Реализация эффективной, надежной и безопасной системы охлаждения для удаления избыточной тепловой энергии из серверов является одной из важнейших задач при проектировании и создании инфраструктуры центра обработки данных. В большинстве современных ЦОД для отвода тепла используются крупные системы кондиционирования воздуха и огромное количество вентиляторов (рис. 1). Однако использование охлажденного воздуха для оптимизации температурного режима серверных систем является относительно малоэффективным, при этом во многих случаях, расходы на электричество выступают основной статьей операционных расходов ЦОД. К тому же, продолжающийся рост тепловыделения серверов и плотности размещения оборудования внутри монтажных стоек в машзалах дата-центров делает системы воздушного охлаждения все менее эффективными.

Рис. 1 Использование охлажденного воздуха для оптимизации температурного режима серверов является дорогостоящим и неэффективным

В результате производители серверов вынуждены внедрять в свои продукты системы жидкостного охлаждения, позволяющие добиться более эффективного удаления излишнего тепла (рис. 2). Эта идея не нова. Еще создатели первых суперкомпьютеров, появившихся в середине 60-х гг. прошлого века, использовали жидкостное охлаждение, чтобы избежать выхода этих машин из строя по причине перегрева. Но после того как эффективность компьютеров возросла, а микрочипы стали производить меньше тепловой энергии, системы воздушного охлаждения стали более практичным вариантом.

Рис. 2 Производители серверных систем все чаще снабжают свои продукты системами жидкостного охлаждения, позволяющими повысить эффективность удаления избыточного тепла

Современные микропроцессоры меньше и мощнее, чем когда-либо, но при этом они также генерируют больше тепла. Из-за роста тепловыделения чипов и плотности размещения оборудования внутри стоек производители серверных систем были вынуждены в очередной раз воспользоваться технологией жидкостного охлаждения. Современные СЖО в среднем в 30 раз эффективнее воздушных аналогов, при этом их использование позволяет добиться значительного сокращения эксплуатационных расходов.

Технология жидкостного охлаждения серверов все еще развивается, но СЖО текущего поколения уже обладают достаточным уровнем масштабируемости, надежности и простоты обслуживания, чтобы заменить воздушные аналоги внутри ЦОД без риска отказа серверов по причине попадания на электронные компоненты хладагента после протечки в контуре системы жидкостного охлаждения.

Ключевым элементом системы жидкостного охлаждения для серверов современного образца выступает теплообменник (водоблок) с плоским основанием, который устанавливается непосредственно поверх защитной крышки процессора или другого источника тепла. Теплообменник эффективно передает тепло процессора циркулирующему в контуре СЖО хладагенту (как правило, это водно-гликолевая смесь). Холодная жидкость (в некоторых случаях может иметь комнатную или даже более высокую температуру) подается в теплообменник, нагревается, а затем отводится через гибкий шланг. Нагретый хладагент в конечном итоге направляется в крупный теплообменный аппарат типа жидкость-воздух или жидкость-в-жидкость, частью которого может выступать чиллер.

Критически важный компонент

Одними из важнейших компонентов этих систем жидкостного охлаждения являются быстроразъемные соединения. Эти соединения используются для подключения гибких трубок, по которым к каждому серверу перемещается охлаждающая жидкость (рис. 3), после чего хладагент снова перемещается к центральному коллектору на серверной стойке, а затем – к теплообменному аппарату тапа жидкость-воздух или жидкость-жидкость. При необходимости проведения техобслуживания серверов или внесения изменений в конфигурацию машин, подобные соединения должны разъединяются без риска пролива хладагента на электронику.

Рис. 3 Быстроразъемные соединения используются для подключения гибких трубок, по которым охлаждающая жидкость попадает в каждый отдельный сервер и движется обратно в центральный коллектор на монтажной стойке

Чтобы выбрать наиболее надежные, удобные и доступные быстроразъемные соединения для системы жидкостного охлаждения серверов и других современных компьютеров или рабочих станций, следует рассмотреть семь атрибутов подобных продуктов.

1. Надежность

Главной заботой проектировщиков серверных систем и операторов центров обработки данных является обеспечение должного уровня надежности оборудования. При этом одним из основных методов достижения высокой надежности является использование дублирующих друг друга компонентов, которые принимают нагрузку на себя, если основные компоненты теряют работоспособность. В системах жидкостного охлаждения для предотвращения замедления или прекращения циркуляции хладагента по контуру часто используются резервные насосы.

Однако индивидуальные быстроразъемные соединения в системе жидкостного охлаждения серверов представляют собой единую точку отказа (критичный компонент, отказ которого приводит к потере работоспособности всей системы). Как известно, чем меньше точек отказов имеет система, тем выше ее надежность. В настоящее время производители быстроразъемных соединений для серверных СЖО устраняют единые точки отказа главным образом путем непрерывного улучшение технологии производства и внедрения передовых систем управления качеством. Это очень важно, так как в случае нарушения целостности подобного соединения помимо прекращения автоматической подачи охлаждающей жидкости к горячим процессорам может наблюдаться утечка хладагента, что способно стать причиной отказа сервера и даже всей стойки.

Некоторые разработчики систем жидкостного охлаждения для ЦОД используют быстроразъемные соединения, разработанные для гидравлических установок промышленного класса из-за повышенной долговечности подобных решений. Тем не менее, уплотнители и внутренние клапаны этих соединений не предназначены для использования рабочих тел с низким давлением или приложений, где они должны непрерывно использоваться в течение нескольких месяцев или лет. Поэтому при выборе быстроразъемных соединений для систем жидкостного охлаждения ЦОД следует отдавать предпочтение продуктам, которые характеризуются следующими особенностями:

• Создавались специально для систем с низким давлением;
• Отличаются повышенным качеством сборки;
• Имеют простые и надежные механизмы блокировки: либо вставляемые нажатием (push-to-connect), либо четвертьоборотные (quarter-twist);
• Изготовлены из прочных материалов и имеют уплотнительные кольца (O-ring) и внутренние клапаны, которые в полной мере совместимы с охлаждающим агентом.

2. Прочность

Устойчивость к механическому воздействию и общая долговечность также являются важными чертами быстроразъемных соединений для системы жидкостного охлаждения. Несмотря на то, что в большинстве случаев операторам ЦОД не требуется часто подключать и разъединять элементы СЖО, многие разработчики подобных решений не спешат использовать пластиковые соединения, полагая, что металлические аналоги являются более надежными.

Тем не менее, значительная часть современных быстроразъемных соединений производятся из специальных полимеров (рис. 4), не уступающих металлам в области долговечности и прочности (при условии использования хладагента с относительно низким давлением и невысокой температурной). Иными словами, металлические и пластиковые соединения могут обеспечивать практически одинаковую эффективность, но стоимостные различия между двумя материалами могут оказаться довольно существенными.

Рис. 4 Многие современные серверные СЖО комплектуются быстроразъемными соединениями, сделанными из специальных полимеров

3. Простота использования

Операторы дата-центров хотят иметь возможность легко отсоединить охлаждающие контуры от серверов без вытекания хладагента. Поэтому перед отсоединением необходимо перекрывать клапаны. При этом клапаны не должны утрачивать эффективность даже после того, как система проработала несколько месяцев или лет.

Для дальнейшего повышения удобства обслуживания СЖО при формовке пластиковых соединений на их поверхности можно создать эргономичные держатели, которые повышают сцепление.

Когда система охлаждения оснащается должным образом спроектированными быстроразъемными соединениями, удобство обслуживания значительно возрастает. Операторы ЦОД, умеющие опыт соединения и разъединения коннекторов Ethernet и силовых кабелей, не должны испытывать сложности при работе с быстроразъемными соединениями для СЖО.

4. Возможность “сухого разъединения”

“Сухие” быстроразъемные соединения могут комплектоваться двумя типами внутренних клапанов, которые автоматически останавливают поток жидкости, когда происходит отсоединение. В первом случае используются два перекрывающих клапана тарельчатого (дискового) типа (poppet valve), которые в силу особенностей своей конструкции захватывают небольшой объем жидкости при разъединении. Эта жидкость может вылиться наружу, что делает такую систему менее надежной и безопасной для электроники по сравнению со вторым вариантом (с другой стороны, объем этой жидкости ничтожно мал (одна-две капли)).

Второй вариант предполагает применение созданных с использованием прецизионного оборудования клапанов с плоским торцом (flush face valve), которые практически полностью исключают возможность попадания капель хладагента на критически важные компоненты серверных систем (рис. 5). Выбор материала и качество изготовления играют не последние роли в обеспечении безотказной работы внутренних клапанов в течение нескольких месяцев или лет – качественные клапаны будут автоматически закрываться в 100% случаев (при соблюдении рекомендаций производителя относительно условий эксплуатации).

Рис. 5 Вне зависимости от используемого при изготовлении быстроразъемных соединений материала (металл или полимер), следует выбирать только решения с поддержкой механизма “сухого разъединения”. Лучше всего подойдут варианты, в которых присуствует клапаны с плоским торцом (flush face valve), практически полностью исключающие возможность попадания капель хладагента на электронику

5. Мягкое уплотнение

Как отмечалось выше, быстроразъемные соединения, которые используются в системах жидкостного охлаждения серверов, должны сохранять герметичность в течение длительного времени, а также идеально справляться со своей задачей после многократных отсоединений и повторных соединений без риска утечки охлаждающей жидкости. Причиной утечки в подобных случаях вполне могут стать некачественные уплотнения, проектированию и производству которых необходимо уделять повышенное внимание . Уплотнения также должны быть совместимы с охлаждающей жидкостью, что позволит им избежать деформации при длительном контакте с хладагентом. В некоторых случаях соединения могут иметь двойные уплотнения для повышения надежности. Тем не менее, двойные уплотнения могут стать причиной возрастания вязкого (жидкого) трения в контуре СЖО. Кроме того, они вполне способны уменьшить надежность системы жидкостного охлаждения ЦОД в случае ошибки в расчетах при проектировании.

6. Совместимость материалов

Большинство пластмасс и металлов совместимы с популярными охлаждающими жидкостями вроде смесей воды и гликоля. Но если в вашей системе охлаждения используется охлаждающая жидкость собственной разработки, не забудьте уточнить, будет ли она совместима с корпусами быстроразъемных соединений, уплотнением, клапанами и трубками.

Кроме того, следует проявлять особую осторожность при выборе металлических соединений для системы охлаждения, так как они могут контактировать с серверными корпусами. При этом в месте контакта разнородных металлов могут начаться процессы локального электролиза и коррозии (рис. 6).

Рис. 6 Металлические разъемы обладают повышенной прочностью. Тем не менее, следует проявлять особую осторожность при использовании их в системе охлаждения, так как они могут контактировать с серверными корпусами, инициируя процессы локального электролиза и коррозии

7. Доступность

Как уже отмечалось выше, в плане реальной эффективности разница между быстроразъемными соединениями из специальных полимеров и металлов небольшая, но есть существенная разница в стоимости. А если учесть, что в системах жидкостного охлаждения центров обработки данных используются тысячи таких соединений, даже небольшие различия в ценах могут иметь решающее значение при выборе того или иного продукта.

Кроме того, следует помнить, что соединения, созданные на базе металлических фрикционных гидромуфт, не лучшим образом подходят для использования в СЖО: их применение может привести к ненужным расходам. В случае если быстроразъемные соединения из металла являются наиболее предпочтительным вариантом (даже несмотря на более высокую стоимость), следует найти поставщика, который предлагает наиболее широкий спектр такой продукции и имеет надежную репутацию, – с его помощью вы сможете подобрать самый адекватный вариант для системы охлаждения серверов.

Заключение

Жидкостное охлаждение серверов становится все более привлекательным вариантом для операторов ЦОД ввиду того, что число физических ядер, частота и термопакеты процессоров растут вместе с плотностью размещения оборудования внутри монтажных стоек и затратами на эксплуатацию систем воздушного охлаждения. Технология СЖО пока еще только развивается, но у нее огромные перспективы. При этом важно понять ту ключевую роль, которую играю в системах жидкостного охлаждения ЦОД многочисленные быстроразъемные соединения, качество изготовления которых гарантирует работоспособность ЦОД, удобство обслуживания оборудования и выход на требуемый уровень общей производительности.

Оценка соединений на основе семи атрибутов (надежности, прочность, простота в использовании, возможность “сухого разъединения”, мягкое уплотнение, совместимость материалов и доступность) позволяет гарантировать их безотказную работу в долгосрочной перспективе. При этом чтобы выбрать самый оптимальный вариант для конкретной задачи, следует работать с надежным поставщиком, который может предложить широкий ассортимент пластиковых и металлических соединений, а также возможность создания продуктов по спецзаказу.