Охлаждаем серверы изнутри

Операторам центров обработки данных известно, что для поддержания необходимого температурного режима оборудования требуется много денег и электроэнергии. Но что если мы сможем отказаться от механизма воздушного охлаждения и возьмем на вооружение технологии, которые позволяют охлаждать машины изнутри?

В случае применения технологии воздушного охлаждения серверов на долю соответствующей вспомогательной подсистемы приходится в среднем 30-50 процентов от общего объема расходуемой в дата-центре электроэнергии. Повышение плотности транзисторов, тактовой частоты / количества вычислительных ядер приводят к появлению все более горячих чипов. Принудительная конвекция воздуха в настоящее время является стандартной технологией охлаждения чипов, но она уже практически исчерпала себя, и после появления следующего поколения электроники операторам ЦОД придется в срочном порядке искать замену данной технологии. На смену вентиляторам и радиаторам придут более эффективные и компактные механизмы охлаждения.

Спрос на вычислительные мощности

Непрерывно возрастающее тепловыделение микрочипов является одной из самых больших проблем, стоящих перед компьютерной индустрией. Еще одна проблема связано с тем, что закон Мура совсем скоро может перестать определять развитие микроэлектроники. Сотрудник подразделения Advanced Thermal Packaging при научно-исследовательской лаборатории компании IBM в Цюрихе (IBM Zurich Research Laboratory) Бруно Мишель отмечает, что «велика вероятность приостановления развития индустрии по закону Мура уже в течение ближайших нескольких лет – после 30 лет непрерывного роста».

Одновременно с уменьшением значимости закона Мура мы можем наблюдать стремительный рост спроса на услуге по обработке и хранению данных. Примечательно, что 90 процентов всех данных в мире были созданы в течение последних двух лет. При этом дата-центры, где эти данные хранятся и обрабатываются, используют примерно 2 процента вырабатываемой во всем мире электроэнергии. Рост цен на энергоносители лишь ухудшает положение ввиду увеличивающейся зависимости мировой экономики от гипермасштабных серверных ферм. Но надежда на лучшее есть. Мы можем добиться снижения энергопотребления ЦОД благодаря переходу с воздушного охлаждения на более энергоэффективные аналоги.

Альтернативные технологии

Один из таких аналогов в данный момент разрабатывается в университете Пердью (США). Ученые из научно-исследовательского центра Cooling Technologies Research Center экспериментируют с теплораспределителями высокой проводимости, такими как паровые камеры (камеры туманов) и тепловые трубки. Технология основана на принципах испарении и конденсации, которые позволяют эффективно передавать тепло чипа и других устройств во внешнюю среду. Исследователи из университета Пердью уже изучают возможность использования тепловых трубок в высокоплотных вычислительных системах. Целью одного из проектов американских ученых является разработка и коммерциализация ультратонких тепловых трубок в течение ближайших пяти лет.

Но в арсенале американцев есть еще более интересная технология. Совместно со специалистами корпорации Intel исследователи из Университета Пердью разработали технологию отведения тепла с помощью так называемого “ионного ветра”. Эксперименты показывают, что задействовав “ионные ветры”, полученные в результате ускорения потока заряженных частиц воздуха между высоковольтными электродами, можно улучшить отвод тепла от полупроводниковых микросхем на 250%. Специальные блоки можно устанавливать в серверах таким образом, что они будут дополнять имеющиеся механизмы воздушного охлаждения, обеспечивая более эффективное рассеивание тепла. Эти блоки достаточно малы, и их можно устанавливать выборочно – исходя из результатов аудита ЦОД. Технология также изучается на предмет целесообразности использования в мобильных электронных устройствах.

Заслуживает внимания и технология пьезоэлектрических вентиляторов, работу над которой ведут специалисты General Electric. В конце минувшего года GE представила систему Dual Piezoelectric Cooling Jet (DCJ), название которой дословно переводится как “двойные пьезоэлектрические охлаждающие форсунки”. Принцип работы этих “форсунок” напоминает диафрагму: они расширяются, чтобы втянуть горячий воздух, а затем выталкивают его. Отсутствие электромотора и подшипника способствует повышению надежности кулера.

Толщина продемонстрированного журналистам прототипа, который использовался для охлаждения процессора ноутбука, равна примерно 1 мм. Конструкция демонстрационной системы охлаждения DCJ включала тепловые трубки. Производительность пьезоэлектрического охладителя составляла 1.7 м. куб. / час, тогда как у вентилятора она достигает 70 м. куб. / час. То есть на данном этапе новая разработка не способна стать полноценной заменой вентиляторам. С другой стороны сокращение энергопотребления по сравнению с обычными вентиляторами является двукратным.

Не следует забывать и о том, что выделяемое электроникой тепло может быть превращено в электричество с помощью устройств, называемых термоэлектрическими генераторами (ТЭГ) или теплогенераторами. К сожалению, на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, свойства которого в полной мере удовлетворяют запросы промышленных компаний. Но разработка новых полупроводниковых термоэлектрических материалов ведется довольно активно.

Механизмы жидкостного охлаждения, которые до недавнего времени были прерогативой систем для суперкомпьютерных вычислений, также являются весьма перспективными в плане использования в ЦОД. Если сравнивать с воздухом, жидкие хладагенты являются более эффективными, так как они лучше проводят тепло и имеют более высокую теплоемкость. На самом деле жидкости примерно в 4000 раз более эффективны при удалении тепла, чем воздух. Одной из наиболее перспективных стратегий охлаждения чипов следующего поколения в дата-центрах, является применение водоблоков и радиаторов на базе микроканалов. Работу в этом направлении ведет IBM.

Охлаждение чипов в данном случае организовано с помощью системы микроканалов с диаметром в несколько микрометров. Принцип действия системы будет схож с капиллярным кровообращением в человеческом теле. Созданные с помощью микроканалов водоблоки уже сейчас охлаждают процессоры в 10 раз лучше, чем радиаторы обычных воздушных систем охлаждения. Микроканальное жидкостное охлаждение уже было успешно опробовано на ряде разработок IBM (например, высокопроизводительном компьютере Aquasar).

Несмотря на тот факт, что операторы многих дата-центров постепенно переходят на естественное охлаждение с помощью наружного воздуха (фрикулинг), тенденция к повышению плотности вычислительных систем может свести пользу фрикулинга на нет либо заставить инженеров внедрять гибридные системы на базе жидкостного охлаждения.

Усилия чипмейкеров

Производители процессоров также работают в направлении уменьшения энергопотребления и тепловыделения микрочипов. Ведущий инженер Intel Майкл Паттерсон отмечает: «Мы проделали огромную работу, чтобы уменьшить энергопотребление процессоров в режиме бездействия. В прошлом практически не было разницы между расходом электроэнергии в режиме простоя и при выходе на пиковую производительность».

Чипмейкеры также разработали механизмы изменения тактовой частоты в зависимости от нагрузки: процессоры переходят на более низкую тактовую частоту, когда для решения определенных задач не требуется предельно высокая производительность. Одновременно с этим снижается и энергопотребление.

Примечательно, что разработчики серверов также не бездействуют. Они – как и чипмейкеры – переключают свое внимание с чистой производительности на показатель производительности на ватт. Как отмечаются специалисты IBM, сейчас целью является достижение высокой производительностью и низким энергопотреблением при одновременной минимизации углеродного следа вычислительных систем.