Développement et discussion de la technologie d’ingénierie des centres de données à refroidissement liquide

 

Étant donné que la capacité thermique spécifique du liquide par unité de volume est d'environ 1,000 fois celle de l'air, le refroidissement liquide (dissipation thermique) a une capacité de refroidissement bien supérieure à celle du refroidissement par air conventionnel. C'est une solution efficace pour dissiper la chaleur générée par des densités de flux thermique ultra élevées. En 1964, pour remédier à la surchauffe et aux temps d'arrêt des grands ordinateurs centraux, IBM a développé le premier ordinateur réfrigéré refroidi à l'eau au monde, le System360, pionnier des ordinateurs refroidis par liquide. Récemment, sous l'impulsion des politiques nationales et locales de gestion de l'efficacité énergétique, la technologie de refroidissement liquide a de nouveau attiré l'attention dans l'industrie des centres de données, conduisant au développement d'une série de technologies d'ingénierie pour centres de données refroidis par liquide.

 

 

I Méthodes de mise en œuvre du refroidissement liquide

 

Au sens large, le refroidissement liquide désigne toutes les technologies liées au refroidissement liquide. L'industrie connaît des méthodes telles que l'installation de serpentins à eau froide sur les panneaux arrière des racks, qui sont considérées comme du refroidissement liquide, relevant du concept large de refroidissement liquide. L'Institut chinois d'électronique (CIE), lors du développement d'une série de normes de conception de centres de données refroidis par liquide, a clarifié le concept de refroidissement liquide à travers des discussions industrielles. Selon leur définition, le refroidissement liquide fait spécifiquement référence à l'élimination directe de la chaleur générée par les puces électroniques à l'aide de liquides, de sorte que la définition étroite du refroidissement liquide ne fait référence qu'au processus de refroidissement à l'intérieur du serveur.

 

Du point de vue de la définition étroite du refroidissement liquide, celui-ci peut être classé en deux grandes catégories : le contact direct du liquide de refroidissement avec la puce électronique ou le contact indirect via un matériau solide à haute conductivité thermique. Ceux-ci peuvent ensuite être subdivisés en fonction de la forme de contact, du type de liquide de refroidissement et du fait que le liquide de refroidissement subit ou non un changement de phase. Les méthodes de refroidissement liquide sont généralement considérées comme se répartissant en huit catégories (voir tableau 1).

 

▲ Tableau 1 : Classification des mises en œuvre du refroidissement liquide

 

 

II Demande de refroidissement liquide dans les scénarios de centres de données

 

Comme les systèmes conventionnels refroidis par air couramment utilisés dans les centres de données, le rôle du refroidissement liquide est d'éliminer la chaleur générée par les équipements informatiques tels que les serveurs et autres équipements d'installation (par exemple, les batteries UPS) afin de maintenir un environnement relativement stable avec une température et une humidité appropriées. dans le centre de données.

 

Premièrement, les besoins en matière de dissipation thermique sont au cœur du développement de la technologie de refroidissement liquide. Alors que la demande en capacités de traitement de données augmente rapidement, l’intégration des puces électroniques continuera probablement à croître de façon exponentielle à l’avenir. Cela entraînera une augmentation de la densité de puissance et de la densité du flux thermique. La nécessité de vitesses de transmission de données plus rapides et d'un confort d'utilisation amélioré entraînera une plus grande intégration des équipements, ce qui entraînera à son tour des exigences plus élevées en matière de dissipation thermique pour les équipements informatiques tels que les serveurs. Cela augmentera également les exigences environnementales liées à l'exploitation. En conséquence, le refroidissement par air nécessitera des ventilateurs plus rapides et de plus grand diamètre et des canaux de dissipation thermique plus grands, ce qui entraînera un bruit important, un impact thermique plus important sur l'environnement et une augmentation des coûts de construction et d'exploitation. Le refroidissement liquide offre un meilleur rapport qualité-prix.

 

Deuxièmement, les politiques de gestion de l’efficacité énergétique stimulent l’adoption de la technologie de refroidissement liquide. Une autre raison importante pour laquelle l'industrie des centres de données se concentre sur le refroidissement liquide est due aux politiques nationales et locales de gestion de l'efficacité énergétique. Les exigences nationales et locales en matière d'efficacité de la consommation d'énergie (PUE) des centres de données deviennent de plus en plus strictes, plaçant le refroidissement liquide sous les projecteurs de l'industrie des centres de données. La dernière norme nationale, Data Center Energy Efficiency Limit Values ​​and Energy Efficiency Grades (GB 40879-2021), exige que la consommation d'énergie soit inférieure à 1,3, ce qui est difficile à atteindre en utilisant uniquement le refroidissement par air dans la plupart des régions du pays, ce qui nécessite le utilisation de la technologie de refroidissement liquide.

 

Troisièmement, la commodité de la récupération de la chaleur perdue pourrait conduire à l’adoption du refroidissement liquide dans les centres de données. Les centres de données construits à l’aide de solutions de refroidissement liquide génèrent une chaleur résiduelle de qualité relativement supérieure et sont plus faciles à récupérer. Les projets de récupération de chaleur résiduelle dans les centres de données refroidis par liquide constituent un moyen efficace d’atteindre une utilisation complète de l’énergie et d’améliorer l’efficacité énergétique. Certains chercheurs ont déjà proposé l’idée de construire des centres de données à grande échelle comme sources de chaleur pour les villes ou les parcs industriels.

 

 

III Développement de la technologie d'ingénierie des centres de données refroidis par liquide

 

Le processus d’élimination de la chaleur générée par les puces électroniques grâce au refroidissement liquide n’est que le début du processus de refroidissement dans un centre de données. La génération continue de chaleur à partir des puces électroniques nécessite un fonctionnement soutenu, stable et fiable de la technologie d'ingénierie du centre de données à refroidissement liquide pour maintenir le refroidissement des puces.

 

Les principes et la pratique du refroidissement liquide diffèrent du refroidissement par air. Plus précisément, les concepts de dissipation thermique et de refroidissement présentent des différences subtiles : à partir d'une température supérieure ou inférieure à la température ambiante. Pour mieux organiser le cadre technologique d'ingénierie des centres de données refroidis par liquide, les puces électroniques sont considérées comme la source, dans le but de transférer la chaleur générée par les puces vers l'extérieur du centre de données, garantissant ainsi le fonctionnement stable des équipements informatiques. Ainsi, la technologie d’ingénierie des centres de données refroidis par liquide est divisée en processus de refroidissement primaire et secondaire. Ce concept diffère des aspects primaires et secondaires du refroidissement par air conventionnel des centres de données.

 

Le processus de refroidissement primaire de la technologie d'ingénierie des centres de données refroidis par liquide refroidit les composants à haute densité de flux thermique des équipements informatiques électroniques et transfère la chaleur générée à l'extérieur du rack. Il est également appelé refroidissement primaire (dissipation thermique), refroidissement initial, refroidissement interne ou refroidissement par circulation interne. Le processus de refroidissement primaire est strictement un processus de refroidissement liquide et implique généralement une boucle fermée d'équipements ou de composants de refroidissement liquide à l'extrémité de la puce, une unité de distribution de refroidissement (CDU), des distributeurs de liquide de refroidissement et des pipelines. L'unité de distribution de refroidissement (CDU) contient des pompes et des échangeurs de chaleur, fournissant la force de circulation du liquide de refroidissement. Un processus de refroidissement primaire typique implique la circulation d'une certaine température et d'un certain débit de liquide de refroidissement du CDU vers l'équipement ou les composants de refroidissement liquide à l'extrémité de la puce. Le liquide de refroidissement échange de la chaleur avec les puces par contact direct ou indirect via des matériaux à haute conductivité thermique tels que les métaux. Le liquide de refroidissement à haute température ou la vapeur de liquide de refroidissement chauffé retourne ensuite vers le CDU via les canalisations, où il échange de la chaleur avec le liquide de refroidissement secondaire. Après refroidissement, le liquide de refroidissement à basse température est renvoyé vers l'équipement ou les composants de refroidissement liquide à l'extrémité de la puce par le CDU, complétant ainsi un cycle complet. Les liquides de refroidissement couramment utilisés dans le processus de refroidissement primaire comprennent les solutions d'éthylène glycol, les solutions de propylène glycol, l'eau déminéralisée, etc., et certaines solutions utilisent des liquides fluorés, bien que les exigences physiques en matière de liquides de refroidissement varient considérablement selon les différentes solutions de refroidissement liquide.

 

Une unité de distribution de froid (CDU) est un équipement couramment utilisé. Une architecture CDU typique est illustrée à la figure 1. En plus de fournir une force de circulation et un échange thermique pour le liquide de refroidissement dans le processus de refroidissement primaire, cet équipement joue également le rôle de distribution de la puissance de refroidissement (pas seulement le débit du liquide de refroidissement). Il remplit donc généralement les fonctions suivantes :

 

1) Contrôle de la température et du débit : Surveillance dynamique de la température et du débit du liquide de refroidissement dans le processus de refroidissement primaire via des capteurs de température et de débit. Basé sur des modèles intégrés, le CDU ajuste dynamiquement la température, le débit ou la pression d'alimentation du liquide de refroidissement pour fournir une capacité de refroidissement adéquate tout en évitant la condensation dans la boucle de refroidissement primaire.

2) Assurer la séparation physique entre le liquide de refroidissement primaire et le liquide de refroidissement secondaire.

3) Filtration en ligne ou bypass du liquide de refroidissement.

4) Prise en charge de la gestion du réseau.

 

▲ Figure 1 : Architecture typique d'une unité de distribution de refroidissement (CDU)

 

Le processus de refroidissement secondaire de la technologie d'ingénierie des centres de données refroidis par liquide transfère la chaleur éliminée par le processus de refroidissement primaire à l'extérieur du centre de données, également appelé refroidissement secondaire, refroidissement externe, refroidissement par circulation externe ou dissipation thermique. Le liquide de refroidissement secondaire dans ce processus peut être de l'air, de l'eau de refroidissement, des solutions à base d'eau (par exemple, des solutions d'éthylène glycol, des solutions de glycérine) ou des réfrigérants, collectivement appelés liquides de refroidissement secondaires. Si l'air est utilisé comme liquide de refroidissement secondaire, le processus de refroidissement secondaire s'apparente au processus de refroidissement conventionnel à l'intérieur d'un centre de données. Si une solution à base d’eau est utilisée, le liquide de refroidissement secondaire circule dans ce qu’on appelle une boucle de refroidissement secondaire.

 

L'échange thermique entre les boucles de refroidissement primaire et secondaire a lieu dans le CDU. Après l'échange thermique dans le CDU, le liquide de refroidissement secondaire à haute température pénètre dans une source de refroidissement ou un équipement de récupération de chaleur perdue, transférant la chaleur à l'environnement ou permettant sa réutilisation. Le liquide de refroidissement secondaire retourne ensuite dans l'échangeur de chaleur après refroidissement, complétant ainsi un cycle complet. La source de refroidissement peut être une tour de refroidissement, un refroidisseur à sec, un refroidisseur, etc. Étant donné que le processus de refroidissement primaire permet à la température d'entrée du liquide de refroidissement secondaire d'atteindre 30 degrés ou plus, la source de refroidissement peut fonctionner uniquement en mode refroidissement naturel, ce qui explique pourquoi le refroidissement liquide La technologie peut atteindre une efficacité d’utilisation de l’énergie (PUE) relativement idéale. Un schéma typique de la technologie d'ingénierie du refroidissement liquide est présenté à la figure 2.

 

▲ Figure 2 : Schéma de la technologie d'ingénierie du refroidissement liquide

 

Certaines technologies de refroidissement liquide utilisent une conception basée uniquement sur le processus de refroidissement primaire, dans lequel le liquide de refroidissement transfère directement la chaleur à l'environnement. Cependant, dans la plupart des cas, cela nécessite des normes de pureté physique élevées pour le liquide de refroidissement, ce qui augmente les coûts. Si les pipelines sont trop longs, l’économie globale du système s’en trouve affectée. Par conséquent, les conceptions de refroidissement primaire sont mieux adaptées aux configurations compactes.

 

 

IV Discussion sur les tendances de développement futures des centres de données refroidis par liquide

 

Dans l’ensemble, le développement futur des centres de données refroidis par liquide reste incertain.

 

Premièrement, la force motrice de la promotion de la technologie de refroidissement liquide reposera toujours principalement sur les exigences de refroidissement (dissipation thermique) des équipements informatiques. Cependant, cela repose sur des prévisions concernant les tendances futures du développement des puces électroniques, ainsi que sur l'hypothèse selon laquelle la rentabilité de la technologie de refroidissement liquide établira progressivement un avantage sur la technologie de refroidissement par air. Néanmoins, il reste possible que les coûts élevés du refroidissement liquide conduisent à des conceptions de puces alternatives réduisant les besoins en refroidissement et en dissipation thermique.

 

Deuxièmement, le modèle de construction et d’utilisation des centres de données refroidis par liquide diffère considérablement des centres de données conventionnels refroidis par air. La caractéristique des centres de données refroidis par liquide est le degré élevé de couplage entre les équipements informatiques et l'infrastructure. En termes de principes techniques et d’assurance de fiabilité, ils ne peuvent essentiellement pas atteindre le même niveau de découplage que les centres de données conventionnels refroidis par air. En conséquence, les différents fournisseurs de solutions techniques et d’équipements fonctionnent largement indépendamment les uns des autres. Les propriétaires de centres de données sont susceptibles de devenir profondément liés à un fournisseur de solutions technologiques spécifiques. L’application de la technologie de refroidissement liquide dans les centres de données peut être considérée comme se développant sur la base de la perturbation du modèle commercial, du modèle de construction et du modèle industriel d’origine des centres de données conventionnels refroidis par air. Les services traditionnels de location d'armoires sont largement inapplicables aux centres de données refroidis par liquide. Cela constitue un obstacle important à la promotion ultérieure de la technologie de refroidissement liquide.

 

Troisièmement, la fiabilité des centres de données refroidis par liquide doit encore être validée. Bien que les fournisseurs actuels de solutions pour centres de données refroidis par liquide aient proposé des solutions telles que des tests de fiabilité améliorés et l'ajout de dispositifs de détection de fuite et d'alarme pour le liquide de refroidissement, les inquiétudes concernant les fuites potentielles dans la boucle de refroidissement liquide à l'intérieur de l'armoire, entraînant des dommages à l'équipement informatique, restent un sujet de préoccupation généralisé dans l’industrie.

 

La résolution de ces incertitudes dépend fortement de l’échelle d’application. Pour résoudre ce problème apparemment insoluble, monopoliser le marché et contrôler les industries en amont et en aval, dont il a été prouvé à maintes reprises qu’elles violent les lois du développement économique, n’est pas la solution. L’histoire a montré à maintes reprises que ceux qui parviennent les premiers à établir une chaîne industrielle et un écosystème fondés sur la division du travail et la coopération ont plus de chances de réussir dans la compétition. Avant de trouver une voie technique permettant de dissocier les équipements informatiques de l’infrastructure, la normalisation ne sera pas une solution magique au problème de découplage, ni un moyen efficace de limiter ou d’attaquer les concurrents. Cependant, utiliser la normalisation comme un outil pour faire progresser progressivement le découplage basé sur la recherche d’un terrain d’entente tout en préservant les différences, en partageant efficacement les expériences et en promouvant la séparation des processus de fabrication et de service pour parvenir à la spécialisation et au raffinement, peut contribuer à réduire les coûts globaux d’application. L'amélioration continue grâce aux tests d'application peut conduire à la formation d'une boucle de rétroaction positive qui élargit l'échelle du refroidissement liquide, devenant potentiellement la voie nécessaire au développement de la technologie de refroidissement liquide.

 

 

VConclusion

 

En fonction de facteurs tels que la compatibilité des serveurs, le type de liquide de refroidissement et la température de fonctionnement du refroidissement liquide, les technologies d'ingénierie pour les centres de données refroidis par liquide varient en conséquence. Actuellement, les technologies d'ingénierie de chaque voie technique sont encore en cours de développement et de finalisation, et il n'existe pas encore de voie technique parfaite reconnue par l'industrie. Il n’existe pas non plus de consensus sur les sous-domaines spécifiques applicables à chaque voie technique. La recherche de la certitude ultime dépendra de facteurs tels que la rentabilité, la fiabilité et la maintenabilité de la technologie d'ingénierie des centres de données refroidis par liquide, ainsi que de la recherche de solutions optimales grâce à une application pratique continue.