Nowe podejście do projektowania chłodzenia serwerów

Nowe podejście do projektowania chłodzenia serwerów

Andrzej WESOŁOWSKI

W niniejszym artykule skupię się na zagadnieniach dotyczących chłodzenia procesorów, które są podstawowym elementem każdego serwera zlokalizowanego w Centrach Przetwarzania Danych. Procesor w czasie swojej pracy wydziela duże ilości ciepła, które należy odprowadzić, aby serwer mógł w miarę efektywnie pracować.

Z doświadczeń firm komputerowych wynika, że ze wzrostem temperatury serwera, jego praca staje się wolniejsza. Stosowane obecnie metody chłodzenia procesorów ograniczają się do konwekcyjnego odprowadzenia ciepła (rys. 1.) wydzielanego przez procesor i przy pomocy wentylatora odprowadzenie tego ciepła poza serwer. W Centrach Przetwarzania Danych chłodzonych obecnie centralnie, ciepło to odprowadzane jest na zewnątrz poprzez układ chłodniczy. Nie jest to najefektywniejsza metoda chłodzenia procesorów, ponieważ aby schłodzić procesor do optymalnej temperatury, trzeba by wychłodzić Centrum Przetwarzania Danych do bardzo niskiej temperatury, co z kolei miałoby niekorzystny wpływ na pracę serwera i wysoki koszt centralnego układu chłodniczego. Ze względu na niską efektywność obecnego sposobu chłodzenia serwerów, przodujące firmy produkujące serwery zastanawiają się nad innymi, bardziej efektywnymi metodami chłodzenia procesorów.

Obecny stan chłodzenia serwerów

Pomieszczenia, w których instalowane są serwery, wymagają instalowania układów chłodniczych o dużej wydajności. Związane to jest z trzema podstawowymi elementami wydzielającymi i emitującymi ciepło w serwerowni. Największym obciążeniem cieplnym dla instalacji chłodniczej w Centrach Przetwarzania Danych (Data Centers) są serwery. Mniejsze obciążenie cieplne pochodzi od oświetlenia i przenikania ciepła do wnętrza Centrum Przetwarzania Danych przez przegrody. W obecnie istniejących i budowanych Centrach Przetwarzania Danych stosuje się chłodzenie całej przestrzeni Centrum, którego powierzchnia i objętość są bardzo duże.

W takich przypadkach wydajność chłodnicza instalacji jest bardzo duża, a chłodzenie przestrzeni Centrum Przetwarzania Danych odbywa się poprzez wymuszony przepływ powietrza chłodnego, które nie tylko obniża temperaturę serwera, ale również wychładza całą objętość wewnętrzną Centrum. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że obecnie wymagana temperatura w Centrum Przetwarzania Danych powinna wynosić około 15°C, to możemy sobie wyobrazić wydajność chłodniczą instalacji chłodzącej Centrum. Temperatura otoczenia serwera około 15°C nie zapewnia procesorowi zainstalowanemu w serwerze temperatury, w której ma on największą wydajność przetwarzania i przesyłania danych. Jeżeli przyjrzymy się typowemu elementowi pojedynczego serwera (rys. 1.), który jest zainstalowany w serwerze centralnym (rys. 2.), to zauważymy, że omywające serwer chłodne powietrze nie ma możliwości dotarcia do podstawowego elementu serwera, jakim jest procesor.

Faktem jest, że na każdym procesorze zainstalowany jest żebrowy wymiennik ciepła (rys. 1.), który poprawia wymianę ciepła pomiędzy otaczającym go powietrzem a procesorem. Obecne wymiary procesorów to z reguły 26 x 32 mm. Jak się okazuje, wymagania odnośnie szybkości przekazywania i przetwarzania danych rosną i już myśli się o zwiększeniu szybkości przetwarzania i przekazywania danych, co spowoduje powiększenie powierzchni procesorów, a to z kolei wpłynie na zwiększone wydzielanie ciepła przez procesor i będzie wymagało rozbudowy dotychczas istniejącej instalacji chłodniczej Centrum.

Aby procesor był w stanie pracować w zakresie swoich optymalnych szybkości, wymagana temperatura jego powierzchni powinna być około 8÷10°C. Oczywiście nie jest się w stanie osiągnąć tej temperatury procesora, stosując obecnie projektowane i instalowane centralne systemy chłodzenia Centrów Przetwarzania Danych. Utrzymanie wymaganej temperatury nie tylko optymalizuje szybkość przesyłania i przetwarzania danych, ale również poprawia zdecydowanie ich jakość.

Obecnie produkowane procesory wydzielają około 70 W/h energii cieplnej w czasie ich normalnej pracy. W przypadku procesorów o zwiększonej powierzchni i zdecydowanie większej szybkości przetwarzania i przekazywania danych szacuje się, że większy procesor będzie wydzielał około 150 W/h energii cieplnej. Znając te wielkości, nietrudno wyliczyć ilość wydzielanego ciepła przez każdy zainstalowany serwer. Musimy pamiętać, że ilość wydzielanego przez procesor ciepła jest funkcją ilości operacji w jednostce czasu i szybkości, z jaką procesor przetwarza otrzymane dane.