מכיוון שלמרכזי נתונים יש ציוד ארוז בצפיפות והם בפעולה רציפה, הם מייצרים חום רב (לכל שרת יכול להיות כוח של כמה קילוואט לעשרות קילוואט). אם לא ניתן להתפוגג את החום בזמן, הוא יוביל לחימום יתר של ציוד, השפלה של ביצועים ואפילו כישלון. לפיכך, תכנון מערכת הקירור משפיע ישירות על עלויות יעילות האנרגיה, האמינות ועלויות ההפעלה של מרכז הנתונים. להלן מבוא מפורט מההיבטים של הרכב המערכת, שיטות קירור, טכנולוגיות מפתח ומגמות פיתוח.
1. רכיבים של מערכת קירור מרכז נתונים
מערכת קירור מרכז נתונים מורכבת בדרך כלל מהחלקים הבאים, הפועלים יחד להשגת העברת חום ופריקה יעילים:
● ציוד צד מקור חום
רכיבים מייצרים חום כמו שרתים, מכשירי אחסון, ציוד אספקת חשמל (כגון UPS) וכו ', מקוררים בתחילה על ידי מאווררים או כיורי חום פסיביים.
● מדיום העברת חום
אוויר: המדיום של מערכת קירור אוויר מסורתית, יעילות הולכת חום נמוכה אך נמוכה (מוליכות תרמית של אוויר היא בערך 0. 026 w/m ・ k).
נוזל: המדיום של מערכת קירור נוזלים, כמו מים או נוזלי קירור כמו שמן מינרלי ונוזל פלואורי, יש מוליכות תרמית גבוהה משמעותית מאשר אוויר (המוליכות התרמית של מים היא בערך {{0}}.
● ציוד קירור ופיזור חום
מיזוג אוויר מדויק (CRAC/CRAH): מספק טמפרטורה קבועה ולחות אוויר קר כדי לשלוט בסביבת מרכז הנתונים (טמפרטורה טיפוסית 20-24, לחות 40%-60%).
צ'ילר: מסיר חום דרך זרימת מים, הנפוץ במרכזי נתונים גדולים או במערכות קירור נוזלים.
מגדל קירור/מקרר יבש: משחרר חום לאטמוספירה החיצונית, מחולק לקירור מים (דורש מים) וקירור יבש (קירור אוויר, חיסכון במים אך יעיל פחות).
מחליף חום: כמו מחליף חום צלחות ומחליף חום של צינורות חום, המשמש להחלפת חום בין מדיה שונה.
● רכיבי ניהול זרימת אוויר/זרימת נוזלים
תעלות ותעלות: הנחית זרימת אוויר להשגת בידוד קר וחם.
צינור קירור נוזלי: כולל משאבות, שסתומים, מד זרימה וכו 'כדי להבטיח זרימת נוזל קירור.
רכיבים ברמת הארון: כמו מאווררי מטוס אחורי, צלחות קרות ומכשירי ריסוס (קירור נוזלי טבילה).
● מערכת בקרה
חיישנים (טמפרטורה, לחות, לחץ) ובקרים חכמים מתאימים באופן דינמי את פעולת ציוד הקירור כדי לייעל את יעילות האנרגיה.
2. סיווג שיטות קירור מרכז נתונים
בהתבסס על הנתיב הבינוני והטכני של העברת החום, ניתן לחלק שיטות קירור לשלוש קטגוריות: קירור אוויר, קירור נוזלים וקירור טבעי. לכל שיטה יש תרחישים ויתרונות שונים וחסרונות.
● קירור אוויר (קירור אוויר)
עקרון: חום הציוד מוסר על ידי זרימת אוויר, והאוויר החם מקורר על ידי מערכת מיזוג האוויר ואז ממוחזר או משוחרר מבחוץ.
טכנולוגיות טיפוסיות:
קירור אוויר ברמת מחשב:
מיזוג אוויר מדויק מספק ישירות אוויר לחדר המחשבים, והאוויר החם חוזר דרך התקרה או מתחת לרצפה. העלות נמוכה אך יעילות האנרגיה היא ממוצעת (PUE גבוהה, בערך 1. 5-2. 0).
אמצעי שיפור: בידוד של תעלות חמות וקרות (סגור תעלות חמות או תעלות קרה כדי למנוע ערבוב זרימת אוויר), אספקת אוויר תת רצפתי (באמצעות קומות מוגבהות להובלת אוויר קר, נפוץ במרכזי נתונים מסורתיים).
קירור אוויר ברמת הארון:
בארון יש מאווררים מובנים או מאווררי מטוס אחורי כדי לשפר את פיזור החום של ארון יחיד (מתאים לארונות בצפיפות בינונית, כוח פחות או שווה ל 15 קילוואט).
בשילוב עם מיזוג אוויר בין שורות (מיזוג אוויר נפרס בין שורות ארון כדי לקצר את נתיב זרימת האוויר ולשפר את היעילות).
יתרונות: טכנולוגיה בוגרת, עלות פריסה נמוכה, תחזוקה קלה.
חסרונות: יכולת חום באוויר נמוך, לא מספקת יעילות בתרחישים של צפיפות הספק גבוהה (שדרג לקירור נוזלי כאשר כוח ארון יחיד> 20 קילוואט).
● קירור נוזלי (קירור נוזלים)
עקרון: השתמש במדיום נוזלי כדי לפנות ישירות או בעקיפין את הרכיבים המייצרים חום, קח את החום דרך זרימת הדם ואז העביר את החום למערכת הקירור החיצונית דרך מחליף החום.
סיווג וטכנולוגיה:
קירור נוזלי עקיף (סוג צלחת קרה):
רכיבים המייצרים חום (כמו CPU, GPU) נוצרים דרך צלחת הקרה המתכתית, ונוזל הקירור (מים או נוזל שאינו מוליך) זורם בצלחת הקרה כדי לספוג חום מבלי לפנות ישירות לרכיבים האלקטרוניים.
יתרונות: בטיחות גבוהה (נוזל שאינו מוליך הוא אופציונלי), תואם לארכיטקטורת השרת הקיימת וקושי נמוך בטרנספורמציה.
יישום: תרחישי מחשוב בצפיפות גבוהה (כגון שרתי AI, אשכולות HPC), כוחו של ארון יחיד יכול להגיע ל 20-50 kW.
קירור נוזלי ישיר (טבילה):
חומרת השרת שקועה לחלוטין בנוזל או שמן מינרלי שאינו מוליך. הנוזל סופג חום ומאדה, והקיטור נוזל וזורם חזרה דרך הקבל (קירור שינוי שלב, יעילות גבוהה יותר).
יתרונות: יעילות פיזור חום גבוהה במיוחד (כוח ארון יחיד יכול להגיע ליותר מ 100 קילוואט), אין צורך במאוורר, רעש נמוך, PUE יכול להיות נמוך עד 1.05 ומטה.
יישומים: מחשוב ביצועים גבוה במיוחד, חוות כריית blockchain, אשכולות אימונים AI בקנה מידה גדול.
ריסוס קירור נוזלים:
נוזל הקירור מרוסס על פני אלמנט החימום דרך זרבובית, בשילוב אידוי לספיגת חום, שהוא בין סוג הלוח הקרה לסוג הטבילה.
יתרונות: יעילות פיזור חום גבוהה, הפחתה משמעותית ב- PUE ותמיכה בצפיפות כוח גבוהה במיוחד.
חסרונות: השקעה ראשונית גבוהה (חובה על שינוי ארון וצינור), מורכבות תחזוקה גבוהה וניהול נוזל קירור מקצועי.
● קירור טבעי (קירור בחינם)
עקרון: השתמש במקורות קרים טבעיים חיצוניים (כמו אוויר בטמפרטורה נמוכה, מי תהום, מגדלי קירור) כדי להחליף קירור מכני להפחתת צריכת האנרגיה.
טכנולוגיות טיפוסיות:
קירור טבעי בצד האוויר:
קירור אוויר צח: אוויר חיצוני בטמפרטורה נמוכה מוצג ישירות למרכז הנתונים לאחר סינון (יש לשלוט על לחות ואבק בקפדנות), ואוויר חם משוחרר בחוץ.
צינור חום/מחליף חום: חום מקורה מועבר מבחוץ דרך צינורות חום או מחליפי חום צלחת כדי להימנע מערבוב אוויר ישיר (המתאים לאזורים עם לחות גבוהה).
קירור טבעי בצד המים:
השתמש במגדלי קירור או במקררים יבשים כדי להשתמש ישירות בצ'ילרים כדי לספק מי קירור בטמפרטורה נמוכה כאשר טמפרטורת החוץ נמוכה, ומפחיתה את זמן הריצה של המדחס.
בשילוב עם מערכת זרימת מים סגורה, מונע זיהום מים להשפיע על פיזור החום.
מקור קרקע/קירור מקור מים:
השתמש במי תהום, מי אגם או מחליפי חום אדמה כדי לחלץ מקורות קרים טבעיים באמצעות מערכות משאבת חום, ידידותיות לסביבה אך מוגבלת על ידי מיקום גיאוגרפי.
יתרונות: להפחית מאוד את צריכת אנרגיית הקירור, ה- PUE יכול להיות נמוך עד 1.1 ומטה, ירוק וחיסכון באנרגיה.
חסרונות: תלוי בתנאי אקלים חיצוניים (יתרונות ברורים באזורים קרים), ודורש ציוד נוסף להחלפת חום.
3. טכנולוגיות קירור מפתח וחידושים
בנוסף לשיטות הבסיסיות לעיל, טכנולוגיית הקירור של מרכז הנתונים מתפתחת לקראת יעילות גבוהה, אינטליגנציה ופחמימות נמוכה. להלן הטכנולוגיות המיינסטרים והמתקדמות הנוכחיות:
● טכנולוגיית קירור יעילות גבוהה
צ'ילר ריחוף מגנטי: שימוש במדחס ריחוף מגנטי, ללא אובדן שמן סיכה, יחס יעילות אנרגיה (COP) יכול להגיע ליותר מ -10, שהוא יותר מ -30% חיסכון באנרגיה מאשר צ'ילרים צנטריפוגליים מסורתיים.
קירור אידוי: הורדת טמפרטורת האוויר על ידי ספיגת חום דרך אידוי מים (כמו מכשיר אדים של סרט רטוב + מאוורר), המתאימה לאזורים יבשים, יכולה להפחית מאוד את הביקוש לקירור מכני.
קירור זרימה דו-פאזי: באמצעות שינוי שלב נוזלי (אידוי-אידוי) להעברת חום יעילה, כגון צינור חום לולאה (LHP) וצינור חום פועם (PHP), לפיזור חום ברמת השבב.
● אופטימיזציה של אינטליגנציה ויעילות אנרגיה
AI ולמידה מכונה:
נתח נתונים היסטוריים באמצעות אלגוריתמי AI, מנבא שינויי עומס, התאם באופן דינמי את פרמטרי ההפעלה של מזגנים, מאווררים, משאבות מים וציוד אחר ולהשיג אופטימיזציה של יעילות אנרגיה (כמו טכנולוגיית DeepMind של גוגל יכולה להפחית את צריכת האנרגיה לקירור ב- 40%).
ניטור בזמן אמת אחר כתמים חמים, התאמה אוטומטית של חלוקת זרימת אוויר או זרימת נוזלים כדי למנוע התחממות יתר מקומית.
תאום דיגיטלי: בנה מודל וירטואלי של מרכז הנתונים, מדמה את ההשפעות של פתרונות קירור שונים ומיטב את הפריסה ואת אסטרטגיות התפעול והתחזוקה.
● התאוששות חום פסולת וניטרליות פחמן
שימוש חוזר בחום פסולת: מחזר את החום המוזרם ממערכת הקירור לחימום, מים חמים או תהליכים תעשייתיים (כמו מרכז הנתונים הנורדי בשילוב עם מערכת החימום האזורית) כדי לשפר את השימוש באנרגיה הכללית.
סינרגיה לאנרגיה ירוקה: שלב אנרגיה מתחדשת כמו פוטו -וולטאיקה וכוח רוח להפעלת מערכת הקירור ולהפחתת פליטת הפחמן; מרכזי נתונים מסוימים משתמשים בתאי דלק, שחום הפסולת שלהם יכול לשמש ישירות לחימום או לייצור חשמל.
קירור נוזלי עבודה טבעיים: השתמש במקררים נמוכים ב- GWP (פוטנציאל התחממות כדור הארץ) כמו אמוניה (NH3) ובפחמן דו חמצני (CO₂) כדי להחליף את הפריון המסורתי, בהתאם לתקנות הסביבתיות (כמו תקנות ה- F-GAS של האיחוד האירופי).
● פופולריזציה של טכנולוגיית קירור נוזלי טבילה
עם פיצוץ AI ומחשוב בעל ביצועים גבוהים, שרתים בצפיפות גבוהה (כמו אשכולות GPU) קידמו קירור נוזלי טבילה כדי להפוך למקום חם:
מאפיינים של נוזל פלואורי: בידוד, נקודת רתיחה נמוכה (בערך 50-60 תואר), מתאימים לקירור לשינוי פאזה, אין צורך לשנות חומרת שרת.
מגמת הפחתת עלויות: עם יישום בקנה מידה גדול, מחיר הנוזל הפלואורי ירד בהדרגה, וניתן להשתמש בו מחדש (אורך חיים של יותר מעשר שנים), וניתנים ליתרונות עלות לטווח הארוך.
4. תרחישי בחירה ויישומים של טכנולוגיית קירור
בחירת פתרונות הקירור למרכזי נתונים צריכה לשקול באופן מקיף צפיפות כוח, מיקום גיאוגרפי, יעדי תקציב ויעילות אנרגיה:
| תַרחִישׁ | שיטת קירור מומלצת | פו טיפוסי | כוח ארון יחיד |
| צפיפות כוח נמוכה (<5 kW) | קירור אוויר ברמת מחשב + בידוד ערוץ קר וחם | 1.5-1.8 | פחות או שווה ל -5 קילוואט |
| צפיפות כוח בינונית (5-20 kw) | קירור אוויר ברמת הארון + מיזוג אוויר בשורה לשורה | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| צפיפות כוח גבוהה (20-50 kw) | קירור נוזלי צלחת קרה + קירור טבעי | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 קילוואט) | קירור נוזלי שקוע + התאוששות חום פסולת | 1.05-1.1 | 50-100 kw+ |
| אזורים קרים | קירור טבעי (אוויר/צד מים) + קירור עזר | 1.08-1.2 | גָמִישׁ |
| אזורים צחיחים | קירור אידוי + קירור טבעי | 1.1-1.3 | גָמִישׁ |
5. מגמות פיתוח עתידיות
●מרכזי נתונים נמוכים בפחמן ופחמן:מונע על ידי מדיניות (כמו יעדי "פחמן כפול" של סין), קירור טבעי, התאוששות חום בזבוז ואנרגיה מתחדשת יהפכו למיינסטרים, ויעד ה- PUE ינוע לכיוון 1. 0.
● קנה מידה של טכנולוגיית קירור נוזלים:מחשוב AI וקצה מניעים ביקוש בצפיפות גבוהה, קירור נוזלי טבילה חודר מתרחישים מתקדמים למרכזי נתונים כלליים, ותקני התעשייה (כמו מפרטי קירור נוזלים של OCP) מאוחדים בהדרגה.
● פיזור חום מדויק ברמת השבב:קירור מיקרו -ערוצי, קירור ריסוס וטכנולוגיות אחרות פועלות ישירות על השבב כדי להפחית את אובדן נתיב העברת החום.
● אינטליגנציה עם שרשרת מלאה:מניטור ציוד לאופטימיזציה גלובלית, AI והאינטרנט של הדברים (IoT) משולבים עמוק בכדי להשיג "תחזוקה חזויה" וקירור אדפטיבי.
●מודולריזציה ותחום טרומי:ארונות קירור נוזליים טרומיים ומרכזי נתונים מסוג מכולות מואצים לפריסה, קיצרים את מחזור הבנייה ומפחיתים את עלויות התפעול והתחזוקה
מערכת הקירור של מרכז הנתונים היא קישור מרכזי באיזון בין ביצועים, עלות ויעילות אנרגיה. יש להתאים את בחירת הטכנולוגיה לתנאים ולצרכים המקומיים. עם הפיצוץ של דרישת כוח המחשוב וקידום הטרנספורמציה הירוקה, קירור נוזלי יעיל, קירור טבעי וניהול אינטליגנטי יהפוך לכיוון הליבה של התפתחות עתידית, ויניע את התפתחות מרכזי הנתונים לכיוון "פחמן נמוך, יעיל ובר-קיימא".
