Инновационные технологии охлаждения для систем больниц с большими объемами данных

Растущее бремя данных в современном здравоохранении

Современные больницы стали средой, где требуется много данных. Каждый прием пациентов генерирует каскад цифровой информации: электронные медицинские записи (EHR), лабораторные результаты, рентгенологические изображения, жизненно важные показатели в реальном времени, телеметрические каналы и административные транзакции. Одна большая учебная больница может производить более 10 терабайт данных в день. Методы визуализации, такие как 3D-КТ, МРТ-последовательности и патология скольжения, производят файлы, которые варьируются от сотен мегабайт до нескольких гигабайт каждый. Одновременно Интернет медицинских вещей (IoMT) добавляет тысячи подключенных устройств - мониторы на кровати, инфузионные насосы и носимые датчики - которые передают непрерывные данные на центральные серверы.

Этот взрыв данных требует мощной вычислительной и хранилищ инфраструктуры. Госпитальные центры обработки данных, будь то на месте или в колокейшн-объектах, теперь упаковывают серверы с высокой плотностью лопастей, кластеры GPU для диагностики ИИ и массивы хранения всех флэш-памятей. Эти системы генерируют значительное тепло. Одна полностью загруженная стойка может производить 20-30 кВт тепловой нагрузки, а некоторые рабочие нагрузки ИИ толкают это до 40-50 кВт на стойку. Без адекватного охлаждения, температура компонентов повышается, что приводит к дросселированию, преждевременному отказу оборудования и потенциальной коррупции данных. Ставки в больнице уникально высоки: время простоя системы может задержать диагнозы, прервать оборудование для жизнеобеспечения или поставить под угрозу безопасность пациентов.

Почему традиционное охлаждение падает

Наследственное охлаждение ЦОД обычно зависит от блоков кондиционирования воздуха в компьютерной комнате (CRAC) или воздухообработчиков, которые продувают охлажденный воздух через приподнятый пол. Этот подход работает достаточно хорошо для сред с низкой плотностью (2-5 кВт на стойку), но он становится неэффективным и ненадежным при плотности, обнаруженной в современных больничных системах. Возникают несколько конкретных ограничений:

Эти недостатки побудили больницы и их ИТ-партнеров принять технологии охлаждения следующего поколения, разработанные специально для высокой плотности тепла, надежности и энергоэффективности.

Инновационные технологии охлаждения для больничных центров обработки данных

Жидкое охлаждение: прямой и косвенный подходы

Жидкое охлаждение использует тот факт, что вода или диэлектрическая жидкость могут поглощать тепло на порядок эффективнее воздуха.В больничной среде набирают силу два основных варианта.

В жидкостном охлаждении с прямой на кристалл используются холодные пластины, установленные непосредственно на компонентах с высокой температурой (CPU, GPU, память). Охлаждение циркулирует через пластины, захватывая тепло и перенося его в теплообменник с жидкостью к текучей среде. Этот метод может удалить 80-90% тепла в источнике, позволяя окружающему воздуху обрабатывать только оставшуюся нагрузку. В результате серверы могут работать на более высоких тактовых частотах без теплового дросселирования, а скорость вращения вентилятора резко падает - снижая как потребление энергии, так и шум. Для больничного центра обработки данных, работающего на основе моделей распознавания изображений на основе ИИ, это означает более быстрый поворот на диагностических результатах и меньшее количество прерываний обслуживания, связанных с термической.

Непрямое жидкостное охлаждение (задние теплообменники) помещает катушку с водяным охлаждением внутри или на задней стороне стойки сервера. Тепло от серверов переносится в водяной контур через воздушный поток. Хотя этот подход немного менее эффективен, чем прямое охлаждение, этот подход не требует никаких изменений к существующим серверам, что облегчает модернизацию в более старые больничные центры обработки данных. Теплая вода (обычно 25-35 ° C) затем может быть направлена в охлаждающую башню или блок отвода тепла за пределами больницы.

Оба метода резко уменьшают объем воздуха, который должен быть перемещен. Значения PUE для центров обработки данных с жидкостным охлаждением обычно падают ниже 1,2, а некоторые установки приближаются к 1,05. Для больницы, которая ежегодно тратит 500 000 долларов на электроэнергию центров обработки данных, что может привести к шестизначной экономии. (Источник: ] Министерство энергетики США ]

Immersion Cooling: погружение серверов для повышения эффективности

Погружение охлаждения принимает жидкое охлаждение до его логической крайности, погружая целые серверные стойки в диэлектрическую, непроводящую жидкость - обычно минеральное масло или инженерный фторуглерод. жидкость непосредственно контактирует со всеми компонентами, поглощая тепло равномерно. Нагретая жидкость поднимается естественным образом или накачивается на внешний теплообменник, где захваченное тепло может быть передано во вторичный цикл для повторного использования или рассеивания.

Для больничных систем погружение в охлаждение предлагает несколько уникальных преимуществ:

Ранние пользователи включают медицинские исследовательские учреждения и сети больниц, работающие с геномной секвенировкой. В одном из тематических исследований, проведенном в 2022 году в крупной европейской сети больниц, было показано, что погружение в охлаждение снижает общее потребление энергии в центрах обработки данных на 45% по сравнению с предыдущей установкой с воздушным охлаждением. (Источник: ]

Стратегии бесплатного охлаждения и повторного использования тепла

Свободное охлаждение использует естественные условия окружающей среды - вне воздуха или прохладных источников воды - для обеспечения частичного или полного охлаждения без механического охлаждения. В умеренном климате экономайзеры на воздушной стороне привлекают внешний воздух непосредственно в центр обработки данных, когда температура и влажность находятся в приемлемых диапазонах. Экономайзеры на водной стороне обходят чиллеры для использования воды на градирне непосредственно в течение более холодных месяцев.

Например, больница в Скандинавии может управлять своим центром обработки данных с бесплатным охлаждением в течение 8-10 месяцев в год, снижая потребление электроэнергии при механическом охлаждении до 70%.

Еще более инновационным является повторное использование тепла : улавливание тепла, генерируемого серверами, и перенаправка его на обслуживание больничных нужд. Отработанное тепло в центрах обработки данных — обычно 30—40 °C — может использоваться для предварительного нагрева горячей воды в домашних условиях, дополнительного отопления помещений в амбулаторных районах или даже для дополнительного охлаждения летом. Хорошо спроектированная система может восстановить 90% электроэнергии, потребляемой ИТ-оборудованием, в качестве полезной тепловой энергии. Для больницы с центром обработки данных мощностью 500 кВт, это восстановленное тепло может сэкономить тысячи долларов в год в расходах на природный газ или централизованное отопление, одновременно уменьшая общий углеродный след объекта.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) задокументировала несколько установок, где отработанное тепло центра обработки данных поставляет горячую воду для соседних зданий. (Источник: ] NREL Исследования по восстановлению отработанного тепла )

Продвинутое охлаждение воздуха с помощью контейнеров и рядных блоков

В то время как жидкостное охлаждение является заголовком новостей, современное воздушное охлаждение по-прежнему играет жизненно важную роль, особенно для модернизации или среды смешанной плотности. Ключевыми инновациями являются сдерживание и охлаждение в ряде.

Контейнеры горячего прохода (HAC) физически замыкают горячие проходы выхлопных газов центра обработки данных, отделяя их от холодных входных проходов. Серверный воздух выхлопных газов продувается непосредственно обратно в охлаждающие блоки, предотвращая рециркуляции. Такой подход позволяет охлаждающим блокам работать с более высокими температурами возвратного воздуха, повышая эффективность чиллера и устраняя горячие точки. PUE может опускаться от 1,8 до менее 1,4 в хорошо реализованных системах сдерживания.

В ряде охлаждения размещаются компактные холодильные установки охлажденной воды между серверными стойками в пределах ряда. Эти блоки вытягивают горячий воздух из горячего прохода, охлаждают его и разряжают в холодный проход. Поскольку охлаждение распределяется ближе к источнику тепла, требуется меньше энергии вентилятора, и система может быстро адаптироваться к изменениям тепловой нагрузки.В ряде блоки особенно полезны для больничных ЦОД, которым необходимо охладить смесь строк высокой плотности и низкой плотности без капитального ремонта всей компоновки пола.

Многие больницы используют гибридную стратегию: прямое жидкостное охлаждение для самых горячих 20% стоек (AI, GPU кластеры) и эффективное воздушное охлаждение для оставшихся серверов общего назначения и массивов хранения.

Соображения по внедрению больниц

Выбор и развертывание инновационного решения для охлаждения в больнице требует тщательного планирования, чтобы обеспечить устойчивость, безопасность и минимальные нарушения клинических операций.

  • Расход и надежность: Госпитальные дата-центры являются частью критически важной инфраструктуры. Системы охлаждения должны быть спроектированы с резервированием N+1 или 2N. Если один чиллер или модуль охлаждения выходит из строя, система должна продолжать работать на полную мощность. Для погружения охлаждение означает наличие резервных насосов и теплообменников в режиме ожидания. Свободные системы охлаждения нуждаются в резервном механическом охлаждении в течение нескольких дней, когда условия окружающей среды находятся за пределами допустимого диапазона.
  • Пространство и компоновка: Для инфраструктуры жидкостного охлаждения требуется пространство для обработки жидкости, насосов, трубопроводов и теплообменников. Обновление существующего больничного центра обработки данных может потребовать временного отключения или поэтапной миграции. Новая конструкция должна рассмотреть возможность размещения центра обработки данных вблизи служебного коридора для упрощения трубопроводных пробегов и соединений отвода тепла.
  • Управление водой и жидкостью:] Прямое жидкое охлаждение использует воду или смеси гликоля. Правильная очистка воды, фильтрация и обнаружение утечки имеют важное значение. Погружение охлаждения использует диэлектрические жидкости, которые непроводящие, но могут потребовать периодической фильтрации или замены; резервуары должны быть герметизированы от испарения и загрязнения. Больницы также должны планировать утечку и удаление использованных жидкостей в соответствии с экологическими нормами.
  • Шум и вибрация:] В то время как жидкостное охлаждение снижает шум вентилятора, насосы и оборудование для отвода тепла (сухие кулеры, градирни) могут вводить шум и вибрацию. Они должны быть расположены вдали от комнат пациентов или акустически изолированы. Погружения шкафов молчат внутри, но все еще требуют насосов.
  • Обслуживание и техническое обслуживание: ИТ-персоналу больницы может потребоваться обучение для работы с системами жидкостного охлаждения. Специализированные поставщики часто предоставляют контракты на техническое обслуживание, которые включают анализ жидкости, замену насоса и очистку теплообменника. Планы реагирования на чрезвычайные ситуации должны включать процедуры утечки жидкости или сбоев питания, которые могут нарушить охлаждение.

Наилучшая практика: На ранних этапах планирования привлекать поставщиков систем охлаждения. Моделирование тепловых нагрузок с использованием CFD-моделирования для оптимизации компоновки стойки и распределения охлаждающей жидкости. Инвестиции в предварительное планирование приносят дивиденды в операционную эффективность.

Преимущества помимо охлаждения: надежность, эффективность и устойчивость

Применение инновационных технологий охлаждения дает преимущества, которые выходят далеко за рамки поддержания серверов в безопасных температурных пределах.

Повышение надежности оборудования: Устранение колебаний температуры и снижение теплового напряжения на компонентах позволяет больницам продлить срок службы сервера на 1-3 года. Меньшее количество отказов оборудования означает меньшее количество незапланированных окон технического обслуживания и более предсказуемое время безотказной работы для критически важных приложений, таких как EHR и PACS (системы архивирования изображений и связи).

Энергоэффективность и экономия затрат: Как упоминалось ранее, значения PUE 1,1-1,2 являются общими для жидкостного охлаждения, по сравнению с 1,6-2,0 для традиционного воздушного охлаждения. Для центра обработки данных больницы мощностью 300 кВт, работающего 24/7, эта разница может сэкономить 150 000-300 000 долларов США в год на расходах на электроэнергию при 0,12 доллара за кВт-ч. Повторное использование тепла добавляет еще один источник дохода или экономии, потенциально компенсируя расходы на отопление больницы.

Снижение воздействия на окружающую среду: Снижение потребления энергии непосредственно снижает выбросы парниковых газов. Кроме того, многие диэлектрические жидкости, используемые в погружении охлаждения, имеют очень низкий потенциал глобального потепления (GWP) по сравнению с хладагентами в традиционных чиллерах. Повторное использование тепла еще больше сокращает общий углеродный след больницы, поддерживая цели устойчивости, которые все чаще требуются органами аккредитации здравоохранения.

Минимизированное нарушение работы больниц: Тихие, эффективные системы охлаждения позволяют размещать центры обработки данных ближе к клиническим областям, не вызывая жалоб на шум или не требуя дорогостоящей звукоизоляции. Это поддерживает тенденцию к децентрализованной обработке данных и периферийным вычислениям — где некоторые данные обрабатываются вблизи точки ухода, уменьшая задержку для аналитики в реальном времени.

Будущие тенденции: искусственное охлаждение и интегрированное управление отходами

Следующая волна инноваций еще больше уточнит, как больницы охлаждают свою цифровую инфраструктуру. Алгоритмы машинного обучения уже используются для прогнозирования спроса на охлаждение на основе рабочих нагрузок сервера, прогнозов погоды и моделей времени суток. Эти системы управления на основе ИИ регулируют скорость насоса, положение клапанов и точки охлаждения в режиме реального времени, сбрасывая дополнительные 15-30% от использования энергии охлаждения по сравнению с обычными средствами управления PID. В условиях больницы этот интеллект также может предвидеть всплески спроса - например, когда большая партия изображений МРТ обрабатывается в одночасье - и предварительно охлаждать систему соответственно.

Интеграция с системой управления зданием больницы (СУБД) также продвигается. Вместо того, чтобы рассматривать охлаждение ЦОД как автономный остров, будущие системы будут делиться тепловой энергией с более крупным зданием. Зимой тепло ЦОД может снизить нагрузку на котел; летом отработанное тепло может приводить в движение абсорбционные чиллеры, которые обеспечивают кондиционирование воздуха для других частей больницы. Этот целостный подход, иногда называемый «Комплексное управление энергией ЦОД», может снизить общее потребление энергии в больнице на 10-20%.

Наконец, повышение погружения охлаждения для краевых вычислений в больницах, таких как в комплектах ИЛИ, отделениях неотложной помощи или мобильных единицах визуализации, позволит компактным герметичным резервуарам обрабатывать обработку данных там, где это необходимо, без необходимости выделенного охлажденного водоснабжения. Эти устройства микроохлаждения могут стать стандартным оборудованием в новой конструкции больницы.

Заключение

Больницы находятся на пересечении здравоохранения и высокопроизводительных вычислений. По мере того, как объем данных пациентов, диагностика ИИ и подключенные медицинские устройства продолжают расти, системы охлаждения, которые защищают эту инфраструктуру, должны развиваться. Традиционное кондиционирование воздуха больше не подходит для плотных, теплоемких больничных центров обработки данных. Инновационные технологии охлаждения - жидкое охлаждение, погружение, бесплатное охлаждение с повторным использованием тепла и передовым сдерживанием воздуха - предлагают проверенные решения, которые повышают надежность, сокращают затраты на энергию и поддерживают экологическую устойчивость.

Инвестируя в эти технологии сейчас, организации здравоохранения могут обеспечить, чтобы их цифровой хребет оставался устойчивым, эффективным и готовым к еще большим требованиям к данным завтрашнего дня. Первоначальные капитал и усилия по планированию являются скромными по сравнению с долгосрочными операционными и клиническими преимуществами - меньшее количество отключений, более быстрая диагностика, более низкие счета за электроэнергию и меньший углеродный след. Для любой больницы, которая зависит от данных, инновационное охлаждение не является вариантом; это важный компонент современной инфраструктуры.