В темной помещении, которое находится на верхнем этаже одного из многочисленных зданий на территории кампуса Висконсинского университета в Мэдисоне (США), разместились монтажные стойки с серверным оборудованием, используемым для обработки необходимой учебному заведению информации. В связи с тем, что местные инженеры используют множество ресурсоемкого софта для технических вычислений, они нуждаются в приличных вычислительных мощностях. Именно поэтому из данного помещения исходит довольно сильный шум – множество вентиляторов, расположенных внутри корпуса каждого сервера, мощный кондиционер, благодаря которому охлажденный воздух перемещается к серверам, а избыточное тепло удаляется от процессоров, попросту не могут работать бесшумно.

По словам профессора кафедры машиностроения Висконсинского университета в Мэдисоне Тимоти Шеда, электромеханическое оборудование и электричество для организации охлаждения серверов формируют одну из основных статей расходов на эксплуатацию высокопроизводительных вычислительных систем вроде той, что используется в его университете. Шед использует это помещение для тестирования системы охлаждения, которую он изобрел. Ученый надеется, что с помощью его наработок можно будет значительно повысить энергоэффективность дата-центров по всему миру.

Продвинутая СЖО

Тимоти Шед рассматривает сервер, оснащенный разработанной им инновационной системой охлаждения. Охлаждающая жидкость циркулирует по трубам и проходит через специальный теплообменник (который находится под X-образным креплением) на процессоре, являющимся самым большим источником тепла внутри стандартного сервера.

В системе Шеда в каждый серверный корпус подводится по паре прозрачных пластиковых трубок. Если присмотреться поближе, то после запуска системы охлаждения можно заметить, как внутрь сервера через эти трубки подается жидкость с обилием мелких пузырьков. Все потому, что американский ученый использовал в своей СЖО двухкомпонентный хладагент собственной разработки. И эти пузыри представляют собой один из компонентов охлаждающей жидкости, который находится в газовой фазе. По ряду причин установка Шеда работает, грубо говоря, в 10 раз более эффективно, чем среднестатистическая система кондиционирования воздуха, подобные которой в настоящее время наиболее часто используются для оптимизации температурного режима серверного оборудования в дата-центрах по всему миру.

Шед потратил более десяти лет на исследования и проектирование систем охлаждения для серверного оборудования. Параллельно работе в университете ученый основал стартап под названием Ebullient (на русский переводится как “кипящий”), чтобы коммерциализировать свое запатентованное изобретение.

Главная задача

Как известно, если CPU и другие кремниевые чипы внутри серверов становятся слишком горячими, вычислительные системы могут отказать, поэтому высоконадежная система охлаждения крайне важна для нормального функционирования центров обработки данных вроде зданий с огромными массивами наполненных серверами монтажных стоек, принадлежащих интернет-гигантам вроде Amazon, Google и Facebook.

Один из прототипов СЖО, разработанных американским исследователем и его коллегами.

По словам Шеда, общая мощность одних только американских дата-центров растет примерно на 7 – 10 процентов в год. Общий объем расходов на охлаждение этих серверных ферм составляет около 2 миллиардов долларов США в год (что примерно соответствует 50 процентам от годовой стоимости эксплуатации этих ЦОД или 10 процентам от капитальных затрат на их возведение). Именно поэтому постоянное улучшение систем охлаждения серверного оборудования является крайне важной задачей.

СЖО Шеда имеет три ключевых компонента: пластиковый теплообменник, который прикреплен к процессору и поглощает тепло там, где оно создается, двухкомпонентный хладагент и массив трубок с насосом, которые используются для перемещения излишней тепловой энергии на крышу, где она уходит в атмосферу.

Серверное оборудование, принадлежащее Висконсинскому университету в Мэдисоне

Новая система жидкостного охлаждения ЦОД позволяет забыть про энергозатратные компрессоры, конденсаторы и испарители (три основных элемента стандартных систем кондиционирования воздуха, используемых для охлаждения современных серверных ферм).

Специальный хладагент

По словам Шеда, ряд инновационных систем жидкостного охлаждения, разработанных другими специалистами, используют воду для отвода тепла. С одной стороны, вода способна переносить огромное количество тепла, с другой – она заставляет операторов ЦОД слишком часто нервничать. Если несколько капель воды попадет на печатную плату, ничего хорошего ожидать не стоит. Так что компаниям, продающим подобные СЖО, приходится сталкиваться с весьма скептически настроенными потенциальными клиентами.

Именно поэтому Шед выбрал экологически безопасный диэлектрический двухкомпонентный хладагент, который не способен навредить серверу, если произойдет нарушение целостности контура, по которому он циркулирует.

Работа над новой серверной СЖО началась в конце 2011 года, когда Шед и его студенты стали экспериментировать с 3D-принтером, купленным на деньги университета. Принтер позволил ученому создавать компоненты, оптимизированные для используемых в ВУЗе серверных систем. Летом 2013 года Шед и его аспиранты Бретт Линдеман и Роберт Бьюкенен установили прототипы СЖО на 20 серверов. По расчетам исследователей, этот апгрейд позволит экономить $ 2500 в год за счет снижения расходов на охлаждение вычислительных систем. Созданная ученым система к настоящему моменту проработала в режиме нон-стоп вот уже более полугода.

Количество серверных ферм постоянно растет, при этом требования к мощности и энергоэффективности систем охлаждения ЦОД в ближайшее время также будут лишь увеличиваться. Шед считает, что его система может сократить расходы на охлаждение дата-центра примерно на 90 процентов, но сначала он должен доказать, что эта СЖО является в достаточной степени безопасной и надежной.