מבוא ל-Creic Cooling in High-Performance Computing

מקבץ מחשוב ביצועים גבוהים (HPC) יוצר את עמוד השדרה של גילוי מדעי מודרני, סימולציה הנדסית וניתוח נתונים גדול.מאקלים מודלים לחשיפת סמים, מערכות אלה מבצעים מיליארדי חישובים לשנייה, ומייצרות כמויות עצומות של חום כתוצר לוואי.כפי שהחוק של מור מאט את צפיפות המידע ואת מנגנוני הנשימה הטרנסיסטורים להשגת עלייה, צפיפות תרמית של CPUs, GPUs, ו-Accelerators יש יכולת קירור גבוהה יותר של מערכת ההפעלה של HP.

מה זה נוזל קירור?

קירור נוזלי מתייחס לכל שיטת ניהול תרמי המשתמשת במים נוזליים - באופן רטיאלי, נוזל דיאלקטרי או קירור - לספוג ולהסיע חום ממרכיבים המייצרים חום כגון מעבדים, מודולים זיכרון, ו הרגולטורים מתח. בניגוד לקירור אוויר, אשר מסתמכת על הדבקה בכפייה באמצעות תנורי חום מאוישים, קירור מנצל את יכולת החום העליונה והתנהלות תרמית של מגבלות נוזליות כדי להשיג גודל מסוים של אורקוסמת חום.

  • (FLT:0)Direct-to-chip (צלחת הקרסול) קירור: 1FLT:1 זרמי קירור דרך בלוקים מתכתיים הרכובים ישירות על CPUs ו- GPUs.החום מועבר באמצעות התנהגות מהשבב באמצעות חומר ממשק תרמי (TIM) ללוח הקר, ולאחר מכן נלקח על ידי נוזל מבוזר.
  • (FLT:0) קירור: בשרתים שלמים או רכיבים בודדים מוזנים בנוזל דיאלקטרי לא מוליכים (למשל, שמן מינרלים או מינרלים מהונדסים נוזלי פלואורופחמי) העברות חום ישירות מן החומרה לנוזל, אשר לאחר מכן מוחזר באמצעות החלפת חום.
  • (FLT:0) חילופי חום הדלת:FreaLT:1) זרמי Coolant דרך סלילים רכובים על גב צריפים השרתים.אוויר חם מותש מן המצרף עובר על סלילים, שבו החום מועבר לנוזל ולא להיות גורשו לתוך חדר הנתונים.זוהי גישה היברידית שעובדת עם ציוד אווירי קיים.
  • (FLT:0 Two-phase קירור: FLT:1) השתמש החום המאוחר של vaporization - רתיחה גבוהה במקור החום ו condenses במקום אחר - תוך שמירה על משככי חום גבוהים מאוד. שתי מערכות דו-פזה יכול להתמודד עם גלי חום מעל 300 W / 2 ס"מ, מה שהופך אותם אידיאלי עבור הדור הבא של צ'יפס.

יתרונות של קירור נוזלי ב HPC Clusters

קירור נוזלי מספק יתרונות עצומים על פני ביצועים, כלכלה ואמינות תפעולית.כאן אנו מפרטים את היתרונות העיקריים הנתמכות על ידי עקרונות נתונים והנדסה של העולם האמיתי.

שיפור יעילות קירור וביצועים סונטיים

מוליכות תרמית של מים היא בערך 0.6 W / mK, בהשוואה ל-0.01 W/mK עבור אוויר - גורם של יותר מ 20. פער זה אומר קירור נוזלי יכול להסיר חום הרבה יותר יעיל, ומאפשר מעבדים לשמור על מהירויות שעון גבוהות יותר למשך זמן ארוך יותר ללא הידבקות תרמית.

צריכת אנרגיה מופחתת ו- PUE נמוך יותר

חשבונות חשמל במרכז נתונים נשלטים על ידי שני צרכנים: חומרה מותאמת ותשתיות קירור.מתקנים מסורתיים אוויריים מסורתיים דורשים צמחי צמרון מסיבי, מטפל אוויר חדר מחשב (CRAH) יחידות, ומעריצי מהירות גבוהה כי יחד יכולים לקחת בחשבון עבור 30–40% מכוח המתקנים הכולל של מתקני קירור נוזלי (CDC) להפחית באופן דרמטי את התוספת הזו.

חיסכון בחלל והעלאת ההכחשה

קירור אוויר מטיל מגבלות חמורות על צפיפות הצפצפות בגלל הצורך בערוצי זרימת אוויר נאותה, המכילה חם / קר, וספיגה בין להבים. עם קירור נוזלי, חום הוסר במקור באמצעות צינורות זעירים, ומאפשר להבים לשרת להיות ערער יותר חזק, פריסות גבוהות יותר של 100 קילוואט לכל מכווץ הם עלולים עם קירור אווירי, בעוד קירור אווירי דופן פתוח יותר ל טמפרטורות גבוהות יותר.

שיפור הארוכותיות והגמישות

רכיבה על טמפרטורה - ההתרחבות החוזרת והה התכווצות של חומרים כמו טמפרטורות פלוגט - היא גורם מוביל של עייפות משותפת מכרה ו היווצרות microcrack במעבדים.קירה נוזלית שומרת על טמפרטורות צומת יציבות, לעתים קרובות משתנה על ידי פחות מ 2C תחת עומס מלא, בהשוואה ל 10 מעלות צלזיוס או יותר נדנדהים לראות עם קירור אוויר מבוסס מאוורר אגרסיבי יותר יציב להפחית את הטמפרטורות אלקטרומיכות ודיאלקטריות, בהשוואה ל טמפרטורות אלקטרו-ידי פחות מ טמפרטורות אלקטרו-קו חשמליות (180 שנים) בהשוואה לכשלים (180 שנים) בהשוואה לכשלים פחות מאשר 20 קומות).

חידוש רעש

שאגה של אלפי מעריצים ב-RPM במרכז נתונים של HPC יכולה לעלות על 85 dB - מספיק כדי לדרוש הגנה על שמיעה ולהפריע לעבודה הנדסית באתר.מערכות קירור נוזליות לחסל את רוב האוהדים; קירור צריך אף אחד, ומערכות ישירות אל שבב משתמשות רק משאבות מהירות נמוכה ומעריצי חדר אופציונלי נמוך לא יאוח יכול לרדת מתחת ל-50B, יצירת סביבה פרודוקטיבית יותר עבור צוות צורך גישה לחדר אבחון או טיפול.

סקלאלה לדורות עתידיים

כמו כוח עיצוב תרמי שבב (TDP) ממשיך לעלות - GPUs גדול יותר מ 600 W לכל מכשיר, עיצובים עתידיים עשויים להתקרב 1 קילוואט - קירור אוויר הופך לא מעשי מבחינה גופנית.נוזלי בקנה מידה לא מוחשי: מערכת סגורה יכול להיות מורחבת על ידי הוספת צלחות קרות יותר ולהרחיב את הצנרת, מבלי לעצב מחדש את המתקן כולו.

השוואת קירור נוזלי לאוויר קירור: נקודת מבט קוונטית

כדי להמחיש את ההבדלים, בטבלה הבאה מסכם מדדי ביצועים מרכזיים המבוססים על מדדי ביצועים בתעשייה (ערכים מייצגים את ה-HPC בגודל בינוני של 100 קילווואט טעינה):

  • (ב) ⁇ (ב"ג): "הכוח מעל פני השטח" (אוויר): ⁇ 1 (40-50 קילוואט (צ'ילרס, אוהדים, משאבות)
  • (ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד): "ה' ויקרא י"ד:2 ויקרא:2 ויקרא:2 ויקרא: ויקרא י"ד:
  • (ב) עיין בספירת ה-McpLT:0 (הטבע): ⁇ 1; 35 קילוואט (FLT:2Liquid): ⁇ FLT 3:100 קילוואט).
  • <חזק> רמת רעש ב 1 מטר (air): 85 dB <חזק>Liquid: <50 dB.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • שיעור הכשלים של אבטחה (התרגילה לבסיס אוויר):> נוזל <0.7×.

בעוד קירור אוויר נשאר קיימא עבור תצורה של תצורה נמוכה יותר ו רטרופיטות מורשת, היתרונות של קירור נוזלי להיות מכריע כמו משחות חשמל עולה על 20-30 קילוואט לכל rack.

יישום שיקולים ואתגרים

מעבר מהאוויר לקירור נוזלי דורש תכנון זהיר במספר תחומים כדי למנוע סיכונים תפעוליים ולהעלות את ההחזר על ההשקעה.

ניתוח עלויות: לעומת מבצע Expenditure

העלות העליונה של פתרון קירור נוזלי - כולל צלחות קרות, דלות, משאבות, חילופי חום, מערכות בקרה, והעבודה ההתקנה - באופן חד-חמצני מוסיף 10-25% לעלויות החומרה הכוללות של אשכול.עבור מערכת של 5 מיליון דולר HPC, זה שווה תוספת של $ 500,000-365 מיליון דולר, עם זאת, חיסכון תפעולי בחשמל (לעתים קרובות 100,000 $-300,000 לשנה באקלים מתון) ולהפחית את עלויות המחלחזור הוא בדרך כלל יותר מ- 18 חודשים.

אחריות ואמצעי בטיחות

Leak גילוי ומיגציה הם ראשי התיבות של מערכות קירור נוזלי מודרני משלבות חותמות אדומות, חיישני לחץ, לחות wicks, ושסתום אוטומטי כי בידוד דליפה לקטע rack יחיד. Coolant Selection Matters: מערכות ישירות אל שבב לעתים קרובות להשתמש מים מחוסנים עם מעכבי קורוזיה ו biocides, בעוד מערכות ⁇ דורשות נוזלים דיאלקטריים כי הם לא מוליכים באופן קבוע ומאובטחים של בדיקות קירור (Ricial) כולל , כולל טמפרטורות קבועות סטנדרטיות, עם , עם קיבולת סטנדרטיות סטנדרטיות, עם , כולל , עם קומפקטיות סטנדרטיות סטנדרטיות של , עם סגסוגת סטנדרטיות של , עם , עם מעכבי, עם קיבולת נמוכה מאוד, עם מעכבי, עם סגסוגת סטנדרטית של קיבולת קירור של קיבולת נמוכה.

תאימות עם קיימות תשתיות

החלת מרכז נתונים אווירי-אווירי לקירור נוזלי דורש תכנון לאספקת נוזל ולהחזיר פישוט, ניהול condensation (אם טמפרטורות קרירות נופלות מתחת לנקודת ה-w), וחיזוק מבני לתמיכה בצריפים כבדים יותר. מפעילים רבים בוחרים לגישה מבודקת: להתחיל עם ממשק ישיר-to-chip קירור על הבלוטות הכוח תוך השארת פחות דחוסות על מתקני אוויריים.

יישומים אמיתיים ומקריות

כמה מרכזי HPC הבולטים אימצו קירור נוזלי ודיווחו על יתרונות משמעותיים.לדוגמה, המרכז הלאומי השוויצרי (CSCS) הציב קירור נוזלי ישיר במחשב העל "Piz Daint" שלו, השגת PUE של 1.04 תוך שמירה על המערכת בין הסביבות המהירות ביותר בעולם, בדומה, מחשב העל "Summit" במעבדת האוררידג' הלאומי משתמש בגישה היברידית עם הצלחות קרות על GPUs, ומאפשרת ל- Azure, כדי לספק הפחתה דרמטית של מרכזי ייצור, אך לא נבדקים, אך לא נבדקומים.

מגמות עתידיות: היכן קירור נוזלי הוא ראש

האבולוציה של קירור נוזלי ממשיכה להאיץ, מונע על ידי הביקוש הבלתי פוסק לביצועים גבוהים יותר ומטרות קיימות.כמה מגמות מתעוררות שווה ניטור:

  • (FLT:0 Two-phase ⁇ קירור: FLT:1) שימוש נוזלים כי מתנבאים בטמפרטורות נמוכות (למשל, נובאק 7000) יכול להשיג חסכונית העברת חום עד 10,000 W / m2K, המאפשר קירור פסיבי של שבבים בעוצמה גבוהה מאוד ללא משאבות.
  • (FLT:0Waste חום reuse:FLT:1 ,היציאה הקרנית החמה של מערכת HPC יכול לשמש לבניינים חום, חממות, או תהליכים תעשייתיים.זה הופך את חום מרכז הנתונים מאחריות למשאב, היישר עם עקרונות כלכלה מעגלית.
  • (FLT:0)Standardization and Ecosystem בגרות:FIRLT:1 קונסוליה כמו פרויקט Open Compute ו-Sing Systems Alliance מפתחים סטנדרטים פתוחים עבור מחברים, יצירות מגניבות, ופרוטוקולים ניטור, צמצום מנעול הספק והורדת מחסומים אימוץ.
  • (FLT:0) גידול באנרגיה מתחדשת: FIRLT:1 קירור נוזלי מפחית את כמות הכוח של ציוד קירור, מה שהופך אותו קל יותר לצמד את נאספים HPC עם השמש או אנרגיית רוח באתר על ידי הגדלת פרופילי עומס שטוח.

בעוד התעשייה דוחפת לעבר מחשוב אקסקלי ומעבר לכך, קירור נוזלי יעבור מהתמחות נישה לדרישות ברירת מחדל.הטכנולוגיה כבר עלות תחרותיות עבור בנייה חדשה ויציבות יותר עבור רטרוfits.

מסקנה

קירור נוזלי עבר מעבר לשלב הניסויי וכעת הוא אופציה מרכזית עבור אשכולות מחשוב בעלי ביצועים גבוהים.היכולת שלו להסיר ביעילות עומסי חום גבוהים, להפחית צריכת אנרגיה, לשפר את האמינות החומרית, ולאפשר ארכיטקטורות מערכת צפופה ישירות להתמודד עם האתגרים הדוחקים ביותר העומדים בפני HPC כיום. בעוד שדרישות ההשקעה והתכנון הראשוניות הן לא-trivial, חיסכון תפעולי ארוך טווח, ביצועים, וקיימות הופכות לארגון עסקי עבור כל מתקן אחסון גמיש, רק לאחר מכן, כמו גם 30 קילו-קלי קירור, ישארכות, יש צורך, רק על פני מערכת יעילה, כמו גם דרישות מערכת ההפעלה, כמו גם דרישות מערכת ההפעלה, כמו גם דרישות התקנה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה, כמו גם דרישות התקנה מוצקה, כמו גם דרישות התקנה של מערכת יציבה של מערכתית, רק 30 קילו-קלאריכות, כמו גם דרישות התקנה של מערכת ההפעלה, כמו גם דרישות התקנה של מערכת ההפעלה, כמו גם בעתיד.

לקריאה נוספת על שיטות קירור הטוב ביותר, ראה את ה-FLT:0ASHRAE ההנחיות המילוליות של ה-FLT:1, the FLT:2 Openute Project's Cooling InitiativeFLT 3: ו- Case Studies from the FLT:4 National Energy Research Computing Center (NERSC)Fevolveve:5).