خنک کردن سرور ها در مرکز داده

آینده خنک سازی سرور - قسمت 1. تاریخچه فناوری های خنک کننده سرور و مرکز داده
خلاصه
سرورهای امروزی به قدرت بیشتری نسبت به قبل نیاز دارند. در حالی که این افزایش قدرت منجر به سرورهای توانمندتر شده است، به طور تصادفی سخت افزار حرارتی قدیمی را به حد خود رسانده است. ناتوانی در پشتیبانی از سرورهای با عملکرد بالا بدون خنک کننده مایع به زودی به یک چالش در سراسر صنعت تبدیل خواهد شد. ما امیدواریم که با آماده کردن مشتریان PowerEdge خود برای این انتقال از قبل، و توضیح دقیق چرایی و زمانی که خنک کننده مایع ضروری است، آنها بتوانند به راحتی با عملکردی که خنک کننده مایع ایجاد می کند، سازگار شوند و هیجان زده شوند.

قسمت 1 از این مجموعه سه قسمتی، با عنوان آینده خنک‌سازی سرور، تاریخچه فناوری‌های حرارتی سرور و مرکز داده را پوشش می‌دهد - که کدام روش‌های خنک‌کننده بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، و چگونه تکامل یافته‌اند تا رشد صنعت را که امروزه مشاهده می‌شود، ایجاد کنند.

The Future of Server Cooling به این دلیل نوشته شده است که نسل بعدی سرورهای PowerEdge (و نسل های بعدی) ممکن است برای فعال کردن تنظیمات خاص (متراکم) به کمک خنک کننده مایع نیاز داشته باشند. هدف ما آموزش مشتریان در مورد اینکه چرا انتقال به خنک کننده مایع اجتناب ناپذیر است و آماده سازی آنها برای این تغییرات است.

ادغام راه‌حل‌های خنک‌کننده مایع در سرورهای PowerEdge آینده، دستاوردهای قابل‌توجهی را از فناوری‌های جدید، مانند پردازنده‌های نسل بعدی Intel® Xeon® و AMD EPYC™، حافظه DDR5، PCIe Gen5، DPU‌ ها و غیره امکان‌پذیر می‌سازد.

قسمت 1 از این مجموعه سه قسمتی، برخی از نقاط عطف اصلی خنک سازی تاریخی را مرور می کند تا به توضیح اینکه چرا تغییر همیشه ضروری بوده است کمک کند. همچنین توضیح می‌دهد که چه فناوری‌هایی در طول زمان تکامل یافته‌اند تا به جایی که امروز هستند پیشرفت کنند - تکامل تاریخی فناوری‌های حرارتی برای سرور و مرکز داده.

مراکز داده بدون خنک کننده کافی نمی توانند وجود داشته باشند.

یک مرکز داده شامل بسیاری از قطعات منفرد از تجهیزات فناوری است که به طور جمعی برای پشتیبانی از سرورهای در حال اجرا مداوم در یک مرکز کاربردی با هم کار می کنند. بیشتر این تجهیزات برای کار کردن به برق نیاز دارند که انرژی الکتریکی را در حین استفاده به انرژی گرمایی تبدیل می کند. اگر گرمای تولید شده بیش از حد بزرگ شود، می تواند شرایط حرارتی نامطلوبی را ایجاد کند که در صورت عدم مدیریت صحیح می تواند باعث خاموش شدن قطعات و سرور یا حتی خرابی شود.

فن‌آوری‌های خنک‌کننده برای مدیریت تجمع گرما با دور کردن گرما از منبع (زیرا گرما به طور جادویی پاک نمی‌شود) و به سمت مکانی که به طور ایمن پخش می‌شود، اجرا می‌شوند. این به تجهیزات فناوری در مرکز داده اجازه می دهد تا به طور قابل اعتماد و بدون وقفه در برابر تهدید خاموش شدن ناشی از گرمای بیش از حد به کار خود ادامه دهند. سرورهای Dell Technologies می توانند به طور خودکار مصرف انرژی را تنظیم کنند، اما بدون یک راه حل خنک کننده موثر، تجمع گرما در مرکز داده در نهایت از توانایی سرور برای کار فراتر می رود و ضررهای مالی زیادی برای تجارت ایجاد می کند.

دو حوزه تحت پوشش
فن‌آوری‌های خنک‌کننده معمولاً به دو ناحیه پوشش داده می‌شوند - مستقیماً در داخل سرور و در طبقه مرکز داده. اکثر مراکز داده مدرن به طور استراتژیک از خنک کننده برای هر دو ناحیه پوشش به طور هماهنگ استفاده می کنند.

فن‌آوری‌های خنک‌کننده که مستقیماً در داخل سرور قرار دارند، بر انتقال گرما از وسایل الکترونیکی متراکم که بخش عمده‌ای از آن را تولید می‌کنند، از جمله اجزایی مانند CPU، GPU، حافظه و غیره تمرکز می‌کنند.
فن آوری های خنک کننده واقع در طبقه مرکز داده بر خنک نگه داشتن دمای اتاق تمرکز می کنند. این تضمین می کند که هوای در حال گردش در اطراف و درون سرورها سردتر از هوای گرمی است که آنها تولید می کنند و به طور موثر رک ها و سرورها را از طریق همرفت خنک می کند.
تکنیک های خنک کننده سرور قدیمی
چهار رویکرد در طول زمان برای خنک کردن داخل سرور بر روی یکدیگر ساخته شده‌اند: هدایت، همرفت، طرح‌بندی و اتوماسیون، به ترتیب زمانی. علی‌رغم پیشرفت‌هایی که در طول زمان برای این رویکردها ایجاد شده است، نیازهای افزایش توان طراحی حرارتی (TDP) باعث شده است که همه آنها با هم کار کنند.

هدایت اولین گام در تکامل خنک سازی سرور بود که به اولین سرورها اجازه داد بدون گرم شدن بیش از حد کار کنند. رسانایی مستقیماً گرما را از طریق تماس سطحی منتقل می کند. از لحاظ تاریخی، فن‌آوری‌های خنک‌کننده رسانایی، مانند پخش‌کننده‌های حرارتی و هیت سینک‌ها، گرما را از نقاط داغ سرور دور کرده و آن را در مناطق ایزوله ذخیره می‌کنند که می‌تواند به طور دائمی بماند یا به بیرون از جعبه از طریق هوا یا محیط مایع منتقل شود.

از آنجایی که پخش کننده های حرارتی قابلیت های محدودی دارند، به سرعت با سینک های حرارتی جایگزین شدند که امروزه استاندارد صنعتی هستند. موثرترین هیت سینک ها مستقیماً روی اجزای تولید کننده گرما با صفحه پایه فلاش نصب می شوند. با پیشرفت توسعه، باله هایی با طرح های مختلف (هر کدام ارزش منحصر به فرد دارند) به صفحه پایه لحیم شدند تا سطح موجود را به حداکثر برسانند. فرآیند تولید بیس پلیت از اکستروژن به ماشین یا دایکاست تغییر کرده است که باعث کاهش زمان تولید و اتلاف مواد می شود. مامان

از آلومینیوم صرفاً به مس برای موارد استفاده که به 40% رسانایی حرارتی بالاتر نیاز دارند تغییر یافت. شکل زیر یک مثال را نشان می دهد:

شکل 1. صفحه پایه هیت سینک از مس برای پشتیبانی از توان بالاتر استفاده می کند

فن‌آوری‌های خنک‌کننده همرفت زمانی به معماری سرور معرفی شدند که روش‌های خنک‌کننده رسانایی دیگر نمی‌توانستند صرفاً بارهای توان رو به رشد را پشتیبانی کنند. کانوکشن گرما را از طریق یک محیط مانند هوا یا مایع به خارج از سرور منتقل می کند. همرفت کارآمدتر از هدایت است. هنگامی که این دو با هم استفاده می شوند، یک سیستم موثر را تشکیل می دهند - رسانایی گرما را در یک مکان دور ذخیره می کند و سپس همرفت آن گرما را از سرور خارج می کند.

در این فرآیند معمولاً از فناوری هایی مانند فن ها و لوله های حرارتی استفاده می شود. تکامل فن آوری فن ها فوق العاده بوده است. از طریق تحقیق و توسعه قابل توجه، تولید کنندگان فن عمق فن، شعاع تیغه، طراحی تیغه و مواد را بهینه کرده اند تا ده ها پیشنهاد برای موارد استفاده منحصر به فرد ارائه دهند.

عواملی مانند جریان هوای مورد نیاز (CFM) و محدودیت های قدرت/آکوستیک/فضا/هزینه سپس طراحان را به مناسب ترین فن هدایت می کند. فن های با سرعت متغیر نیز برای کنترل سرعت فن بر اساس دمای داخلی و در نتیجه کاهش مصرف برق معرفی شدند. لوله های حرارتی نیز دستخوش تغییرات طراحی مختلفی برای بهینه سازی کارایی شده اند. محبوب ترین نوع دارای محفظه مسی، فتیله مس متخلخل و سیال خنک کننده است. امروزه آنها اغلب در پایه هیت سینک CPU تعبیه شده اند، تماس مستقیم با CPU برقرار می کنند و گرما را به بالای پره ها در یک هیت سینک از راه دور هدایت می کنند.

Layout به محل قرارگیری و موقعیت یابی اجزا در داخل سرور اشاره دارد. از آنجایی که نیازهای برق جزء با سرعتی سریعتر از پیشرفت فن آوری های انتقال و جابجایی افزایش می یابد، معماران مکانیکی تحت فشار قرار گرفتند تا طرح های چیدمان سیستم جدیدی را ابداع کنند که کارایی فناوری های خنک کننده موجود را به حداکثر برساند. برخی از اصول کلیدی در مورد بهینه سازی طراحی چیدمان در طول زمان تکامل یافته اند:

• رفع انسداد در مسیر جریان هوا
• تشکیل کانال های جریان هوا برای هدف قرار دادن اجزای مولد گرما
• متعادل کردن جریان هوا در سرور با چیدمان چیدمان سیستم به صورت متقارن

اتوماسیون یک رویکرد نرم افزاری جدیدتر است که برای فعال کردن کنترل دقیق تر بر زیرساخت سرور استفاده می شود. یک زیرساخت مستقل تضمین می‌کند که هم اجزای سرور و هم فن‌آوری‌های خنک‌کننده بر اساس نیازهای حجم کاری، تنها به اندازه‌ای که لازم است، کار می‌کنند. این امر مصرف برق را کاهش می دهد که باعث کاهش گرمای خروجی می شود و در نهایت شدت فناوری های خنک کننده اطراف را بهینه می کند.

همانطور که قبلا ذکر شد، سرعت متغیر فن سنگ بنای این حرکت بود و نوآوری های جالبی را به دنبال داشت. کنترل‌کننده‌های حلقه بسته تطبیقی برای کنترل سرعت فن بر اساس ورودی‌های حسگر حرارتی و ورودی‌های مدیریت توان تکامل یافته‌اند. قابلیت های دربندی قدرت، انطباق حرارتی را با حداقل تاثیر عملکرد در شرایط حرارتی چالش برانگیز تضمین می کند.

برای سرورهای Dell PowerEdge، iDRAC کاربران را قادر می‌سازد تا با ویژگی‌های داخلی مانند مصرف جریان هوای سیستم، دلتا-T سفارشی، دمای ورودی PCIe سفارشی، کنترل دمای اگزوز و تنظیم تنظیمات جریان هوای PCIe، چالش‌های حرارتی را از راه دور کنترل کرده و با آنها مقابله کنند. شکل زیر جریان این اتوماسیون های iDRAC را نشان می دهد:

شکل 2. اتوماسیون های حرارتی که توسط مدیریت سیستم های iDRAC اختصاصی Dell فعال شده اند

تکنیک های خنک کننده مرکز داده قدیمی

اگر هوای ورودی که توسط فن ها منتقل می شود سردتر از هوای گرم شده در سرور نباشد، انتقال حرارت از طریق همرفت بی فایده می شود. به همین دلیل، خنک کردن اتاق مرکز داده به اندازه خنک کردن سرور مهم است: این دو روش به یکدیگر بستگی دارند. سه رویکرد اصلی برای خنک‌سازی مرکز داده در طول زمان تکامل یافته است - طبقه‌های مرتفع، راهروهای سرد و گرم، و مهار، به ترتیب زمانی. طبقات مرتفع اولین رویکرد برای خنک کردن مرکز داده بود. در همان ابتدا از چیلرها و واحدهای تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر (CRAC) برای فشار دادن حجم زیادی از هوای خنک شده به مرکز داده استفاده می شد و همین کافی بود.

با این حال، توزیع هوا به‌شدت سازمان‌دهی نشده و بی‌نظم بود، بدون مسیر اختصاصی برای جریان هوای سرد یا گرم، که باعث ناکارآمدی‌های زیادی مانند گردش مجدد و طبقه‌بندی هوا شد. از آنجایی که برای برآوردن نیازهای روزافزون برق نیاز به تنظیمات بود، پلان کف مرکز داده به گونه‌ای طراحی شد که سیستم‌های کف برجسته با کاشی‌های سوراخ‌دار جایگزین کاشی‌های جامد شوند. این یک مسیر مطمئن برای هوای سرد ایجاد شده توسط واحدهای CRAC فراهم می‌کند تا در حین حرکت در زیر زمین تا زمانی که توسط فن‌های سرور به سمت بالا کشیده شود، خنک بماند.

سپس ترتیبات قفسه راهروهای سرد و گرم برای کمک به سیستم طبقه مرتفع در زمانی که نیازهای افزایش چگالی گرما و راندمان برآورده نشد، اجرا شد. این پیکربندی دارای ورودی‌های هوای خنک و خروجی‌های هوای گرم در هر انتهای ردیف سرور است. سپس جریانهای همرفتی تولید می شوند که به t کمک می کند