Жидкостное охлаждение дата-центров в эпоху ИИ: роль соединителей

Нагрузка на современные дата-центры стремительно повышается. Процесс вызван развитием искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения. Высокопроизводительные вычислительные системы требуют значительного количества электроэнергии. Неудивительно, что их эксплуатация приводит к образованию огромного количества тепла.

Это создает серьезные проблемы для проектировщиков, строителей, владельцев и операторов ЦОД, отдающих предпочтение традиционным системам охлаждения. Рост плотности мощности IT-систем внутри монтажных стоек делает воздушное охлаждение менее эффективным, поскольку вентиляторы не успевают эффективно рассеивать тепло в ограниченном пространстве.

Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2022 году центры обработки данных потребляли около 2% всей мировой электроэнергии. Прогнозируется, что к 2026 году этот показатель может удвоиться – во многом из-за теплохладотехники внутри серверных ферм.

Ресурсоемкие задачи также перегружают инфраструктуру. Исследования показали, что один запрос в ChatGPT требует в 10 раз больше электроэнергии, чем стандартный поисковый запрос в Google. В США энергопотребление ИИ-систем уже составляет 10–20% от общего количества электроэнергии, потребляемой ЦОД.

ИИ-проекты, включая обучение нейросетей и развитие генеративных моделей, требуют специализированных чипов. В число таких чипов входят графические процессоры (GPU), тензорные процессоры (TPU) и интегральные схемы специального назначения (ASIC). Их расчётная тепловая мощность (TDP) достигает 1500 Вт на один модуль, а средняя потребляемая мощность стойки в ЦОД выросла с 8,5 кВт до 12 кВт.

Сегодня на традиционные системы охлаждения приходится до половины от общего энергопотребления дата-центра. Это делает их электроснабжение одной из главных статей затрат при эксплуатации ЦОД.

Учитывая перечисленные выше обстоятельства, компании активно внедряют жидкостное охлаждение как более эффективную и экономичную альтернативу традиционному воздушному охлаждению. Согласно исследованиям отраслевого консорциума The Green Grid, переход на жидкостное охлаждение способен снизить энергозатраты при эксплуатации ЦОД на 40%, что делает технологию привлекательной для владельцев корпоративных и коммерческих дата-центров.

Основные плюсы жидкостного охлаждения

• Рост эффективности. Жидкостное охлаждение обеспечивает более высокий коэффициент теплопередачи по сравнению с воздушным методом. Вода и диэлектрические жидкости обладают на порядок (в 25–50 раз) большей теплопроводностью, чем воздух. Это позволяет им гораздо более эффективно удалять излишки тепла от сильно нагревающихся критически важных компонентов IT-инфраструктуры.
• Экономия ценного пространства. Важно помнить про компактность и экономию пространства. Жидкостное охлаждение устраняет необходимость в больших вентиляторах и воздуховодах, освобождая ценные квадратные метры в машзалах ЦОД. Это особенно важно в условиях ограниченного пространства и размещения дата-центров в центральных районах мегаполисов, где земля очень дорогая.
• Продление срока службы охлаждаемых IT-систем. Жидкостное охлаждение обеспечивает точное и последовательное управление температурой путем прямого воздействия на источники тепла, что снижает риск перегрева и продлевает срок службы компонентов, снижая затраты на замену и требования к обслуживанию.

Методы охлаждения серверов в дата-центрах с помощью жидкости

Существуют три основных подхода к жидкостному охлаждению серверных стоек:

• Охлаждающие пластины (Cold Plate Cooling). Метод предполагает циркуляцию охлаждающей жидкости через пластины, которые соприкасаются с нагревающимися компонентами, включая GPU и центральные процессоры. Вода или диэлектрик удаляют тепло от нагретого компонента, а затем охлаждаются с помощью определенных физических процессов или технических приспособлений. Цикл многократно повторяется. Этот метод удобен тем, что его можно интегрировать в уже существующие дата-центры.
• Иммерсионное охлаждение (Immersion Cooling). Самый эффективный, но и самый сложный метод. Все серверное оборудование полностью погружается в диэлектрическую жидкость, которая поглощает и удаляет тепло. Поскольку в такой среде вентиляторы не требуются, энергозатраты на охлаждение снижаются почти до нуля. Кроме того, это устраняет проблему образования пыли и коррозии, тем самым продлевая срок службы компонентов. Недостаток метода — необходимость специальных дорогостоящих приспособлений и конструктивных изменений компонентов дата-центра: серверы и другое охлаждаемое оборудование должны быть адаптированы для погружения в жидкость.
• Прецизионное (точечное) охлаждение (Precision Cooling). Этот гибридный метод использует небольшие объемы охлаждающей жидкости, которые направляются непосредственно на самые горячие компоненты. Он позиционируется как компромиссный вариант между охлаждающими пластинами и иммерсионным охлаждением, позволяя ощутимо уменьшить энергопотребление, не требуя полного перехода на жидкостную систему.

Соединители для систем жидкостного охлаждения

Один из ключевых компонентов жидкостного охлаждения, независимо от типа, – соединители (коннекторы). Они обеспечивают безопасное подключение трубопроводов, манипулирование потоками жидкости и предотвращение утечек. Качественные соединители для дата-центров должны соответствовать следующим требованиям:

• Температурная устойчивость – продукты должны выдерживать рабочие температуры до 50°C (122°F) без деформации.
• Высокий поток охлаждающей жидкости – требуется возможность работать со скоростью потока до 13 литров в минуту.
• Минимальные потери давления – для стабильности системы критически важно избегать потери давления: обычно соединители поддерживают падение давления на уровне около 0,017 бар.
• Герметичность и защита от коррозии – утечка жидкости может привести к серьезным повреждениям серверов, поэтому соединители должны быть изготовлены из устойчивых к агрессивным средам материалов.
• Совместимость с разными типами жидкостей – соединители должны работать как с водными охлаждающими растворами, так и с диэлектрическими жидкостями.

Дополнительные важные характеристики:

• Быстросъемные механизмы (Quick Disconnect) – нужны для удобства технического обслуживания, поскольку позволяют быстро отключать трубопроводы без утечек жидкости.
• Увеличенный диаметр (Large Bore Design) – внутренний диаметр 5/8 дюйма обеспечивает поддержку интенсивного потока жидкости, необходимого для обслуживания серверных стоек с повышенной плотностью мощности IT-компонентов.
• Термоустойчивость – снижает тепловое сопротивление и повышает эффективность охлаждения.
• Совместимость с коллекторными системами или манифольдами (Manifold Compatibility) – соединители должны поддерживать 3-дюймовые коллекторы (трубопроводные ответвления) из нержавеющей стали, которые оптимизируют распределение жидкости.
• Гибридный дизайн – некоторые современные соединители интегрируют линии передачи данных и охлаждающую систему в одном корпусе.

Ряд производителей, включая CPC, Koolance, Parker Hannifin, Danfoss и CEJN, уже предлагает усовершенствованные соединители, адаптированные под высокопроизводительные вычисления.

Стандартизация и перспективы жидкостного охлаждения

Для обеспечения совместимости оборудования и повышения надежности инфраструктуры ЦОД разрабатываются унифицированные стандарты соединителей. Одним из ведущих популяризаторов стандартизации, работающих в этом направлении, выступает организация Open Compute Project (OCP). Она представила и периодически дорабатывает стандарт Large Quick Connector Specification для быстросъемных соединителей с четкими параметрами:

• рабочее давление 2,413 бар (35 psi) при 60°C;
• максимальное давление – 12 бар (175 psi);
• поток жидкости свыше 100 литров в минуту;
• эргономичный дизайн
• ограничение крутящего момента – 5 Нм;
• диапазон температур от -20°C до 60°C;
• гарантия минимального уровня утечек – менее 0,15 мл при отключении;
• срок службы не менее 10 лет непрерывного использования.

Заключение

Центры обработки данных сталкиваются с новыми вызовами, связанными с ростом спроса на вычислительные мощности и энергопотреблением ИИ-систем. Традиционные методы воздушного охлаждения уже не справляются с нагрузками. Жидкостное охлаждение становится предпочтительным решением ввиду более высокой эффективности и ряда других достоинств.

С учетом роста потребностей в вычислительных мощностях жидкостное охлаждение становится не просто трендом, а необходимостью. Согласно данным IDC, 22% ЦОД уже используют жидкостное охлаждение. Ожидается, что к 2030 году более 50% дата-центров будут использовать гибридные системы или исключительно жидкостные решения.

Этот подход не лишен недостатков. Один из минусов касается надежности. Правильный выбор соединителей позволяет сделать систему более надежной, энергоэффективной и безопасной, снижая затраты на эксплуатацию. Развитие релевантных отраслевых стандартов будет способствовать их унификации и дальнейшему совершенствованию.