Несмотря на проблемы с интеграцией и цепочкой поставок, недавние полномасштабные внедрения и убедительная окупаемость инвестиций показывают, что двухфазное охлаждение переходит из нишевой области в массовую практику в центрах обработки данных с высокой плотностью размещения оборудования.

Центры обработки данных сталкиваются с обостряющимся тепловым кризисом, поскольку рабочие нагрузки в области искусственного интеллекта генерируют уровни тепла, с которыми традиционные системы воздушного охлаждения больше не справляются. Учитывая, что плотность размещения оборудования в стойках превышает 70 кВт — что было немыслимо еще несколько лет назад — эта растущая проблема приводит к фундаментальному изменению стратегий управления тепловыми процессами.

Двухфазное жидкостное охлаждение, ранее применявшееся только в специализированных высокопроизводительных вычислительных средах, теперь становится неотъемлемой частью работы центров обработки данных. Этот передовой метод охлаждения использует физику фазовых переходов для управления экстремальными тепловыми нагрузками , с которыми не справляются традиционные системы на основе воды. Однако, несмотря на многообещающие перспективы, сложность интеграции, ограничения в цепочке поставок и недостаточная осведомленность операторов замедлили его широкое внедрение.

Однако последние события свидетельствуют о том, что ситуация меняется. Например, компания DarkNX планирует развернуть технологию NeuCool от Accelsius в своем центре обработки данных мощностью 300 МВт в Онтарио. Тем временем компания OptiCool Technologies заключила партнерское соглашение с Intelisys для расширения доступа к своим двухфазным системам теплообменников с задней дверцей. Эти шаги знаменуют собой переход от экспериментальных испытаний для проверки концепции к полномасштабному серийному внедрению.

«Почему кто-либо мог ожидать, что центры обработки данных с одними из самых высоких тепловых потоков в ближайшие пять-десять лет не перейдут на двухфазное отопление?» — сказал Джош Кламан, генеральный директор Accelsius, в интервью. «Все остальные отрасли промышленности уже перешли на двухфазное отопление».

Физические преимущества двухфазного жидкостного охлаждения

Двухфазное жидкостное охлаждение обладает значительным преимуществом, поскольку использует физику фазовых переходов, а не механическую силу. При контакте диэлектрической жидкости с источниками тепла она переходит из жидкого состояния в парообразное, поглощая тепловую энергию в процессе фазового перехода. Этот механизм позволяет двухфазным системам справляться с тепловыми нагрузками, которые были бы невыносимы для однофазных систем охлаждения на основе воды.

«В системах на основе воды для перемещения дополнительного тепла требуется увеличение расхода или объема трубы, что создает естественные ограничения», — пояснил Мэтт Робертс, вице-президент по продажам компании OptiCool Technologies. «Двухфазные системы не сталкиваются с этими ограничениями, поскольку фазовый переход хладагента из жидкого состояния в парообразное выполняет эту работу за вас».

Клэман описал испытания при мощности 4500 ватт с чрезвычайно высоким тепловым потоком на каждый разъем. «Ограничения наших испытаний связаны с нашим лабораторным оборудованием, а не с нашей технологией», — сказал он. Кроме того, двухфазные системы работают с расходом, составляющим от одной пятой до одной девятой от расхода, необходимого для систем на водной основе, что снижает нагрузку на насосы и сложность системы.

Еще одно ключевое преимущество — улучшенный профиль безопасности. В отличие от воды, диэлектрические жидкости не проводят электричество, а это значит, что утечки не представляют риска повреждения серверов . «Если произойдет утечка, мы выпустим немного пара», — отметил Кламан. «Это безопасно для человека. В этой серверной жидкости можно купаться».

Компромиссы в интеграции

Внедрение двухфазных систем охлаждения требует достижения баланса между повышением производительности и сложностью реализации. 

Проблемы модернизации и обновления инфраструктуры

Двухфазные системы можно установить в существующих центрах обработки данных , но этот процесс далеко не прост. Франсуа Ле Скорне, консультант по экологически чистым технологиям из Carbonexit Consulting, объяснил, что модернизация на уровне стоек включает использование испарительных охлаждающих пластин или погружных баков, подключенных к вторичным контурам конденсатора. Такие установки требуют дополнительной инфраструктуры, включая новые коллекторы, системы хранения охлаждающей жидкости и механизмы мониторинга для управления фазовым поведением.

«Это, мягко говоря, совсем не просто», — сказал Ле Скорне. Системы с прямой подачей на чип в однофазном режиме по-прежнему используются чаще, в то время как двухфазные иммерсионные системы сталкиваются с проблемами, связанными с материалами и эксплуатацией.

Модульные системы для упрощения развертывания

Компания OptiCool Technologies преодолела эти барьеры интеграции, сделав акцент на модульности в конструкции своей системы. Архитектура состоит из трех основных компонентов: насосов, верхних коллекторов и теплообменников с задней дверцей, которые монтируются непосредственно на стеллажи. Робертс сравнил их с «блоками Лего», которые операторы могут сконфигурировать в соответствии с конкретными требованиями объекта.

«Элементы стандартизированы, но компоновка полностью гибкая, что дает операторам свободу проектировать систему под свои нужды, а не перепроектировать помещение под систему», — сказал Робертс. Теплообменники интегрируются с стойками любого производителя, что исключает необходимость замены существующей инфраструктуры.

Совместимость с существующими системами охлаждения

Для объектов, оборудованных системами охлаждения, системы OptiCool могут подключаться напрямую. В случаях, когда охлажденная вода недоступна, компания предлагает наружные блоки на основе DX, которые создают замкнутые системы.

Компания Accelsius использует аналогичный подход к интеграции. «Если в центре обработки данных используется жидкостное охлаждение, то наши системы готовы к подключению», — сказал Кламан. Системы могут работать параллельно с однофазными стойками с водяным охлаждением, используя тот же контур водоснабжения, но с большей эффективностью. В новых зданиях, специально спроектированных для двухфазного охлаждения, операторы могут снизить потребность в чиллерах, поскольку системы способны работать на более теплой воде из здания.

Расчет рентабельности инвестиций для двухфазного охлаждения

При оценке инвестиций в двухфазное охлаждение операторы часто полагаются на такие показатели, как эффективность использования электроэнергии (PUE) и ее локальный вариант, частичная эффективность использования электроэнергии (pPUE). Традиционные центры обработки данных с воздушным охлаждением обычно достигают значений PUE в диапазоне от 1,3 до 1,6 в зависимости от таких факторов, как климат и конструкция здания. В отличие от этого, зоны с двухфазным охлаждением могут достигать значений pPUE всего от 1,05 до 1,10 благодаря снижению нагрузки на вентиляторы и минимизации использования механических систем охлаждения.

«Окупаемость инвестиций становится очевидной, когда требуются стойки высокой плотности, поскольку жидкостные системы позволяют увеличить вычислительную мощность на квадратный метр и снизить зависимость от чиллеров», — сказал Ле Скорне.

Робертс представил сравнительный анализ OptiCool. По сравнению с системами кондиционирования воздуха в компьютерных залах (CRAC) и системами обработки воздуха в компьютерных залах (CRAH), двухфазное охлаждение обеспечивает меньшее энергопотребление и требует меньше технического обслуживания. «Это снижение годовых эксплуатационных расходов может привести к экономии до 90% по сравнению с традиционным управлением воздушным потоком», — сказал он.

Клэман подчеркнул повышение эффективности, которое может быть достигнуто в масштабе. «Если я обеспечил себе определенный энергетический потенциал в 100 МВт или гигаватт, я могу использовать большую его часть для вычислительных задач», — сказал он. «Если у вас центр обработки данных мощностью 100 МВт, и вы тратите 10 МВт впустую, возможно, это не имеет большого значения. Но если вы перейдете к мощности в 500 МВт или гигаватт, вы можете сэкономить электроэнергию, эквивалентную электроэнергии Цинциннати».

От проверки концепции до производства

Переход от тестирования к полномасштабному внедрению двухфазных систем охлаждения набирает обороты. По словам Кламана, три четверти текущего портфеля проектов Accelsius теперь составляют производственные возможности, а не сценарии проверки концепции. «Год назад почти все они были проектами проверки концепции, — сказал он. — Теперь большинство из них — это: „Мы довольны технологией и собираемся построить новый центр обработки данных“».

Эти изменения отражают растущее доверие к технологии двухфазного охлаждения. Компания Accelsius стратегически сосредоточилась на первопроходцах за пределами традиционно консервативного сектора центров обработки данных — компаниях, которые открыты для оценки технологии на основе ее преимуществ. «Мы ищем первопроходцев, которые действительно разбираются в информации, изучают данные, рассматривают решения и проводят объективное сравнение», — сказал Кламан.

Примечательно, что интерес проявляется со стороны секторов, которые исторически избегали систем водяного охлаждения из-за опасений по поводу возможных сбоев. «Мы получаем большой интерес от секторов, которые ранее боялись гидроохлаждения», — сказал Кламан, — «включая финтех, высокочастотную торговлю, банковское дело и авиакомпании, которые действительно не могут допустить катастрофического сбоя в своих центрах обработки данных».