Giriş: Yüksek seviyeli sunuculardaki ısı Challenge

Modern veri merkezleri her rafa daha fazla bilgi gücü topluyor. Yüksek kaliteli sunucular - bu 20 kW peruraj başına - AI, HPC ve sanalleştirilmiş iş yükleri için olağanüstü performans sunuyor, ancak aynı zamanda yoğun ısıtıcı teknikler de sağlam bir soğutma olmadan - ve bazı durumlarda birincil - performans sertleştirici, doğal fizikten yararlanan çözümler (CRAC birimleri, fanlar, sıvı döngüler) bugün tasarımlara hakimdir.

Pasif soğutma, üç temel ısı transfer mekanizmasına dayanıyor: iletkenlik, konveksiyon ve radyasyon.Ne zaman uygulanan bu yöntemler termal yükün önemli bir bölümünü ele alabilir, aktif sistemlere olan yükü azaltır ve daha yüksek yoğunlukta orantılı enerji artışı olmadan sağlar.Bu makale temel pasif soğutma stratejileri, tasarım göz önüne alındığında, faydaları ve pratik uygulamaları yüksek kaliteli sunucu ortamları için inceler.

Pasif Soğutma vs. Active Soğutma

Belirli tekniklere girmeden önce, aktif soğutmadan pasif ayırt etmek önemlidir. Aktif soğutma, güçlendirici cihazlar - fanlar, pompalar, kompresörler - ısı hareketine zorlamak için. Pasif soğutma, aksine, doğal sıcaklık gradientlere, yerçekimine ve materyal özelliklerine dayanmaktadır.

  • Doğal konveksiyon: sıcak hava yükselir, serin hava batır, fanlar olmadan hava akışı yaratır.
  • Davranış: ısı sağlam malzemeler (ısıkır, termal arayüz malzemeleri) ile hareket eder.
  • Radyasyon: ısı yüzeylerden gelen kızılötesi emisyon ile ayrılır.
  • Faz değişikliği: Mum veya tuz hidratlar gibi malzemeler, erime / katılaşma sırasında ısıyı absorbe eder ve serbest bırakır.

Pasif teknikler ikili değildir - aktif sistemlerle birlikte çalışırlar. İyi tasarlanmış bir veri merkezi aktif enerji kullanımını en aza indirmek için pasif stratejiler kullanır, genellikle yüksek seviyeli sunucular için, hedef, mekanik soğutma yapmadan önce pasif ısı kaldırılmasına yardımcı olmaktır.

Yüksek seviyeli Servers için Anahtar Pasif Soğutma Stratejileri

1. Hot Aisle / Cold Aisle Containment

Sıcak aisle/cold aisle (HACA) yerleştirilmiştir. Server rafları, serin bir alımı ile sıcak bir şekilde tükenme konusunda düzenlenmiştir.Bu basit kazançlar: Bu basit bir şekilde geri dönüşler, ters bir aisle. fiziksel engeller (kahkahalar, tavan panelleri) sıcak aisle ısıtılır, soğuk aisle sıcak bir şekilde sıcak egzozun karıştırılması.

  • Hava sıcaklıkları, 10-15°F'nin inlet koşullarını etkilemeden yükselebilir.
  • Tesis olmadan, sıcak egzoz ile soğuk hava karışımları, soğutma kapasitesi. Sıcak aisles havayı daha yüksek sıcaklıklara geri döndürerek, soğuk verimliliği geliştirmekte.
  • Doğal buoyancy, tavan ve elemanların dış veya geri dönüş plenum'a kadar tükenebilir.

[FONT=0) Tasarım dikkate alınır:[Döneticileri) Yüksek çözünürlükte tamamlamak gerekir - kapılar altında boşluklar veya tavan kaplamaları arasında etkili bir basınç sensörleri genellikle, eksperticilerin satın almalarını sağlamak için diferansiyelleri izlemek gerekir.

2. Doğal havalandırma

Doğal havalandırma havadan dışarı çıkıyor, çünkü bu teknik, sıcak iklimlerde veya akşam / gece saatlerinde en etkili. Anahtar bileşenleri:

  • [FONT:0) Intake louvers:[Dönder:[Döneme:0)[Döneme:[Döneme:0)
  • [FONT:0)Zengin vents:[Döneticiler:[Döneticiler:[Dönler: · 1) Duvarlara yüksek konumlanmış veya sıcak havanın yükselmesine ve çıkışına izin vermek için çatıda.
  • [FONT:0) Hava filtrelemesi: [Dönetici: [Dönetici:0], sunucu ortamına girmekten toz ve kirleticileri önlemek için gerekli.

Doğal havalandırma, örneğin, sıcak bir aisle, bir chimney veya çatı vent aracılığıyla doğrudan dışa doğrulanabilir, soğuk aisairlere serin hava çeken bir termal sifon oluşturmak. Bu yaklaşım bazen “havaaltın economizasyon” olarak adlandırılır, ancak birçok yükleme hala günlerce düşük güç hayranlarına eklenir.

[FONT:0]Limitations:[Dönetici: [Dönüşük:0] Yüksek nem, yağış ve aşırı sıcaklıklar aktif sistemlere güvenebilir. İzleme dew noktası ve katılımcı seviyeleri önemlidir. Yüksek kaliteli sunucular için, doğal havalandırma nadiren toplam soğutma talep karşılar - tamamen yerine mekanik soğutmayı destekler.

3. Heat Lavabo Entegrasyonu

Heat lavabolar, bileşen seviyesinde en doğrudan pasif soğutma yöntemidir. Yüzey alanını birbirine bağlı ısı transferleri için arttırırlar ve CPU, GPU veya bellek modüllerinden bir termal yol sunar. Yüksek kaliteli sunucular için ısı bataklıkları belirli hava akışı ortamı için optimize edilmelidir:

  • Fin geometrisi: yoğun fins zor hava akışı ile iyi çalışır, ancak doğal konveksiyonu engelleyebilir. pasif veya düşük akış bölgeleri için, daha geniş bir fin spacing (e.g., 4-6 mm) sınır tabakası direnci azaltır.
  • Malzeme: bakır ( ⁇ 400 W/m·K) vs. alüminyum ( ⁇ 200 W/m·K) Modern yüksek güç çipleri genellikle maliyet ve ağırlık için alüminyum fins ile bakır taban kullanır.
  • Heat boruları: gömülü ısı boruları veya buhar odaları, daha büyük bir fin serisine küçük sıcak bir yerden ısınabilir, hala havada ısı lavabosu 200-500 W'nin pasif dağılımına izin verebilir.

Büyük ısı parçaları işlemcilere ek olarak, pasif soğutucular gerilim düzenleyicilerine, hafıza modüllerine ve depolama cihazlarına uygulanabilir.Sağ hava akışına sahip bıçak sunucuları için, ısı bataklığı ile çiftleştirilmiştir (örneğin, büyük ısı yayıcıları olarak hareket eden alüminyum çerçeveler) kritiktir.

4. Aşama Değiştiri Malzemeleri (PCMs)

Faz değişimi malzemeleri, eridiğinde ısıyı absorbe ederler ve sağlam olduklarında ısıyı serbest bırakırlar. Yüksek seviyeli sunucularda, PCMs sunucu şasi veya raf düzeyinde termal mağazalarda entegre edilebilir. Anahtar uygulamalar:

  • Termal kapasitörler: sunucudaki bir PCM battaniye veya modül geçici ısı aksanlarını absorbs eder (örneğin, hesaplama patlamaları sırasında) ve düşük yük dönemlerinde ısınır.
  • Raf seviyesinde PCM birimleri: tuz hidrat veya paraffin balmumu ile dolu büyük konteynerler sıcak aisle veya yukarıdaki raflar düzgün sıcaklık dalgalanmaları ve zirve soğutma talebini azaltabilir.

[FONT=0) Seçici kriter: [Dönetici: [Dönetici: 0,0) Karşılaştırmalı PCM söndürücü nokta, ısı geçişi önlemek için minimum düzeyde olmalıdır (tipik olarak 25-30°C). Geç ısı kapasitesi (kJ/kg) ve ısı iletkenliği (kJ/kg) ve ısı iletkenliği (örneğin, zayıf, finansal köpükler veya metal köpükler)

5. Chimney ve Solar-Assisted

Bir chimney (veya termal yığın), bir doğal yukarıdraft oluşturmak için sıcak havanın oyuncakını kullanır. Bir veri merkezinde, çatıdan yukarı doğru ısınır.In the hot aisle spreads up from the chimney, it goes and take more hot air out of the aisle.This can be 290 by a solar chimney - karanlık renkli, güneye bakan bir ışın, o ısıyı artırarak, sıcaklık farkı ve daha fazla havayı arttırırken, solar bileşeninin kendisi pasifik.

Yüksek çözünürlükte ortamlar için, birden çok chimneys, ısının 100+ kW'ını işlemek için gerekli olabilir. Üst ve kesit alanı, sunucu egzoz yollarından baskının düşmesi için boyutlandırılmalıdır. Chimneys düşük seviyede soğuk bir “stack etkisi” tasarımı ile birlikte en iyi şekilde çalışır.

Yüksek seviyeli Server Odalar için tasarım göz önünde bulundurun

Yüksek kaliteli ortamlarda pasif soğutmayı uygulamak dikkatli bir tesis ve raf tasarımı gerektirir:

Raf Layout ve Airflow Paths

  • Yüksek ısı kıvrımları (40-60 kW) geniş bir şekilde kontrole sahip sıralarda (minimum 4 ft sıcak aisle, 4 ft soğuk aisle) doğal hava akışına izin vermek için.
  • Tüm kablo açılışlarını mühürleyerek sıcak ve soğuktan kaçının, fırça grommets kullanarak ve zemin karo blokerler kurmak.
  • Zemine zemine karşı yükseltilmiş zemin düşünün. Slab zeminleri üst soğutma ile doğal konveksiyonu tavan yüksekliği yeterliyse artırabilir (en azından 10 ft).
  • Sadece soğuk aisles'te zemin kaplamalarını kullanın ve açık alan maçlarının sunucu hava akışı talebinin sağlanmasını sağlayın.

Termal Kitle ve Yapı Yapı Yapı

  • Beton katları ve duvarları, soğuk dönemlerde ısıtılan termal kütle sağlar - yapı ısıyı top yükler sırasında absorbs eder ve serbest bırakır.
  • Kuzey yüz duvarı veya yeraltı üzerindeki veri merkezini en aza indirmek için ayırın.
  • Dış termal yüklerin azaltılması için duvarları ve çatılar.

Bitirme - Pasif Gelişler

  • CPU ve ısı bataklıkları arasında yüksek çözünürlükte termal arayüz malzemeleri kullanın - e.g., grafik pedleri, faz-change TIMs (e.g., Honeywell PTM serisi).
  • Bir DIMM ve SSD'ler üzerinde ısı yayıcıları ekleyin. Bazı yüksek seviyeli sunucular, bir şapel tarafından ısınarak bir ısıya geçmek için annemboard'da gömülü olan sıvı dolu ısı borularını kullanır.
  • Doğal konveksiyon için tasarlanmış ısı değiştiricileri altında uygulama (örneğin, hidronik pasif soğutma panelleri) raf düzeyinde soğutmayı takviye edebilir.

Faydaları ve ROI of Passive Soğutma for High-Density Servers

Pasif soğutmayı kabul etmek, enerji tasarruflarının ötesinde ölçülebilir avantajlar sunar:

  1. [FONT:0)Redüklenmiş enerji tüketimi[[[Dönetici: 1 ): Fan hızını ve kompresörü çalıştırarak zaman veri merkezleri, 30-60% 1 MW tesisi, pasif stratejileri kullanarak 100.000+ tasarruf edebilir.
  2. [FONT:0) Düşük çevresel etki[[[DÜT 1: 1): Daha düşük elektrik kullanımı daha düşük karbon emisyonlarını gerektirir. Ek olarak, pasif sistemler daha az soğutucu gerektirir (daha soğuk güven ortadan kaldırırsa).
  3. [FONT:0] Geliştirilmiş güvenilirlik[[[Dönetici: Daha az hareketli parçalar daha az başarısızlık anlamına gelir. Fans ve pompalar ortak başarısızlık noktalarıdır; pasif yaklaşımlar bakımsız yıllar boyunca çalışabilir.
  4. [FONT:0]Noise indirgeme[[DÜT:1): Hava çekme fanları birincil gürültü kaynağıdır. pasif hava akışı, gürültü seviyeleri düşer, personel için çalışma koşullarını geliştirir.
  5. [FONT:0) Büyük yoğunluk potansiyeli): Pasif teknikler aktif soğutmadan önce daha yüksek raflara izin verir. Çeşitli bulut sağlayıcıları, sıcak enerjili yüksek güç hayranları ile dolu bir rafta 40-50 kW elde etti.
  6. [FONT:0]Simpler kontrol sistemleri[Dönetici: Pasif yaklaşımlar daha az değişken ayar noktalarına sahiptir - BMS programlamanın karmaşıklığını azaltmak.

Uygulama Adımları: Operasyonlamadan Operasyona Değerlendirme

Mevcut yüksek kaliteli sunucular için pasif soğutmaya geçiş, bir fazlı yaklaşım gerektirir:

  1. [FONT:0] ⁇ denetim[DÜT:1): Sunucu içi, raf egzozları ve tavan / zemin seviyeleri.Sorumlu noktaları ve recirculation bölgeleri CFD modelleme veya termal görüntüleme kullanarak tanımlayın.
  2. [FONT=0)Containment retrofit[DÜT:1): Sıcak aisle veya soğuk aisle kapsamaları yükleyin. Tüm boşlukların kapalı olmasını sağlayın.
  3. [FONT=0) Hava akımını optimize edin[[Dönemli yerlere ve açık alana ayarlayın.Kullanılan zemin kaplamaları kaldırın.Kapalı zemin kaplama panellerini alın.
  4. [FONT:0)Introduce pasif havalandırma[[Dönetici: Bina yapısı izin verirse, louvers ve egzoz chimney (s) Sadece orta hava sırasında pasife başlayın, sonra mekanik sistemle bütünleşir.
  5. [FONT=0)Upgrad bileşeni ısı batağı[[Dönemli: 1)[[[Dönemli ısı, daha büyük, pasif optimize edilmiş birimlerle birlikte depolanır. sunucu form faktörü izin verirse. CPUs için ısı boruları veya buhar odaları eklemeyi düşünün.
  6. [FONT=0)Instri PCM[[Dönetici: yüksek ısı bölgelerinde PCM modüllerini yükleyin (örneğin, sıcak aisle, iç sunucu şasisinin içinde güç malzemeleri için monitör sıcaklığı verilerinin büyüklüğü PCM'ye doğru doğru şekilde yüklenmesi.
  7. [FONT=0)Monitor ve melodi[[Dönemli log sıcaklıkları, fan hızları ve soğuk yükler. İntegra, havalandırma açılışları ve PCM konumları mevsimsel değişikliklere dayanan.

Meydanlar ve Mitigations

Pasif soğutma gümüş bir mermi değildir - zorluklar ele alınmalıdır:

(But we must use HTML elements only; a simple list is fine)
  • [FONT:0)Climate bağımlılık[[Dönetici: Doğal havalandırma etkinliği bölgeye değişir. Mitigation: Açık koşullarda aktif soğutmaya geçiş yapan hibrit sistemler kullanın.
  • [FONT:0) Hava kirliliği[[DÜDÜT:1): Açık hava toz, kirletici ve gazlı kirleticiler getiriyor: MERV-13 veya daha yüksek filtreler basınç düşüşü izleme ile.
  • [FONT:0)Limited ısı transfer oranları[Döntilmiş ısı transfer oranları[Döntilmiş)[Dönemli ısı transfer oranları[Dönemli ısı transfer oranları[Dönemli ısı transfer oranları[Dönemli)[Dönemli ısı transfer katları zor havadan daha düşük ısı transfer katlara sahiptir.
  • [FONT:0] Uzay gereksinimleri[[DÜT 1: 1): Chimneys ve büyük ısı, fiziksel alanı tüketmektedir. Mitigation: Yeni inşaatta özel chimneys için plan; çatıya en çok kullanılan egzozlar için, gerekli chimney yüksekliği azaltmak için güneş destekli havalandırmayı düşünün.
  • [FONT:0) Ateş baskı ile kesintiye uğramak [DÜDÜ: Chimneys ve ve ve ilaçlar sigara içme alanı içermektedir. Mitigation: Otomatik olarak algılamaya yakın olan ateş demperleri yükleyin.

Pasif sistemlerin izleme ve optimizasyonu

Tasarım parametreleri içinde çalışmasını sağlamak için dikkatli soğutma avantajları. Anahtar metrikler:

  • [FONT=0]Temperature gradient[[Dönetici: Raf inlet ve egzoz arasındaki sıcaklık farkı. iyi tasarlanmış bir pasif sistem 15-25°F delta elde etmelidir.
  • [FONT:0]Differential basıncı[[Dönemli basınç[Dönetici: Across containsment (ideally 0.03–0.08 in the w.g.) ve chimneys (pozitif yığın etkisi) arasında.
  • [FONT=0)PCM sıcaklık): Kontrol PCM modüllerinin erime / serbest döngüleri takip etmesini sağlamak - kapalı kutu sırasında tamamen sağlamlaştırmalarını sağlamak.
  • [FONT=0]Equipment sağlık[[Dönetici: Track server fan hızları – eğer artışlarsa, pasif akış yetersiz olabilir.

İleri optimizasyon için, açık hava kalitesi tahmin eden makine öğrenme algoritmaları uygulayın ve demperleri önceden boş bir şekilde ayarlama.

Future: Pasive Soğutma Aşırı Yoğun Ilginçle tanışın

Raf başına sunucu gücü 100 kW'a yaklaşırken, pasif teknikler de evrimleşmeli. Trendler şunları içerir:

  • [FONT:0] İki aşamalı immersion[[Dönetici: 1): Tamamen pasif değil (requires pompası dolaşım için), dielektrik sıvı immersion pasif buharlaşma ve kondensasyon kullanır - termal gradyanlar fanlar olmadan doğal dolaşıma girerler.Bu, yüksek kaliteli bitcoin ve AI kümeleri için uygulanabilir hale gelir.
  • [FONT:0)Eksi üretim ısı batağı[[D-printed alüminyum veya seramik ısı lavaboları topolojik optimizasyonla çok daha yüksek yüzey alanı ve termal performans sunucu destekli paketlerde elde edebilir.
  • [FONT:0]Thermoelektrik jeneratörleri (TEGs))[Dönetici, atık ısısı elektrike güç sensörlerine dönüştürülebilir - pasif enerji hasat şekli.
  • [FONT:0) Pasif soğutmayı inşa etmek [DÜDÜT:1): Yeni veri merkezi tasarımları, yeraltı laboratuvarları ve aktif enerji girişi gerektiren buharlı duvarlar dahil.

Araştırma:0)DOE'nin Veri Merkezi Enerji Verimliliği programları[Dönetici:0)[Döneticileri için 100 kW perur etkinleştirebilecek pasif ilk tasarımları keşfetmeye devam etmektedir.TheDANFLT:2).Uptime Institute).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Pasif soğutma, tüm en iyileştirici bir yaklaşım değildir - katı termal sınırları korumak için mevcut altyapı ile entegre eder ve daha yüksek sunucu dezenlerini destekler.Sürekli olarak, doğal havalandırma, optimize edilmiş ısı batakları, sağlam faz-değişim malzemeleri ve chimney tasarımları, veri merkezleri sıkı ısı limitlerini korurken soğutma maliyetlerini azaltır.