تطوير ومناقشة تكنولوجيا هندسة مركز بيانات التبريد السائل

 

نظرًا لأن السعة الحرارية النوعية للسائل لكل وحدة حجم تبلغ حوالي 1,000 مرة من الهواء، فإن التبريد السائل (تبديد الحرارة) يتمتع بقدرة تبريد أكبر بكثير من تبريد الهواء التقليدي. إنه حل فعال لتبديد الحرارة الناتجة عن كثافات تدفق الحرارة العالية جدًا. في عام 1964، ومن أجل معالجة ارتفاع درجة حرارة وتوقف الحواسيب الكبيرة، طورت شركة IBM أول كمبيوتر مبرد بالماء في العالم، وهو System360، الرائد في أجهزة الكمبيوتر المبردة بالسوائل. في الآونة الأخيرة، مدفوعة بسياسات إدارة كفاءة الطاقة الوطنية والمحلية، اكتسبت تكنولوجيا التبريد السائل مرة أخرى اهتمامًا واسع النطاق في صناعة مراكز البيانات، مما أدى إلى تطوير سلسلة من التقنيات الهندسية لمراكز البيانات المبردة بالسوائل.

 

 

ط طرق تنفيذ التبريد السائل

 

بالمعنى الواسع، يشير التبريد السائل إلى جميع التقنيات المتعلقة بالتبريد السائل. الصناعة على دراية بطرق مثل تركيب ملفات الماء البارد على الألواح الخلفية للرفوف، والتي تعتبر تبريدًا سائلًا، وتندرج تحت المفهوم الواسع للتبريد السائل. قام المعهد الصيني للإلكترونيات (CIE)، أثناء تطوير سلسلة من معايير تصميم مراكز البيانات المبردة بالسوائل، بتوضيح مفهوم التبريد السائل من خلال مناقشات الصناعة. وفقًا لتعريفهم، يشير التبريد السائل على وجه التحديد إلى الإزالة المباشرة للحرارة الناتجة عن الرقائق الإلكترونية باستخدام السوائل، وبالتالي فإن التعريف الضيق للتبريد السائل يشير فقط إلى عملية التبريد داخل الخادم.

 

ومن منظور التعريف الضيق للتبريد السائل، يمكن تصنيفه إلى فئتين رئيسيتين: الاتصال المباشر لسائل التبريد بالشريحة الإلكترونية أو الاتصال غير المباشر عبر مادة صلبة ذات موصلية حرارية عالية. ويمكن بعد ذلك تقسيمها أيضًا بناءً على شكل التلامس ونوع سائل التبريد وما إذا كان سائل التبريد يخضع لتغير الطور. تعتبر طرق التبريد السائل عمومًا مقسمة إلى ثماني فئات (انظر الجدول 1).

 

▲ الجدول 1: تصنيف تنفيذ التبريد السائل

 

 

II الطلب على التبريد السائل في سيناريوهات مركز البيانات

 

مثل أنظمة تبريد الهواء التقليدية شائعة الاستخدام في مراكز البيانات، يتمثل دور التبريد السائل في إزالة الحرارة الناتجة عن معدات تكنولوجيا المعلومات مثل الخوادم ومعدات المرافق الأخرى (مثل بطاريات UPS) للحفاظ على بيئة مستقرة نسبيًا مع درجة حرارة ورطوبة مناسبة في مركز البيانات.

 

أولا، احتياجات تبديد الحرارة هي القوة الدافعة الأساسية وراء تطوير تكنولوجيا التبريد السائل. ومع النمو السريع للطلب على قدرات معالجة البيانات، فمن المرجح أن يستمر تكامل الرقائق الإلكترونية في النمو بشكل كبير في المستقبل. سيؤدي ذلك إلى زيادة كثافة الطاقة وكثافة التدفق الحراري. ستؤدي الحاجة إلى سرعات نقل بيانات أسرع وتعزيز راحة المستخدم إلى زيادة تكامل المعدات، الأمر الذي سيؤدي بدوره إلى زيادة متطلبات تبديد الحرارة لمعدات تكنولوجيا المعلومات مثل الخوادم. سيؤدي هذا أيضًا إلى زيادة المتطلبات البيئية للتشغيل. ونتيجة لذلك، سيتطلب تبريد الهواء مراوح ذات سرعة أعلى وقطر أكبر وقنوات أكبر لتبديد الحرارة، مما يؤدي إلى ضوضاء كبيرة وتأثير حراري أكبر على البيئة وزيادة تكاليف البناء والتشغيل. يوفر التبريد السائل نسبة أداء أفضل من حيث التكلفة.

 

ثانياً، تدفع سياسات إدارة كفاءة الطاقة إلى اعتماد تكنولوجيا التبريد السائل. سبب آخر مهم لتركيز صناعة مراكز البيانات على التبريد السائل هو سياسات إدارة كفاءة الطاقة الوطنية والمحلية. أصبحت المتطلبات الوطنية والمحلية لكفاءة استخدام الطاقة في مركز البيانات (PUE) أكثر صرامة، مما يسلط الضوء على التبريد السائل في صناعة مراكز البيانات. يتطلب أحدث المعايير الوطنية، القيم الحدية لكفاءة الطاقة في مركز البيانات ودرجات كفاءة الطاقة (GB 40879-2021)، أن يكون استهلاك الطاقة أقل من 1.3، وهو أمر يصعب تحقيقه باستخدام تبريد الهواء وحده في معظم أنحاء البلاد، مما يستلزم استخدام تكنولوجيا التبريد السائل.

 

ثالثًا، قد تؤدي سهولة استعادة الحرارة المهدرة إلى اعتماد التبريد السائل في مراكز البيانات. تتميز مراكز البيانات المبنية باستخدام حلول التبريد السائلة بجودة أعلى نسبيًا من الحرارة المهدرة ويسهل استعادتها. تعد مشاريع استعادة الحرارة المهدرة في مراكز البيانات المبردة بالسوائل وسيلة فعالة لتحقيق الاستخدام الشامل للطاقة وتحسين كفاءة الطاقة. وقد اقترح بعض العلماء بالفعل فكرة بناء مراكز بيانات واسعة النطاق كمصادر للحرارة للمدن أو المجمعات الصناعية.

 

 

III تطوير تكنولوجيا هندسة مركز البيانات المبرد بالسائل

 

إن عملية إزالة الحرارة الناتجة عن الرقائق الإلكترونية من خلال التبريد السائل هي مجرد بداية لعملية التبريد في مركز البيانات. يتطلب توليد الحرارة المستمر من الرقائق الإلكترونية تشغيلًا مستدامًا ومستقرًا وموثوقًا لتقنية هندسة مركز بيانات التبريد السائل للحفاظ على تبريد الرقاقة.

 

تختلف مبادئ وممارسات التبريد السائل عن التبريد بالهواء. على وجه التحديد، تظهر مفاهيم تبديد الحرارة والتبريد اختلافات طفيفة: تبدأ من درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة أو أقل من درجة حرارة الغرفة. لتنظيم إطار تكنولوجيا هندسة مراكز البيانات المبردة بالسوائل بشكل أفضل، يتم النظر إلى الرقائق الإلكترونية على أنها المصدر، بهدف نقل الحرارة الناتجة عن الرقائق إلى خارج مركز البيانات، مما يضمن التشغيل المستقر لمعدات تكنولوجيا المعلومات. وبالتالي، تنقسم تكنولوجيا هندسة مراكز البيانات المبردة بالسوائل إلى عمليات تبريد أولية وثانوية. يختلف هذا المفهوم عن الجانبين الأساسي والثانوي لتبريد الهواء التقليدي لمركز البيانات.

 

تعمل عملية التبريد الأولية لتكنولوجيا هندسة مراكز البيانات المبردة بالسوائل على تبريد المكونات عالية الكثافة لتدفق الحرارة لمعدات تكنولوجيا المعلومات الإلكترونية وتنقل الحرارة المتولدة خارج الحامل. ويشار إليه أيضًا بالتبريد الأولي (تبديد الحرارة)، أو التبريد الأولي، أو التبريد الداخلي، أو تبريد الدورة الدموية الداخلية. عملية التبريد الأولية هي عملية تبريد سائلة بشكل صارم، وتتضمن عادةً حلقة مغلقة من معدات أو مكونات التبريد السائل في نهاية الشريحة، ووحدة توزيع التبريد (CDU)، وموزعات سائل التبريد، وخطوط الأنابيب. تحتوي وحدة توزيع التبريد (CDU) على مضخات ومبادلات حرارية، مما يوفر قوة الدوران لسائل التبريد. تتضمن عملية التبريد الأولية النموذجية تدوير درجة حرارة معينة وتدفق سائل التبريد من وحدة CDU إلى معدات التبريد السائل أو المكونات الموجودة في نهاية الشريحة. يقوم المبرد بتبادل الحرارة مع الرقائق من خلال الاتصال المباشر أو الاتصال غير المباشر عبر المواد ذات الموصلية الحرارية العالية مثل المعادن. ثم يتدفق سائل التبريد أو بخار سائل التبريد الساخن ذو درجة الحرارة العالية مرة أخرى إلى وحدة CDU عبر خطوط الأنابيب، حيث يتبادل الحرارة مع المبرد الثانوي. بعد التبريد، يتم إرجاع سائل التبريد ذو درجة الحرارة المنخفضة مرة أخرى إلى معدات التبريد السائل أو المكونات الموجودة في نهاية الشريحة بواسطة وحدة CDU، لاستكمال دورة كاملة. تشتمل المبردات الشائعة المستخدمة في عملية التبريد الأولية على محاليل جلايكول الإيثيلين، ومحاليل البروبيلين جلايكول، والماء منزوع الأيونات، وما إلى ذلك، وتستخدم بعض المحاليل السوائل المفلورة، على الرغم من أن المتطلبات الفيزيائية للمبردات تختلف بشكل كبير عبر محاليل التبريد السائلة المختلفة.

 

وحدة توزيع التبريد (CDU) هي قطعة من المعدات شائعة الاستخدام. يظهر الشكل 1 بنية CDU النموذجية. بالإضافة إلى توفير قوة الدوران والتبادل الحراري لسائل التبريد في عملية التبريد الأولية، يؤدي هذا الجهاز أيضًا دور توزيع طاقة التبريد (وليس فقط تدفق سائل التبريد). ولذلك، فإنه عادة ما يكون له الوظائف التالية:

 

1) التحكم في درجة الحرارة والتدفق: مراقبة ديناميكية لدرجة حرارة سائل التبريد وتدفقه في عملية التبريد الأولية عبر مستشعرات درجة الحرارة والتدفق. استنادًا إلى النماذج المدمجة، تقوم وحدة CDU بضبط درجة حرارة سائل التبريد أو التدفق أو ضغط الإمداد ديناميكيًا لتوفير قدرة تبريد كافية مع تجنب التكثيف في حلقة التبريد الأولية.

2) ضمان الفصل المادي بين المبرد الأولي والمبرد الثانوي.

3) ترشيح سائل التبريد عبر الإنترنت أو تجاوزه.

4) دعم إدارة الشبكة.

 

▲ الشكل 1: بنية وحدة توزيع التبريد النموذجية (CDU).

 

تقوم عملية التبريد الثانوية لتقنية هندسة مركز البيانات المبردة بالسوائل بنقل الحرارة التي تمت إزالتها بواسطة عملية التبريد الأولية إلى خارج مركز البيانات، والمعروف أيضًا باسم التبريد الثانوي، أو التبريد الخارجي، أو تبريد الدورة الدموية الخارجية، أو تبديد الحرارة. يمكن أن يكون المبرد الثانوي في هذه العملية هو الهواء، أو ماء التبريد، أو المحاليل ذات الأساس المائي (على سبيل المثال، محاليل جلايكول الإيثيلين، أو محاليل الجلسرين)، أو مواد التبريد، والتي يشار إليها مجتمعة باسم المبردات الثانوية. إذا تم استخدام الهواء كمبرد ثانوي، فإن عملية التبريد الثانوي تشبه عملية التبريد التقليدية داخل مركز البيانات. إذا تم استخدام محلول مائي، يدور المبرد الثانوي فيما يسمى بحلقة التبريد الثانوية.

 

يحدث التبادل الحراري بين حلقات التبريد الأولية والثانوية في وحدة CDU. بعد التبادل الحراري في وحدة CDU، يدخل المبرد الثانوي ذو درجة الحرارة العالية إلى مصدر تبريد أو معدات استعادة الحرارة المفقودة، مما ينقل الحرارة إلى البيئة أو يتيح إعادة استخدامها. ثم يتدفق المبرد الثانوي مرة أخرى إلى المبادل الحراري بعد التبريد، ليكمل دورة كاملة. يمكن أن يكون مصدر التبريد عبارة عن برج تبريد، أو مبرد جاف، أو مبرد، وما إلى ذلك. نظرًا لأن عملية التبريد الأولية تسمح لدرجة حرارة مدخل المبرد الثانوي بالوصول إلى 30 درجة أو أعلى، يمكن أن يعمل مصدر التبريد فقط على التبريد الطبيعي، وهو ما يفسر سبب التبريد السائل يمكن للتكنولوجيا تحقيق فعالية استخدام الطاقة المثالية نسبيًا (PUE). يظهر الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا نموذجيًا لتكنولوجيا هندسة التبريد السائل.

 

▲ الشكل 2: مخطط تكنولوجيا هندسة التبريد السائل

 

تستخدم بعض تقنيات التبريد السائل تصميمًا يعتمد فقط على عملية التبريد الأولية، حيث يقوم المبرد بنقل الحرارة مباشرة إلى البيئة. ومع ذلك، في معظم الحالات، يتطلب ذلك معايير نقاء فيزيائية عالية لسائل التبريد، مما يؤدي إلى زيادة التكاليف. إذا كانت خطوط الأنابيب طويلة جدًا، فسيتأثر اقتصاديات النظام بشكل عام. ولذلك، فإن تصميمات التبريد الأولية هي الأنسب للتكوينات المدمجة.

 

 

رابعاً - مناقشة اتجاهات التطوير المستقبلية لمراكز البيانات المبردة بالسائل

 

وبشكل عام، فإن التطوير المستقبلي لمراكز البيانات المبردة بالسوائل لا يزال ينطوي على عدم اليقين.

 

أولاً، ستظل القوة الدافعة لتعزيز تكنولوجيا التبريد السائل تعتمد في المقام الأول على متطلبات التبريد (تبديد الحرارة) لمعدات تكنولوجيا المعلومات. ومع ذلك، فإن هذا مبني على التنبؤات بالاتجاهات المستقبلية في تطوير الرقائق الإلكترونية، بالإضافة إلى الافتراض بأن فعالية تكنولوجيا التبريد السائل من حيث التكلفة ستؤسس تدريجيًا لميزة على تكنولوجيا تبريد الهواء. ومع ذلك، لا يزال هناك احتمال أن تؤدي التكاليف المرتفعة للتبريد السائل إلى تصميمات شرائح بديلة تقلل من متطلبات التبريد وتبديد الحرارة.

 

ثانيًا، يختلف نموذج بناء واستخدام مراكز البيانات المبردة بالسوائل بشكل كبير عن مراكز البيانات التقليدية المبردة بالهواء. إن ما يميز مراكز البيانات المبردة بالسوائل هو الدرجة العالية من الاقتران بين معدات تكنولوجيا المعلومات والبنية التحتية. وفيما يتعلق بالمبادئ التقنية وضمان الموثوقية، فإنها لا تستطيع في الأساس تحقيق نفس مستوى الفصل الذي تحققه مراكز البيانات التقليدية المبردة بالهواء. ونتيجة لذلك، يعمل بائعو الحلول التقنية والمعدات المختلفة بشكل مستقل إلى حد كبير عن بعضهم البعض. من المرجح أن يصبح مالكو مراكز البيانات مرتبطين ارتباطًا وثيقًا بمزود حلول تقنية محدد. يمكن النظر إلى تطبيق تكنولوجيا التبريد السائل في مراكز البيانات على أنه يتطور بناءً على تعطيل النموذج التجاري الأصلي، ونموذج البناء، والنموذج الصناعي لمراكز البيانات التقليدية المبردة بالهواء. خدمات تأجير الخزانات التقليدية لا تنطبق إلى حد كبير على مراكز البيانات المبردة بالسوائل. وهذا يمثل عقبة كبيرة أمام مواصلة تعزيز تكنولوجيا التبريد السائل.

 

ثالثًا، لا تزال موثوقية مراكز البيانات المبردة بالسوائل تتطلب التحقق من صحتها. على الرغم من أن موفري حلول مراكز البيانات المبردة بالسوائل الحاليين قد اقترحوا حلولاً مثل اختبار الموثوقية المعزز وإضافة أجهزة كشف التسرب والإنذار لسائل التبريد، إلا أن المخاوف بشأن التسربات المحتملة في حلقة التبريد السائل داخل الخزانة، مما يؤدي إلى تلف معدات تكنولوجيا المعلومات، يبقى موضوعا للقلق على نطاق واسع في هذه الصناعة.

 

ويعتمد حل هذه الشكوك بشكل كبير على حجم التطبيق. لحل هذه المشكلة التي تبدو غير قابلة للحل، فإن احتكار السوق والسيطرة على الصناعات الأولية والنهائية، والتي ثبت مرات لا تحصى أنها تنتهك قوانين التنمية الاقتصادية، ليس هو الحل. لقد أظهر التاريخ مراراً وتكراراً أن أولئك الذين يستطيعون أولاً إنشاء سلسلة صناعية ونظام بيئي قائم على تقسيم العمل والتعاون هم الأكثر احتمالاً للنجاح في المنافسة. قبل العثور على مسار تقني يفصل معدات تكنولوجيا المعلومات عن البنية التحتية، لن يكون توحيد المعايير حلاً سحرياً لمشكلة الفصل، ولن يكون وسيلة فعالة للحد من المنافسين أو مهاجمتهم. ومع ذلك، فإن استخدام التقييس كأداة لتعزيز عملية الفصل بشكل مطرد على أساس إيجاد أرضية مشتركة مع الحفاظ على الاختلافات، وتبادل الخبرات بشكل فعال، وتعزيز الفصل بين عمليات التصنيع والخدمات لتحقيق التخصص والصقل، يمكن أن يساعد في تقليل تكاليف التطبيق الإجمالية. قد يؤدي التحسين المستمر من خلال اختبار التطبيقات إلى تكوين حلقة ردود فعل إيجابية تعمل على توسيع نطاق التبريد السائل، ومن المحتمل أن تصبح المسار الضروري لتطوير تكنولوجيا التبريد السائل.

 

 

الاستنتاج الخامس

 

اعتمادًا على عوامل مثل توافق الخادم، ونوع المبرد، ودرجة حرارة تشغيل التبريد السائل، تختلف التقنيات الهندسية لمراكز البيانات المبردة بالسوائل وفقًا لذلك. في الوقت الحالي، لا تزال التقنيات الهندسية تحت كل مسار تقني في مرحلة التطوير والانتهاء، ولا يوجد حتى الآن طريق تقني مثالي معترف به في الصناعة. ولا يوجد إجماع على الحقول الفرعية المحددة القابلة للتطبيق لكل مسار تقني. سيعتمد البحث عن اليقين المطلق على عوامل مثل الاقتصاد والموثوقية وقابلية الصيانة لتكنولوجيا هندسة مراكز البيانات المبردة بالسوائل، بالإضافة إلى إيجاد الحلول المثلى من خلال التطبيق العملي المستمر.