تقنية التبريد بالغمر: مستقبل إدارة حرارة مراكز البيانات

مع ارتفاع استهلاك طاقة الرفوف إلى مستويات غير مسبوقة، يشهد قطاع مراكز البيانات تحولاً هائلاً. بفضل تطبيقات الذكاء الاصطناعي (AI) والحوسبة عالية الأداء (HPC) كثيفة الحوسبة، انتقلت مراكز البيانات بسرعة من استخدام استراتيجيات التبريد الهوائي للرفوف التي تستهلك ما بين 10 و20 كيلوواط، إلى أنظمة تبريد قادرة على التعامل مع رفوف بقدرة 120 كيلوواط، مدعومة بشرائح Grace Blackwell الفائقة من NVIDIA، لتلبية احتياجات التبريد لخزانة خادم واحدة فقط!

لم تعد تقنية التبريد الهوائي التقليدية كافية لتلبية متطلبات تبديد الحرارة العالية هذه، مما يمهد الطريق لتطوير حلول تبريد سائل متقدمة. تنقسم خيارات التبريد السائل السائدة حاليًا إلى فئتين رئيسيتين:"مباشرة إلى الشريحة"و"غمر"التبريد. على عكس طرق التبريد الهوائي التقليدية، تستخدم هذه التقنيات وسائط سائلة مثل الماء أو السوائل العازلة لتبديد الحرارة من المعدات.

تستكشف هذه المقالةتقنية التبريد بالغمر، من خلال تحليل مبادئ عملها ومزاياها وتحدياتها وتطبيقاتها المحتملة في البيئات عالية الطاقة.

تقنية التبريد بالغمر: مكونات مغمورة بالكامل

تقنية التبريد بالغمر تغمر الخوادم والمكونات الإلكترونية الأخرى بالكامل في سائل عازل. مع توليد الجهاز للحرارة أثناء التشغيل، تنتقل هذه الحرارة إلى وسط التبريد المحيط. يرتفع السائل الساخن إلى السطح، ثم يُوجَّه إلى نظام التبريد لتبديد الحرارة، ثم يعود إلى خزان السائل الأصلي الذي يحتوي الجهاز.

هناك نوعان من التبريد بالغمر:

1. التبريد بالغمر أحادي الطور

يغمر هذا النظام جميع الخوادم ومعدات تكنولوجيا المعلومات بالكامل في سائل عازل. عندما ترتفع درجة حرارة مكونات مثل وحدات المعالجة المركزية (CPU) أو وحدات معالجة الرسومات (GPU)، يمتص السائل الحرارة المتولدة. ثم يُضخ السائل الساخن إلى وحدة تبادل حراري حيث يُبرّد، ثم يُعاد إلى خزان سائل الجهاز.

المزايا:

●امتصاص الحرارة الكامل:يتم تجميع كل الحرارة التي تولدها الخوادم (وحدة معالجة الرسومات، ووحدة المعالجة المركزية، ووحدات الذاكرة، وما إلى ذلك) وتبديدها بواسطة نظام التبريد.

●سائل عازل:يضمن بقاء المكونات محمية من الدوائر القصيرة.

التحديات:

●قيود الطاقة التصميمية الحرارية (TDP):عندما يتجاوز TDP لوحدة معالجة الرسومات 700 وات، فقد يواجه الغمر أحادي الطور صعوبة في توفير التبريد الفعال.

●الاستثمار في البنية التحتية:يتطلب إعادة تصميم البنية التحتية لمراكز البيانات استثمارات كبيرة، بما في ذلك خزانات السوائل الكبيرة والثقيلة. وهذا يجعلها أكثر ملاءمة لمراكز البيانات الجديدة أو المنشآت القائمة التي يمكنها استيعاب عمليات التجديد والتعزيزات الهيكلية واسعة النطاق.

●التوافق مع السوائل العازلة:يجب أن تكون جميع المكونات (الخوادم، والموصلات، ولوحات الدوائر المطبوعة، إلخ) متوافقة مع السائل العازل لتجنب التلف. وهذا يتطلب غالبًا معدات مخصصة أو تعديلات على الخوادم.

●التصميمات الميكانيكية الجديدة:بعض مكونات الخادم، مثل موصلات الألياف الضوئية، لا تعمل بشكل صحيح في بيئة الغمر وتحتاج إلى تعديلات ميكانيكية.

●خطر الحريق:السوائل المستخدمة في التبريد بالغمر، والتي غالبًا ما تكون على أساس الهيدروكربون، قابلة للاشتعال وتشكل مخاطر كبيرة في حالة نشوب حريق في مركز البيانات.

●صعوبات الصيانة:تتطلب أي أعمال صيانة استخدام الرافعات لإزالة الخوادم من خزان السائل، يليها فترة انتظار مدتها 30 دقيقة حتى يتم تصريف السائل قبل أن تبدأ عمليات الإصلاح.

●قضايا التلوث:إذا أصبح سائل التبريد ملوثًا (على سبيل المثال، الماء)، فيجب تصريف الخزان وتنظيفه، مما قد يؤدي إلى توقف التشغيل لمدة تصل إلى يوم واحد.

2. التبريد بالغمر ثنائي الطور

على غرار نظام الغمر أحادي الطور، يغمر هذا النظام الخوادم ومعدات تكنولوجيا المعلومات في سائل عازل. ومع ذلك، عندما تسخن المكونات، يبدأ السائل بالغليان ويُنتج بخارًا. يرتفع هذا البخار إلى أعلى خزان السائل، حيث تُركّب شبكة أنابيب مياه التبريد. يتكثف البخار عند ملامسته لأنابيب التبريد، ويتحول إلى سائل مجددًا ويتساقط عائدًا إلى الخزان. في هذه الأثناء، يحمل الماء الساخن في أنابيب التبريد الحرارة بعيدًا عن المعدات وخارج مركز البيانات.

المزايا:

●امتصاص الحرارة الكامل:مثل الغمر أحادي الطور، يمتص هذا النظام كل الحرارة من الخوادم (وحدة معالجة الرسومات، ووحدة المعالجة المركزية، ووحدات الذاكرة، وما إلى ذلك) بالكامل لتحقيق تبريد فعال.

●يدعم TDPs العالية:يمكن للتبريد بالغمر ثنائي الطور التعامل مع أحمال حرارية أعلى بكثير مقارنة بالأنظمة أحادية الطور.

●سائل عازل:يمنع حدوث قصر الدائرة الكهربائية، مما يضمن التشغيل الآمن للمعدات.

التحديات:

●التوافق مع السوائل العازلة:على غرار الغمر أحادي الطور، يجب أن تكون جميع المكونات متوافقة مع السائل العازل لتجنب التلف، مما يتطلب معدات متخصصة أو تعديلات على الخادم.

●أضرار التجويف:يمكن أن تؤدي عملية الغليان في الأنظمة ثنائية الطور إلى حدوث تجويف، مما قد يؤدي إلى إتلاف مكونات تكنولوجيا المعلومات ولوحات الدوائر المطبوعة ومفاصل اللحام.

●الاستثمار في البنية التحتية:كما هو الحال مع الأنظمة أحادية الطور، فإن التبريد بالغمر ثنائي الطور يتطلب استثمارًا كبيرًا في البنية التحتية، بما في ذلك الخزانات الكبيرة وهياكل البناء المعززة لاستيعاب الوزن الإضافي.

●تحديات الصيانة:بسبب وزن الخزانات وأجهزة الغمر، تتطلب أعمال الصيانة عادةً استخدام الرافعات، مما يؤدي إلى توقف طويل الأمد.

●التأثير البيئي:في كل مرة يُفتح فيها خزان السائل للصيانة، تُطلق أبخرة مواد البيرفلورو ألكيل (PFAS) في الغلاف الجوي. ويؤدي هذا إلى فقدان حوالي 10% سنويًا من سائل التبريد (مئات اللترات)، مما يُفاقم المخاوف البيئية.

الاستنتاج: مستقبل تبريد مراكز البيانات

بفضل قدرتها على التعامل بكفاءة مع أحمال حرارية عالية للغاية، تُعد تقنية التبريد بالغمر حلاً أساسياً لمراكز البيانات الحديثة، وخاصةً تلك المصممة لدعم الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء وغيرها من التطبيقات المكثفة. ورغم الفوائد الواضحة لهذه الأنظمة من حيث إدارة الحرارة وكفاءة الطاقة، إلا أنه ينبغي دراسة متطلبات البنية التحتية الكبيرة، واحتمالية التأثير البيئي، وتحديات الصيانة بعناية.

مع استمرار نمو الطلب على الحوسبة عالية الأداء، من المتوقع أن تلعب أنظمة التبريد بالغمر دورًا حاسمًا في ضمان قدرة مراكز البيانات على التوسع بشكل فعال مع إدارة استهلاكها المتزايد للطاقة واحتياجات تبديد الحرارة.

فيتونغيو للتكنولوجيانحن شركة رائدة في توفير حلول التبريد الحراري. تواصل معنا للحصول على حلول تبريد مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات مركز بياناتك.