нуля.

Поскольку эти модификации становятся обычным явлением, отрасль увидит более четкий путь к более чистым, более передовым технологиям погружного охлаждения. 

Это изменение должно произойти в ближайшие пять лет, это резко изменит отрасль, и через десять лет мы вернемся назад.

В 2014 году ресурс Data Center Knowledge также представил отчет об оптимизации процесса охлаждения дата-центра Агентства национальной безопасности США посредством погружения серверов в нефтяные масла. Этот подход также позволил отказаться от охлаждения с помощью вентиляторов.

Сравнение жидкостного и воздушного охлаждения

Для наглядности преимуществ и недостатков можно сравнивать жидкостное   и воздушное охлаждение – классическая система вентиляции и кондиционирования. В данном случае все преимущества, о которых мы уже рассказали и являются по сути преимуществами в сравнении с воздушным охлаждением.

В целом конечно воздушное охлаждение вполне хорошо выполняет свою функцию, и требует не менее серьезных и качественных расчетов. С его помощью можно обеспечить также абсолютно бесперебойную и надежную работу оборудования круглый год, хотя как известно летом охлаждение майнинг ферм осуществляется более трудным путем, нежели в зимний период года.

Из недостатков иммерсионного охлаждения, можно отметить:

  • Высокая сложность расчетов
  • Малое количество компетентных специалистов на рынке
  • Труднодоступность необходимой жидкости
  • Высокая цена

Тем не менее, при грамотном проектировании, стоимость данной системы будет сопоставима со стоимостью системы воздушного охлаждения, а если учесть еще все преимущества, о которых мы писали выше, то окупаемость данного решения не заставит себя ждать.

На примере иммерсионного жидкостного охлаждения для майнинг ферм:

Принцип достаточно простой для понимания. Поскольку охлаждающая жидкость абсолютно инертна, нетоксична и является диэлектриком, мы без каких-либо опасений погружаем работающую ферму, будь то ASIC (асик) Antminer S9 или блок из видеокарт в контейнер жидкостью. Оборудование работает и выделяет тепло, которое нагревает жидкость. Теплоемкость жидкости в 4000 раз выше теплоемкости воздуха, что позволяет отводить тепло гораздо меньшим объемом теплоносителя.

В данном случае основная задача сводится к тому, чтобы качественно отводить тепло от самой жидкости и поддерживать температуру такой, чтобы температура на чипах майнеров не превышала допустимую и позволяла работать на максимальной производительности без перебоев.

Таким образом, жидкостное охлаждение подходит для абсолютно любых майнеров – асиков (Antminer S9, L3+, D3 и др.) и видеокарт NVIDIA Geforce 1070 GTX, 1060 GTX, AMD Radeon RX 470, 480 ,580 и т.д.)

  • Благодаря высокому уровню иммерсионной термической устойчивости и теплопроводности такой подход повышает производительность оборудования на 20-40% в зависимости от поставленных задач;

Immersive Система охлаждения позволяет сохранить над 3700 kW \ h используя 1000 GPU с расходом энергии охладителей 6W.

  • В случае использования 200 ASICs, например, с расходом энергии охладителей 70W сбережения будут на 10000 kW \ h в месяц.
  • Все компоненты оборудования охлажены равномерно, там никакие перегретые части;
  • Теплопроводность жидкости теплоносителя в 4,5 раза выше теплопроводности воздуха;
  • Объем теплоносителя на кг в 1000-1500 раз меньше необходимого объема воздуха;
  • Иммерсионное охлаждение предотвращает накопление пыли, что может привести к перегреву оборудования. Также, пыль прональна для того чтобы аккумулировать статическое электричество, которое в конечном счете может вести к отказу оборудования. Сверх того, никакая потребность в приборах чистки, которая исключает время простоя;
  • Никакой проблемы с  шумом при погружном охлаждении;
  • Жидкость (ХЛАДОАГЕНТ) не влияет на компоненты оборудования и значительно уменьшает риски отказа оборудования;
  • Иммерсионное охлаждение устраняет такие расходные материалы, как фильтры и охладители (ХЛАДОАГЕНТ) нетоксичен, экологический и безопасен для людей и животных;

Способы использования тепла от ферм

Как известно, большая часть потребляемой энергии в процессе работы оборудования переходит в тепловую энергии. При больших мощностях майнинг ферм разумеется сразу появляется желание как-то использовать тепло, которое они производят. Мы приведем примеры нескольких способов, которые можно применить как в бытовом, так и в промышленном масштабе. Каждый интересующийся возможно найдет для себя какую-то идею.

  • Подогрев какого-либо водоема – рыбхозяйство, бассейн и т.д.
    В данном случае, мы передаем тепло от внутреннего контура охлаждающей жидкости во внешний контур через водяной теплообменик, что позволяет нам получить теплую или горячую воду на выходе из него.
  • Обогрев воздуха в помещении – офис, цех, частный дом, теплица и т.д.
    В данном случае мы охлаждаем внутренний контур жидкости через теплообменник вода-воздух и используем горячий/теплый воздух для наших целей
  • Теплые полы в доме
    По сути как и в первом примере, мы используем теплообменник вода-вода и это позволяет нам использовать горячую воду для подогрева полов.

Разумеется все способы утилизации тепла необходимо индивидуально рассчитывать и продумывать саму схему работы. Трудно найти какое-то универсальное решение. 

Заключение

Для решения подобных задач, применяются промышленные установки жидкостного охлаждения. Ознакомиться с подбробным описанием и принципом работы данных систем вы можете подробней ознакомиться на:  “Установки иммерсионного охлаждения майнинг ферм“. 

В заключение следует добавить, что жидкостное охлаждение это «мэйнстрим» в сфере IT технологий и энергоэффективности.

Видеоматериал по теме: