空冷の代替としてのNovecベースの浸漬サーバーまたは農場冷却システム

みなさんこんにちは！



前回の記事サーバー保護のためのNovec 1230 Dry Waterで引き続き製品についてお話ししており、サーバー冷却の革新について多くの質問があったため、多くの質問に対する回答を別の投稿で分けることにしました！ さらに、最近では、当社のソリューションが香港最大の暗号化ファームで使用されました！





ボードから式を学びますか？



この記事では、 フルオロケトンをベースにしたパッシブ2相浸漬サーバー冷却システムの可能性と利点について説明しています 。 この記事では、陰謀や調査、技術の分析、実験が待っています！

空冷システム

最初に、従来の空冷システムの限界について説明します。 従来の空気冷却システムの低効率の理由は、熱伝達の多くのプロセスによる熱力学の第2法則（熱プロセスの不可逆性）の作用、冷気と加熱空気の流れの混合、冷却装置（チラー、エアコンなど）の高電力消費、および使用熱伝達ユニットとしての空気。 これらのテクノロジーを実装する際、現在、上記の1つ以上の理由により、その有効性が低下していることが考慮されています。



水冷式リアドア、ダクト式空冷システム、強制循環ラックにより、空気の混合が制限されます。 これらおよびその他のテクノロジーにより、チラーなしでシステムを操作し、天候が許せばエコノマイザーの使用に切り替えることができます。

エコノマイザーが常時稼働しているシステムは、設計がシンプルで、エネルギー効率の評価が1.3未満になります。 このようなサーバールームは、比較的寒い気候の地域に配置する必要があります。



また、他の譲渡できない経済的側面と環境への影響を考慮する価値があります。 シャーシ、ラック、またはサーバーレベルでエアフローを制御できるため、新しいデータセンターを設置するとき、または既存のデータセンターを拡張するときに、かなりのコストがかかります。

したがって、エネルギー効率の向上の問題は、過剰な熱を除去する方法だけでなく、その使用方法の観点からも考慮する必要があります。 ただし、データセンターから任意の距離で除去された熱を回収する可能性とコストは、大量の空気の流れとその有用な仕事の価値が低いことによって制限されます。

従来の液体冷却システムとその制限を考慮してください

液体冷却は、空冷の効率が低いという上記の理由の影響を減らし、除去された熱の回収を促進し、熱力学的可用性を高めることができます。 ある研究では、スーパーコンピューター用の2つの冷却システム（ハイブリッド空気/液体冷却システムと空気システム）を比較しました。 同じ研究では、完全に液体の冷却システムと同じシステムの有効性が予測され、チラーがなくても、またはエコノマイザーを使用しても機能しました。

後者の構成は、空冷クラスターと比較して、冷却エネルギーを最大90％節約します。

それで問題は何ですか？

ただし、従来の液体冷却システムの導入は、単相または二相、閉鎖型または浸漬型にかかわらず、サーバー内の発熱デバイスの数とバリエーション、およびラック内の各サーバーに対してホットスワップ手順を実行できる要件によって複雑になります） これにより、回路基板で発生したすべての熱を外部クーラントの流れに向ける作業が複雑になります。

その結果、ハイブリッド空対液冷却システムは、冷却プレート、スタンバイポンプ、給水口、クイックカプラー、センサー、熱交換器の設計と製造のコストをもたらします。



完全に液体の冷却システムはさらに複雑であることが多く、追加の冷却プレート、グラブ（フック装置付きホイスト） 、および密閉された電気コネクタの設置が必要です。 多くのこのようなシステムの有効性は、二次または三次の熱界面と冷却液の温度グライドによって制限されます（これは、組成の変化の結果として沸騰する液体の温度の変化です） 。 また、流体がハイドロフルオロカーボンまたはパーフルオロカーボンであるシステムでは、漏れが発生する可能性があり、これにより、地球温暖化の可能性が高い物質が大気中に放出されます。



したがって、天然資源の使用と有害物質の排出を最小限に抑えるシンプルでコンパクトな冷却システムが必要です。 この場合、プロセッサチップのアクティブレイヤーと二次冷却材としての水との温度差を最小限に抑えながら、放出された熱をすべて除去する必要があります。 システムはモジュール式で、新しい機器用に簡単にカスタマイズできるスケーラブルでなければなりません。

既存の液体冷却システム

トランス、トラクションコンバーター、専用コンピューター、クライストロンなどの高価な電子機器を冷却するために、受動的な2相浸漬冷却システムが長い間使用されてきました。 この技術は比較的単純で、信頼性が高く、効率的です。





マイニングダンプトラクションコンバータ。



これらのシステムは通常、圧力容器と密閉型電気コネクタを使用します。 タンクは、冷蔵庫とほぼ同じ方法で空にされ、充填され、現場でのサービスは不可能です。 交換可能なコンポーネントとコネクタの数が膨大なため、コンピューター用に同様の冷却システムを作成するのは高価で困難です。 このため、Datacom機器のコンテキストでは、多くの人が水中冷却をまったく考慮していません。

露天風呂付きスチーム脱脂剤

これらのデバイスは、ネジやベアリングから整形外科インプラント、プリント基板、インジェクターノズルに至るまで、さまざまな部品の精密洗浄に世界で広く使用されています。





Reibesam蒸気脱脂剤。

次の記事では、この技術について説明します。



脱脂剤は、周囲の上部に2列の冷却コイルが取り付けられた、開いた長方形の容器です。 一定の高さまで、タンクは2つの部分、または揮発性溶媒で満たされたバスタブに分割されます。 最初の槽では、溶媒が下から加熱されて沸騰します。 蒸気は冷却コイルの最初の列の高さまで上昇し、このレベル以下の飽和蒸気のゾーンを作成します。 凝縮水は流れ落ち、水分離器を通ってすすぎ槽に流れ込みます。 したがって、蒸留の結果として、汚染物質のない溶媒のみがこの槽に入ります。





蒸気脱脂剤のスキーム。



これらのシステムは、シフトごとに何千もの部品を洗浄でき、少量の溶剤を消費します。 さらに、ほとんどの場合、使用していないときは完全に開いているか、水平に動く蓋で覆われています。 アブレーションの結果としての溶媒の損失は、0℃未満の温度で動作する二次冷却コイルによって最小限に抑えられます。

露天風呂水中冷却コンセプト

このコンセプトは、電子機器を半開浴に浸漬することで冷却できるという前提に基づいています。これは、上記の蒸気脱脂剤とほぼ同じです。 「半開」という用語は、機器へのアクセスが不要な場合にバスタブが閉じられ、そのような設計の例として食品用の冷凍庫を使用できることを意味します。 同様に、バスは大気圧で動作し、供給および放電される電気用の特別なタイトなコネクタはありません。



このシステムでは、各サーバーまたはノードは、（サーバーラックの背面壁ではなく）バスの底部でバックプレーンに接続されます。 浴槽の一部は揮発性の誘電性流体で満たされています。





オープン浸漬冷却システムのモデル。



液体レベルより下の電気配線はチャネルに引き込まれ、タンクの上部からチャネルから出ます。 内蔵の蒸気凝縮器は、水道水または快適な暖房に​​使用される水で冷却されます（はい、米国にはそのようなものがあります） 。

さらに、蒸気は、いわゆる自然通風冷却塔に受動的に流入し、水を中間冷却材として使用することなく、熱を外気に直接伝達します。





3Mフルオロケトンを使用したAllied Controlプロジェクトは、オープンバスでの2相浸漬冷却です。



このコンセプトには、従来の液体冷却システムに比べて多くの利点があります。 基本原則は、空冷および液冷に必要なほとんどの機器の必要性がなくなることであり、したがって、その設置、信頼性、および電力消費に関連する問題は考慮されません。 電力密度とシステムの信頼性は非常に高いです。 さらに、この技術は本質的に耐火性です。

もちろん、このモデルのフレームワーク内では、たとえば連行の結果としての作動流体の損失など、他の側面も考慮する必要があります。 しかし、これらは無数のソケットではなく特定の場所で発生するため、技術的な手法を使用して簡単にカウントおよび削減できます。これについては後で説明します。





バスタブ内では、数十台のサーバーからの熱によりNovec液が沸騰します。

そのペアは冷却コイルで凝縮してシステムに戻ります。

熱効率

システムの熱効率は、2つのコンポーネントで構成されています。 1つ目は、プリント回路基板の設計によって決定され、冷却する必要のある主な要素であるプロセッサチップの活性層と作動流体の温度の温度差で定量的に表されます。 2番目の成分は、作動流体と供給される水の温度差によって決まります。 さらに、作動流体の温度とは、大気圧での沸騰温度を意味します。



チップ、基板、ヒートシンクを備えた熱分配カバーの形の典型的な構成のプロセッサは、受動的な水中冷却システムにほぼ理想的です。 ほとんどの場合、100ミクロンの多孔質金属コーティング層を塗布するだけでよく、沸騰中の熱伝達が向上します。 これらのコーティングは、30 W / cm2の熱流束で10 W / cm2 * K以上の熱伝達係数を提供します。

プロセッサの製造段階ですでにコーティング操作を導入すると、多くの液体冷却回路で一般的に使用される二次熱インターフェイスの必要性がなくなります。





水中2相3M冷却システムのモデル。



次に検討する価値のあるポイントは、このシステムが冷却できる最大出力を評価することです。 ある研究では、著者は、1 kWモジュールを冷却するために100 cm3の作動流体が必要であることを示唆しています。ただし、その構成が既知であり、考慮される場合、つまりコンポーネントの密度です。

実施した実験

実験のために、19 x 19 mmおよび200 Wの20個の発熱セラミックエレメントを備えたモデルのプリント基板を組み立てました。 同時に、片側に、サイズ30 * 30 * 3 mmの銅製のラジエーターをエポキシ接着剤でそれらに取り付け、反対側にも同じコーティングを適用して、沸騰中の熱伝達を増加させます。 作動流体と各要素の熱電対により、個々の熱抵抗を計算し、要素が膜沸騰モードにならないようにすることができます。 さらに、このモデルのプリント回路基板は、沸騰面と壁の間に4〜7 mmの隙間がある同じ形状の狭い垂直容器に浸されています。





暗号通貨ファームでNovecが沸騰。



実験中、ハイドロフルオロエーテル-3F7OCH3が作動流体として充填されている場合、この構成は大気圧で4 mmのギャップを介して4 kWの熱（各要素から200 W）を除去できることが示されました。 同時に、4 kWは11.7 W / cm2の熱流束に相当し、スプレー冷却を備えたCray X1Eスーパーコンピューターで観測された1.7 W / cm2の流量です！

実験結果は、作動流体100 cm3あたり1 kWの熱を除去できることを示しています。 使用される材料の量とさまざまな種類の排出も大幅に削減されます。

作動流体の化学

次の表は、1つのハイドロフルオロエーテルと2つのフルオロケトンの特性を示しています。 それらは必要な熱物理的特性を持ち、安全でさまざまな材料と互換性があり、オープン浸漬冷却システムでテストされています。

フルオロケトンの誘電特性は、浸漬冷却システムでよく使用されるC6F14ペルフルオロカーボンの誘電特性に類似していることに注意してください。 同時に、ハイドロフルオロエーテルは誘電率が高く、抵抗が低いため、使用が制限される場合があります。 地球温暖化係数が1である最初のフルオロケトンは、今日、消火剤として世界中で広く使用されています。

物件	作動液
分子式	C6F14	C6F9OH5	C6F12O	C7F14O
種類	PFC（パーフルオロカーボン）	HFE（ハイドロフルオロエーテル）	FC（フルオロケトン）	FC（フルオロケトン）
沸騰、°	56	76	49	74
凍結、°	<-100	<-100	<-100	<-100
フラッシュ、°C	いや	いや	いや	いや
σ、mN / m	12	13.6	10.8	12.3
k、W / m * K	0,057	0,068	0.059	〜0.06
液体、J / kg * K	1050	1220	1103	1130
ρ、kg / m3	1680	1420	1600	1670
ν、cSt	0.4	0.41	0.4	0.52
貪欲。 25°Cの蒸気、kPa	30.9	15.7	40,4	15.7
貪欲。 100°Cの蒸気、kPa	350	206	441	228
比抵抗、GΩ* m	1,000,000	0.1	10,000	10,000
誘電率	1.76	7.3	1.84	1.85
地球温暖化の可能性	9300	55	1	1
平均シフトMPC、ppm	定義されていない	200	150	150

流体損失の観点から費用対効果の高いシステム

実際、これは提示されたシステムの実行可能性に影響を与える主な要因です。

タンクの充填、起動、および運転中の液体損失を計算するための公式があります。 蒸気の巻き込みによる損失を減らすための最も効果的な方法は、上昇する蒸気が二次冷却コイルを使用して捕捉される設計を作成することであると結論付けることができます。





これらのラックには、ノベック液に浸されたASICマイニングボードが含まれています（ユニットは香港にあります）。

結果

上記の実験では、露天風呂で沸点49°Cの市販のフルオロケトンを使用し、1分あたり15ガロン（約3,785 * 15 = 56.8リットル）の水流で、チップの活性層の温度が使用されることが示されましたプロセッサは60°Cを超えません。 この場合、28°Cの温度の水を使用するだけで十分です



プロセッサのアクティブ層の温度を83°Cに上げることが許容され、同時に水の体積流量が毎分30ガロンに達する場合、温度が62°Cの一次コイルに水を使用できます。



タンクが冷却できる電力密度は130 kW / m2であり、これは空気またはハイブリッド冷却ラックに典型的な52 kW / m2の制限を大きく上回っています。 このタイプの完全な液体冷却システムを備えたサーバーの規模に移行すると、空冷を備えたサーバーの2.2 kW / m2に対して25 kW / m2になります。



さらに、空冷システムに必須の追加の機器を設置する必要がないため、このシステムはスペースを大幅に節約します。 除去された熱は、建物の暖房、温室の暖房、その他の物体に使用できます。

実用的な実装

新しい冷却コンセプトの実装例は、 こちらをご覧ください 。

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