Nieuwe IT-toepassingen zoals parallelle gpu-computertoepassingen, continue diensten en realtime-datasynchronisatie zijn toepassingen die veel rekenkracht vereisen en daarmee grote uitdagingen vormen voor rekencentra. Beheerders zijn daarom op zoek naar nieuwe en realistische, energie-efficiënte koelopties.
Twee-fasen en een-fase vloeistof-immersie-koeling
GIGABYTE heeft verder gekeken dan conventionele luchtkoeling en is al in een vroeg stadium begonnen met onderzoek te doen naar vloeistofkoelsystemen. GIGABYTE heeft daarvoor twee-fasen en een-fase vloeistofimmersiesystemen ontwikkeld. Deze twee systemen klinken misschien hetzelfde, maar hebben totaal verschillende werkingsmodellen. Geen van beide producten heeft een absoluut voordeel ten opzichte van het andere. Alles hangt af van het investeringsplan en de prestatie-eisen van de gebruiker.
Hoe de twee koeltechnologieën werken
Twee fasen en een fase vloeistofkoelsystemen maken beide gebruik van een niet-geleidende vloeistof, die effectievere warmtegeleidingseigenschappen heeft dan lucht, en dus efficiënter kan koelen. Bij vloeistof-immersie komt de vloeistof rechtstreeks in contact met de warmtebron voor een betere warmteafvoer. Bovendien vereisen beide koelstructuren geen koelribben en ventilatoren in de IT-apparatuur, en er is geen airconditioningsysteem in de serverruimte (CRAC & CRAH) of verhoogde toegangsvloer nodig.
Twee-fasen-systeem voor vloeistof-immersie
Bij een twee-fasen immersie-koelsysteem wordt de apparatuur (server) geïnstalleerd in een speciaal ontworpen afgesloten tank die een niet-geleidend vloeibaar medium gebruikt. Er worden vloeistoffen met een laag kookpunt gebruikt, zodat de door de servers gegenereerde warmte gemakkelijk een faseverandering kan veroorzaken waarbij de vloeistof die de componenten omgeeft, gaat koken en verdampen.
Twee-fasen vloeistof-immersie koelingssysteem
De warmte wordt afgevoerd en de damp slaat neer als condens op condensatorspoelen binnen de afgesloten tank. De vloeistof ondergaat dus weer een faseverandering en keert terug naar een vloeibare toestand. Daarom wordt het ‘twee fasen’ vloeistof-immersiekoeling genoemd. De afgesloten tank houdt het proces van faseverandering in stand door middel van omgevingscontrole, en de warmte-uitwisseling gaat door.
Een-fase-systeem voor vloeistof-immersie
Bij een een-fase-systeem wordt de server eveneens geïnstalleerd in een tank met een niet-geleidend vloeibaar medium, meestal een vloeistof op basis van koolwaterstof. De warmte die de componenten in de servers genereren, wordt direct afgegeven aan de vloeistof.
Een-fase vloeistof-immersie koelingssysteem
In tegenstelling tot immersiekoeling in twee fasen, vereist dit type systeem een pomp voor het verplaatsen van de vloeistof, een zogenaamde coolant distribution unit (CDU). Deze zuigt de vloeistof in het koelapparaat te zuigen voor koeling. Vervolgens loopt de vloeistof in een volgende stap nog door een extra warmteafvoerinstallatie om de warmte-uitwisselingscyclus te voltooien. De vloeistof in dit type immersiesysteem heeft juist een hoog kookpunt en is niet vluchtig, zodat de vloeistoftank van een een-fase-koelsysteem geen strikt gesloten ontwerp en omgevingscontroles vereist.
Complexiteit van de systemen
Het grootste verschil in kosten tussen twee-fasen en een-fase immersiekoelsystemen hangt samen met de vloeistof en het omgevingscontrolesysteem voor een vloeistoftank. 3M is momenteel de belangrijkste leverancier van niet-geleidende vloeistoffen op basis van fluorkoolstoffen. De vloeistof voor een-fase immersiekoeling wordt gewoonlijk bereid met koolwaterstoffen.
Het ontwerp van immersiesystemen in twee fasen is relatief complex en heeft hogere installatiekosten. Er is voor warmteconvectie weliswaar geen extra pomp nodig, maar het vereist een strikt afgesloten ontwerp en omgevingscontroles om de verdamping- en condensatieprocessen van het systeem in stand te houden. Het koelmedium gaat in principe niet verloren omdat het een gesloten systeem betreft, een deel zal toch verloren gaan omdat de tank geopend moet worden tijdens het onderhoud van de apparatuur. Door het verlies van het medium op deze momenten, stijgen de bedrijfskosten. Het Lawrence Berkeley National Laboratory heeft een studie uitgevoerd en vastgesteld dat de kosten van het bijvullen van verdampte vloeistof de energiebesparing door twee-fasen immersiekoeling teniet doen.
De grootste uitdaging voor twee-fasen immersiekoelsystemen is dus het ontwerpen van een gesloten systeem dat gemakkelijk te onderhouden is het verdampen van het medium tot een minimum reduceert.
Vanwege de lage vluchtigheid van het medium in een een-fase immersiekoelsysteem, is de constructie van de tank relatief eenvoudig. De vloeistof op basis van koolwaterstof is die transparant, reukloos en niet-giftig is, en wordt al veel gebruikt in de cosmetica.
Koelingsefficiëntie
In termen van koelingsefficiëntie presteren beide vormen van immersiekoeling veel beter dan luchtgekoelde datacenters. In sommige datacenters die momenteel in bedrijf zijn, is aangetoond dat twee-fasen immersiekoelsystemen een Power Usage Effectiveness (PUE) score van 1,02 halen. Wanneer een-fase immersiekoelsystemen worden aangesloten op een extern koelsysteem kan de PUE-score oplopen tot 1,03. Ter vergelijking: luchtkoelsystemen hebben een PUE tussen 1,4 en 1,7, wat nog steeds efficiënt is, maar immersiekoeling heeft aangetoond dat er ruimte is voor verbetering van de efficiëntie.
Betrouwbaarheid van vloeistofimmersiekoeling
Twee-fasen en een-fase immersiekoelsystemen zijn ontwikkeld als reactie op ICT-ontwikkelingen om de betrouwbaarheid van IT-apparatuur te vergroten en tegelijkertijd flexibel inzetbaar te zijn. Een van de redenen daarvoor is dat er voor vloeistofimmersie niet een complexe luchtkoelingsinfrastructuur nodig is, die conventionele systemen vereisen. Het reduceert de hoeveelheid apparatuur die moet worden geïntegreerd. Bovendien hoeven er geen onderdelen te worden ingezet die instabiliteit kunnen veroorzaken, zoals ventilatoren. Bij vergelijking van de betrouwbaarheidsgegevens van vloeistofkoeling met conventionele luchtgekoelde datacenters blijkt dat de gemiddelde tijd tussen storingen (Mean Time Between Failures, MTBF) bij immersiekoeling aanzienlijk toeneemt.
Immersiesystemen hebben geen ventilatoren nodig. Er zijn geen trillingen van ventilatoren die onderdelen kunnen beschadigen, wat resulteert in minder extra onderhoud. Het GIGABYTE Server Management (GSM) softwarepakket, dat Redfish API ondersteunt, kan worden gebruikt voor handig serverruimtebeheer voor hybride rekencentra. Dat maakt bijvoorbeeld twee-fasen immersiekoelsystemen de beste optie voor het inzetten van edge-computingstations in afgelegen gebieden.
Een-fase koelsystemen kunnen ook gebruik maken van de aanwezige koelwatervoorziening van een gebouw om de efficiëntie van de warmteafvoer te verbeteren. Hoewel een-fase immersiesystemen een extra pomp nodig hebben, is het hoofddoel het medium te laten stromen om de warmte van de componenten te helpen verwijderen, net zoals snelle ventilatoren dat doen in een volledig luchtgekoelde server. Echter biedt het een computeromgeving die veel stabieler en betrouwbaarder is dan een volledig luchtgekoeld systeem.
Conclusie
Vloeistofimmersiekoeling heeft een solide theoretische basis die aantoont dat het systemen die hoge prestaties leveren effectief koel kan houden. Twee-fasen en een-fase immersiekoelsystemen voor vloeistofonderdompeling hebben elk hun eigen voordelen.
De kosten van deze twee types zijn relatief hoog en er is vaak veel maatwerk nodig om aan de vele verschillende toepassingsvereisten te voldoen. GIGABYTE heeft echter via toonaangevende experimenten en projecten het vermogen verworven om servers te leveren die geschikt zijn voor vloeistof-immersiekoeling.
Bovendien heeft GIGABYTE ook experimenten uitgevoerd op het gebied van omgevingscontroles en samengewerkt met verschillende partners voor de integratie van apparatuur om manieren te vinden om de kosten te verlagen. GIGABYTE is in staat om de werking en ontwikkeling voor bedrijven, overheid, onderwijs en telecombedrijven te ondersteunen, zodat klanten de verschillende uitdagingen in toekomstige operaties en inzet gemakkelijk aankunnen.
