Роль гидравлики и пневматики в ЦОД: фундамент систем охлаждения будущего

В эпоху бурного развития искусственного интеллекта (ИИ) нагрузка на дата-центры растет экспоненциально. Увеличение вычислительных мощностей и емкости хранилищ данных сопровождается ростом тепловыделения. Эта ситуация требует радикального пересмотра подходов к охлаждению критически важного IT-оборудования.

В ответ субъекты сектора ЦОД делают ставку на жидкостное охлаждение, что, в свою очередь, способствует росту значения гидравлических и пневматических компонентов: от насосов и шлангов до фитингов, муфт и фильтров. Эти элементы, ранее традиционно ассоциировавшиеся с машиностроением и строительной техникой, становятся краеугольным камнем архитектуры серверных ферм нового поколения.

Причины перехода от воздушного охлаждения к жидкостному

На протяжении десятилетий в дата-центрах преобладало воздушное охлаждение. Речь о системах на основе блоков кондиционирования воздуха, а также вентиляторов. Однако ситуация радикально изменилась после распространения высокопроизводительных графических процессоров (GPU), специальных интегральных схем (ASIC) и нейропроцессоров, потребляющих всё больше электроэнергии и выделяющих всё больше тепла.

Мощность одной стойки с вычислительным оборудованием выросла с 5–10 кВт до 150–200 кВт. Уже проектируются стойки и системы охлаждения для дата-центров с еще более мощными чипами, где показатель будет достигать 400 кВт. Этот рубеж может быть пройден в ближайшие 5 лет.

При таких показателях воздушное охлаждение становится физически и энергетически неэффективным. Критическая граница составляет примерно 150 кВт на стойку. При ее превышении для удаления тепла от чипов уже невозможно прогнать достаточный объем воздуха даже при максимально интенсивной вентиляции.

Жидкостное охлаждение как ответ на новые вызовы

Жидкостное охлаждение основано на прямом удалении тепла от горячих серверных компонентов. Обычно задача решается с помощью водно-гликолевого раствора. Такая система, как правило, включает замкнутый контур, в котором жидкость циркулирует между радиаторами, распределительными манифольдами (кластеры трубопроводов) и теплообменниками. В зависимости от архитектуры жидкостное охлаждение может иметь следующие формы:

• Прямоконтактное системы (Direct-to-chip; D2C), где тепло снимается непосредственно с крышки микрочипа.
• Теплообменники на задней стороне стойки (Rear-Door Heat Exchanger). Жидкость, проходящая через такие теплообменники, охлаждает горячий воздух на выходе из стоек.
• Охлаждающие пластины (Cold Plate Systems), которые используются для одновременного охлаждения нескольких компонентов с высокой плотностью мощности / тепловыделением.
• Резервуары для иммерсионного охлаждения (Immersion Cooling). В данном случае критически важное IT-оборудование погружается в диэлектрическую жидкость целиком.

В сравнении с воздушным охлаждением жидкостные технологии обеспечивают:

• снижение энергозатрат на 20–30% (для многих компаний и операторов ЦОД это критично, учитывая, что до 80% электроэнергии в ЦОД уходит на охлаждение и электропитание вычислительных узлов);
• увеличение плотности размещения серверов до 2–3 раз;
• снижение уровня шума;
• более точный контроль температуры;
• более длительный срок службы компонентов (чипы меньше перегреваются, дольше служат и стабильно работают на максимальных мощностях).

Значение гидравлических и пневматических компонентов

С точки зрения инженерии жидкостное охлаждение серверов в дата-центре — это высокотехнологичная система транспортировки жидкости, функционирующая, как правило, при относительно низком давлении, но с чрезвычайно высокими требованиями к чистоте теплоносителя, герметичности и компактности. Основные элементы такой системы:

Шланги и трубки

Используются для прокладки трасс от распределителей хладагента (Coolant Distribution Unit; CDU) к серверам. Должны обладать:

• высокой гибкостью для укладки в ограниченном пространстве;
• устойчивостью к воздействию гликолей и ингибиторов коррозии;
• огнестойкостью;
• устойчивостью к микробиологическому разложению;
• возможностью работы при пониженных температурах.

Пример: Gates Data Master MegaFlex — шланг с увеличенным внутренним диаметром и малым радиусом изгиба, специально созданный для монтажа в серверных стойках.

Фитинги, соединения и быстросъёмные муфты

Обеспечивают герметичное соединение модулей. Критически важно:

• исключение протечек (даже в капельных масштабах);
• устойчивость к вибрациям;
• низкое сопротивление потоку (низкий коэффициент потерь давления);
• стандартизация габаритов и диаметра.

Например, быстросъёмные соединения Parker Hannifin проходят циклические испытания на герметичность и стойкость к многократным подключениям.

Насосы, коллекторы, фильтры

Поддерживают циркуляцию и чистоту теплоносителя. Насосы подбираются с учётом:

• минимизации пульсаций потока;
• энергоэффективности (оптимизация КПД);
• возможности регулировки расхода в зависимости от загрузки.

Фильтрация необходима для исключения микрозагрязнений, приводящих к локальному перегреву.

Стандартизация на примере Open Compute Project

Уникальная черта рынка дата-центров – высокая степень открытости технических спецификаций и стандартов. В отличие от автомобильной промышленности или производства бытовой электроники, в секторе ЦОД не поощряется создание несовместимых «проприетарных» решений.

Напротив, крупнейшие интернет-корпорации и операторы гипермасштабных ЦОД, включая Facebook, Google, Microsoft, Amazon, инициировали создание независимого органа Open Compute Project (OCP), который координирует разработку открытых спецификаций на компоненты, агрегирует спецификации разных вендоров и распространяет их. В рамках OCP утверждаются:

• геометрия и параметры универсальных быстросъёмных соединений (Universal Quick-Disconnect Couplings; UQD);
• требования к пропускной способности;
• стандарты герметичности и пожаробезопасности;
• требования к устойчивости материалов и сроку службы.

Компании, продукция которых соответствует этим спецификациям, получают доступ к обширному рынку OCP-совместимых решений для дата-центров. Сегодня среди участников OCP присутствуют такие поставщики гидравлики и пневматики для ЦОД как Gates, Parker Hannifin, Danfoss, а также десятки производителей кабелей, серверов и модулей охлаждения.

Конструкционные особенности и риски

Несмотря на то, что жидкостные системы охлаждения в дата-центрах работают в стабильной климатической среде, требования по качеству, предъявляемые в их адрес, крайне жёсткие. Основные инженерные вызовы:

• Герметичность. Любая утечка в системе охлаждения — потенциально катастрофический инцидент, способный привести к даунтайму ЦОД. Сервер может перегреться, данные — потеряться, а владелец дата-центра — понести многомиллионные убытки и столкнуться с крупным репутационным ущербом.
• Чистота рабочего тела и циркуляционного контура. Жидкость, используемая для охлаждения серверов, должна быть химически стабильна, не поддерживать микробную флору, не разрушать материалы шлангов и соединений. Даже минимальное загрязнение способно привести к закупорке каналов и перегреву чипов.
• Пространственные ограничения. Внутри серверных стоек крайне мало места. Компоненты должны быть миниатюрными, обладая плотной компоновкой и предлагая удобство монтажа без демонтажа остального оборудования. Это требует высокой гибкости шлангов и инновационного дизайна фитингов.
• Энергоэффективность. Любое сопротивление на соединении снижает общую эффективность системы. Поэтому важна низкая потеря давления во всех элементах — от насоса до самой последней точки подключения.

Тренды

В ближайшие годы ожидается сохранение устойчивого восходящего на рынке жидкостного охлаждения серверов. По оценкам экспертов, количество дата-центров с жидкостными контурами вырастет более чем вдвое к 2030 году. Однако системы воздушного охлаждения не уйдут, а скорее будут дополняться жидкостными, также получая модули рекуперации тепла и другие полезные блоки. Это означает стабильный и растущий спрос на высокотехнологичные решения в области гидравлики и пневматики.

Выводы

Дата-центры становятся неотъемлемой частью цифровой экономики. Их надежность, эффективность и масштабируемость во многом зависят от эффективности механизмов теплоотвода. В этих условиях жидкостное охлаждение серверов становится не альтернативой, а новым отраслевым стандартом.

В основе таких систем лежат продуманные инженерные решения в области гидравлики и пневматики, включая шланги, насосы, фитинги, быстроразъёмные соединения и другие элементы систем транспортировки охлаждающей жидкости. Они обеспечивают безопасность, компактность и эффективность критически важной инфраструктуры охлаждения серверов. Ставка на качество, стандартизацию и инновации при конструировании таких компонентов — залог лидерства в быстрорастущем и высокомаржинальном сегменте рынка.