ثورة الخوادم المبردة بالسائل بالكامل حلول تبريد فعالة لوحدة المعالجة المركزية والذاكرة ومنافذ PCIe

 

في ظل الخطة الخمسية الرابعة عشرة للصين، التي تؤكد على تطوير الاقتصاد الرقمي، تعمل مراكز البيانات كبنية أساسية أساسية تدعم التحول الرقمي، لكنها تواجه أيضًا ضغوطًا كبيرة في انبعاثات الكربون. مع زيادة استهلاك الطاقة في الرقائق والخوادم، ترتفع كثافة الطاقة لكل رف، وتصبح أنظمة التبريد بالهواء التقليدية محدودة تدريجيًا من حيث تبديد الحرارة وتحسين الطاقة.

 

▲ مراكز البيانات

 

التبريد السائل، كتقنية تبريد ناشئة، يستخدم سائل تبريد لنقل الحرارة الناتجة عن المكونات. وبالمقارنة بالتبريد الهوائي، يوفر التبريد السائل العديد من المزايا، بما في ذلك دعم الرقائق عالية الطاقة، وإطالة عمر الرقائق، وتقليل كفاءة استخدام الطاقة (PUE) لمراكز البيانات، وتحسين كفاءة نقل الحرارة، وتقليل البقع الحرارية، ودعم كثافات الرفوف الأعلى، وتقليل الضوضاء، وتحسين القدرة على التكيف البيئي. لذلك، سيصبح التبريد السائل جزءًا مهمًا من بناء مراكز البيانات في المستقبل، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق أهداف الحوسبة الخضراء والحياد الكربوني.

 

تتكون عقد الخوادم المبردة بالسائل بالكامل من هيكل العقدة، واللوحة الأم، وشرائح وحدة المعالجة المركزية، ووحدات الذاكرة، ولوحات الذاكرة الباردة، ولوحات وحدة المعالجة المركزية الباردة، ولوحات الإدخال والإخراج الباردة، وإمدادات الطاقة، ومبادلات الحرارة لإمدادات الطاقة.

 

 

تصميم اللوحة الباردة لوحدة المعالجة المركزية

 

تم تصميم وحدة اللوحة الباردة لوحدة المعالجة المركزية بناءً على متطلبات اللوحة الباردة القابلة للتطوير لمنصة Intel Xeon من الجيل الخامس. وهي تأخذ في الاعتبار عوامل مثل تبديد الحرارة والأداء الهيكلي والعائد والتكلفة والتوافق مع مواد مختلفة في تصميم اللوحة الباردة، مما يؤدي إلى تصميم مرجعي محسن. تتكون اللوحة الباردة لوحدة المعالجة المركزية في المقام الأول من دعامة من الألومنيوم ولوحة باردة وموصلات لوحة باردة.

 

▲ لوحة تبريد وحدة المعالجة المركزية

 

 

تصميم تبريد السائل للذاكرة II

 

يعتمد تصميم تبريد السائل بالذاكرة على مبدد حراري مبتكر لتبريد السائل، والذي سُمي بهذا الاسم بسبب تشابهه مع العوارض الخشبية على مسارات السكك الحديدية عندما تكون فتحات الذاكرة مشغولة بالكامل. يجمع هذا التصميم بين التبريد الهوائي التقليدي وتبريد اللوحة الباردة. ينقل المبدد الحراري، الذي يشتمل على أنابيب حرارية (أو مصنوعة من الألومنيوم/النحاس الخالص، أو غرفة البخار، وما إلى ذلك)، الحرارة من الذاكرة إلى كلا الطرفين، ثم يتصل باللوحة الباردة من خلال وسادات حرارية مختارة، مما يسمح للسائل المبرد في اللوحة الباردة بحمل الحرارة بعيدًا.

 

يمكن تجميع الذاكرة والمبدد الحراري في وحدة صيانة بسيطة (يشار إليها باسم وحدة الذاكرة) خارج النظام باستخدام التركيبات. تم تصميم اللوحة الباردة للذاكرة بهيكل لضمان اتصال جيد بين المبدد الحراري واللوحة الباردة للذاكرة. يمكن تأمين هذا الهيكل بالبراغي أو صيانته بدون أدوات حسب الحاجة. يعمل الجزء العلوي من اللوحة الباردة للذاكرة على تبريد الذاكرة، بينما يمكن للجزء السفلي تبريد مكونات أخرى تولد الحرارة على اللوحة الأم، مثل VR، مما يزيد من استخدام اللوحة الباردة للذاكرة. لتبسيط تصميم اللوحة الباردة، يمكن إدخال حامل محول بين الذاكرة واللوحة الأم لتلبية الخلوص الارتفاعي للوحات الأم المختلفة.

 

▲ لوحة تبريد الذاكرة

 

بالمقارنة مع حلول التبريد السائل القائمة على الأنابيب الموجودة في السوق، فإن تصميم التبريد السائل "بربطة السكك الحديدية" يتمتع بالمزايا التالية:

 

سهولة الصيانة:أثناء صيانة الذاكرة، تتم صيانة وحدة الذاكرة تمامًا مثل وحدة الذاكرة المبردة بالهواء، دون الحاجة إلى إزالة المبدد الحراري وأدوات التثبيت. وهذا يحسن بشكل كبير من كفاءة التجميع وموثوقيته مع تقليل الضرر المحتمل لشرائح الذاكرة والوسادات الحرارية أثناء التثبيت والإزالة.

 

التوافق الجيد: تلا يتأثر أداء التبريد باختلاف سمك شريحة الذاكرة أو المسافة بينها. يدعم الحل مسافة ذاكرة لا تقل عن 7.5 مم وهو متوافق مع الإصدارات الأعلى. يسمح التصميم المنفصل للمبدد الحراري واللوحة الباردة بإعادة استخدام وتوحيد الذاكرة المبردة بالسائل.

 

فعالية أعلى من حيث التكلفة:يمكن اختيار المشتت الحراري بناءً على استهلاك طاقة الذاكرة، ويمكن تكوين عدد المشتتات الحرارية وفقًا لمتطلبات الذاكرة. بالنسبة لمساحة ذاكرة تبلغ 7.5 مم، يمكن لهذا الحل تلبية احتياجات التبريد لوحدات الذاكرة التي يتجاوز استهلاكها للطاقة 30 وات.

 

سهلة التصنيع والتجميع:لا توجد أنابيب تبريد سائلة بين فتحات الذاكرة، مما يلغي الحاجة إلى لحام الأنابيب المعقدة والتحكم في العملية. يمكن تصنيع المشتت الحراري باستخدام تقنيات التبريد بالهواء التقليدية وتصنيع اللوحة الباردة القياسية لوحدة المعالجة المركزية. لا يتأثر الأداء الحراري بالتفاوتات بين المشتت الحراري واللوحة الأم في الاتجاه العمودي على مستوى شريحة الذاكرة، مما يجعل التجميع أسهل.

 

موثوقية عالية:يتجنب تصميم التبريد السائل "بربطة السكة الحديدية" التلف المحتمل لشرائح الذاكرة والوسادات الحرارية أثناء التجميع ويلبي متطلبات الإدخالات/الإزالة المتعددة. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يزيل خطر حدوث مشكلات في اتصال الإشارة بين الذاكرة والمقابس بسبب سوء المحاذاة، مما يعزز بشكل كبير من موثوقية النظام.

 

 

تصميم التبريد السائل لـ SSD III

 

ينقل حل التبريد السائل المبتكر لمحرك SSD الحرارة من منطقة محرك SSD عبر مشتت حراري مزود بأنابيب حرارية مدمجة. ثم تنتقل الحرارة إلى اللوحة الباردة خارج منطقة محرك SSD من خلال الاتصال المباشر بالوسادات الحرارية.

 

يتكون حل تبريد السائل SSD هذا بشكل أساسي من وحدة SSD مع مبدد حراري ولوحة تبريد SSD وآلية قفل وحدة SSD وقوس SSD. تضمن آلية القفل على قوس SSD التحميل المسبق المناسب للحفاظ على اتصال موثوق به طويل الأمد بين وحدة SSD واللوحة الباردة. لتسهيل التثبيت في الأماكن الضيقة، يعتمد قوس SSD تصميمًا على شكل درج في اتجاه عمق الخادم.

 

▲ تصميم التبريد السائل لـ SSD

 

وبالمقارنة بمحاولات تبريد السائل SSD الحالية، فإن التطورات في هذا الحل تشمل:

• يدعم أكثر من 30 عملية إدخال/إزالة قابلة للتبديل السريع دون الحاجة إلى إيقاف التشغيل.
• لا يوجد خطر حدوث ضرر بسبب القص لمواد الواجهة الحرارية أثناء تركيب SSD؛ حيث تضمن آلية القفل موثوقية الاتصال على المدى الطويل.
• تعقيد التصنيع منخفض، ويتطلب فقط عمليات التبريد الهوائي التقليدية وتصنيع اللوحة الباردة لوحدة المعالجة المركزية.
• لا توجد مسارات مائية بين محركات أقراص SSD، مما يسمح لمحركات أقراص SSD المتعددة بمشاركة لوحة باردة واحدة، مما يقلل من عدد الموصلات ويقلل من خطر التسرب.
• التكيف المرن مع سماكات SSD المختلفة وتكوينات النظام.

 

 

تصميم التبريد السائل لبطاقة NPCIe/OCP IV

 

1. حل التبريد السائل PCIe

يعتمد حل تبريد بطاقة PCIe السائل على بطاقة PCIe المبردة بالهواء الموجودة. ويحقق تبريد الوحدة الضوئية والرقائق الرئيسية على بطاقة PCIe من خلال تطوير وحدة تبريد تلامس اللوحة الباردة للنظام. تنتقل الحرارة من الوحدة الضوئية عبر أنابيب حرارية إلى وحدة المشتت الحراري الرئيسية على بطاقة PCIe، والتي تقوم بعد ذلك بتبديد الحرارة من خلال ملامسة اللوحة الباردة IO باستخدام مواد واجهة حرارية مناسبة.

 

تتكون بطاقة PCIe المبردة بالسائل بشكل أساسي من مشبك مبدد حراري QSFP ووحدة مبدد حراري لشريحة PCIe وبطاقة PCIe. يجب أن يتمتع مشبك QSFP بمرونة كافية لضمان ملامسة عائمة مناسبة أثناء التثبيت، مما يمنع تلف الوحدة الضوئية مع ضمان ملامسة جيدة لأداء تبريد مثالي.

 

▲ تبريد سائل PCIe

 

2. OCP 3.0 محلول التبريد السائل

إن حل التبريد السائل لبطاقة OCP 3.0 يشبه بطاقة PCIe. فهو يقوم بتخصيص مشتت حراري مبرد بالسائل لبطاقة OCP 3.0، حيث ينقل الحرارة من الرقائق الرئيسية للبطاقة إلى مشتت حراري مبرد بالسائل. ثم تتم إزالة الحرارة من خلال التلامس بين المشتت الحراري واللوحة الباردة IO للنظام.

 

تتكون وحدة التبريد السائل OCP 3.0 بشكل أساسي من وحدة مبدد حراري وبطاقة OCP 3.0 وحاملها. ونظرًا للقيود المكانية، تستخدم آلية القفل براغي زنبركية لضمان موثوقية الاتصال على المدى الطويل بين وحدة المبدد الحراري واللوحة الباردة IO.

 

▲ OCP 3.0 التبريد السائل

 

نظرًا للحاجة إلى الصيانة السهلة وعمليات الإدخال/الإزالة المتعددة القابلة للتبديل الساخن لبطاقة OCP 3.0، فقد تم تحسين آلية القفل ومواد الواجهة الحرارية لتحسين الموثوقية الشاملة وسهولة الصيانة.

 

 3. حل اللوحة الباردة IO 

اللوحة الباردة IO عبارة عن لوحة باردة متعددة الوظائف، حيث تقوم بتبريد ليس فقط مكونات توليد الحرارة في منطقة IO الخاصة باللوحة الأم ولكن أيضًا بطاقات PCIe وOCP 3.0 المبردة بالسائل.

 

▲ لوحة التبريد IO

 

تتكون اللوحة الباردة IO بشكل أساسي من هيكل من سبيكة الألومنيوم وأنابيب نحاسية لتدفق سائل التبريد وتعزيز تبديد الحرارة. يجب تحسين التصميم وفقًا لتخطيط اللوحة الأم ومتطلبات تبديد الحرارة. تتصل وحدات بطاقات PCIe وOCP 3.0 المبردة بالسائل باللوحة الباردة IO على طول مسارات محددة. يجب أن تكون مواد سائل التبريد متوافقة مع سائل التبريد وعوامل الترطيب في خط أنابيب النظام.

 

▲ لوحة التبريد IO

 

يلبي حل التبريد السائل للوحة الباردة IO احتياجات التجميع متعددة الأبعاد للعديد من المكونات، باستخدام مزيج من مواد النحاس والألومنيوم لحل مشكلات التوافق. ويضمن تبديد الحرارة بشكل فعال، ويقلل من وزن اللوحة الباردة بنسبة 60%، ويخفض التكاليف.

 

 

تصميم اللوحة الباردة لمصدر الطاقة V

 

يتكامل حل تبريد السائل لمصدر الطاقة مع مبادل حراري خارجي من الهواء إلى السائل مع مصدر الطاقة المبرد بالهواء (PSU) الحالي، مما يؤدي إلى تبريد الهواء الذي يطرده مروحة PSU وتقليل تأثير التسخين المسبق على بيئة مركز البيانات الخارجية.

 

يتميز المبادل الحراري الخلفي لوحدة إمداد الطاقة ببنية متعددة الطبقات مع قنوات تدفق وزعانف متداخلة. تم تحسين أبعاد المبادل الحراري لتلبية احتياجات المساحة والوظائف دون التأثير على توصيلات كابل وحدة إمداد الطاقة. يتم تثبيت المبادل الحراري بشكل مستقل على هيكل العقدة.

 

▲ مصدر الطاقة للتبريد السائل

 

يعمل حل التبريد السائل المبتكر لإمدادات الطاقة على التخلص من الحاجة إلى تطوير وحدات إمداد طاقة جديدة مبردة بالسائل، مما يؤدي إلى تقصير وقت التطوير وخفض التكاليف. تتيح قدرته العالية على التكيف تطبيقه بمرونة على تصميمات وحدات إمداد الطاقة المختلفة، مما يوفر أكثر من 60% مقارنة بوحدات إمداد الطاقة المبردة بالسائل المخصصة.

 

بالنسبة للتطبيقات التي تشتمل على رف كامل، يمكن استخدام مبادل حراري مركزي للهواء إلى السائل بدلاً من المبادلات الحرارية الخلفية الموزعة لكل وحدة إمداد بالطاقة. يحل هذا الهيكل المركزي محل المبادلات الحرارية الفردية لوحدات إمداد الطاقة، مما يوفر التبريد من خلال نظام يتكامل مع مسارات تدفق الهواء في الرف، مما يضمن عدم التأثير على بيئة غرفة الخادم.

 

يمكن لمبادل حراري مركزي واحد التعامل مع 8 كيلو وات من سعة التبريد، مما يدعم 150 وحدة حرارية بريطانية على الأقل.وحدات إمداد الطاقة. تتضمن المكونات الرئيسية للمبادل الحراري المركزي للهواء إلى السائل قلب المبادل الحراري، ومنافذ دخول وخروج المياه، وأنابيب التبريد النحاسية، وغلاف من الألومنيوم، وزعانف توجيه التدفق. يسمح هذا الإعداد بتبريد وحدات إمداد الطاقة بكفاءة وقابلية للتطوير في مراكز البيانات عالية الكثافة.

 

 

خاتمة

 

▲ خادم مبرد بالكامل بالسائل

 

إن تقنية التبريد السائل، كما يتضح من هذه التصميمات المحسّنة، تشكل مفتاحًا لإدارة زيادة إنتاج الحرارة في مراكز البيانات الحديثة مع تحقيق أهداف الكفاءة والاستدامة. وبفضل الابتكارات في حلول اللوحة الباردة لوحدات المعالجة المركزية والذاكرة وأقراص SSD وبطاقات PCIe/OCP وإمدادات الطاقة، تمهد هذه الخوادم المبردة بالسائل الطريق نحو مستقبل من مراكز البيانات الأكثر خضرة وأعلى أداءً.