เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลว - วิธีใหม่ในการประหยัดพลังงานและลดการใช้ศูนย์ข้อมูล

ในยุคของเศรษฐกิจดิจิทัลและ Internet of Things การคำนวณและการประมวลผลข้อมูลขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีการขยายขนาดโครงสร้างพื้นฐานของศูนย์ข้อมูลอย่างต่อเนื่อง ซึ่งนำมาซึ่งปัญหาการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ตาม "รายงานการวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนา" โครงสร้างพื้นฐานใหม่ของจีน "ภายในปี 2568 ศูนย์ข้อมูลทั่วโลกจะครองส่วนแบ่งการใช้พลังงานทั่วโลกที่ใหญ่ที่สุดมากถึง 33% ในประเทศจีน การใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูลระดับชาติ เพิ่มขึ้นในอัตรามากกว่า 12% เป็นเวลา 8 ปีติดต่อกัน และสัดส่วนการใช้ไฟฟ้าในสังคมจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในอนาคต

 

 

การใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูลส่วนใหญ่มาจากสองด้าน: การใช้พลังงานของเซิร์ฟเวอร์เอง และพลังงานความเย็นที่จำเป็นสำหรับการระบายความร้อนของเซิร์ฟเวอร์ ด้วยการปรับปรุงพลังการประมวลผลในศูนย์ข้อมูล การลงทุนที่ใหญ่ที่สุดสำหรับศูนย์ข้อมูลที่สร้างขึ้นใหม่ไม่ใช่ตัวอาคาร แต่เป็นต้นทุนอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่ามีแหล่งจ่ายไฟและต้นทุนในการระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูล ตามสถิติ ระบบทำความเย็นในศูนย์ข้อมูลคิดเป็นประมาณ 40% ของการใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูลทั้งหมด

 

 

เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลวหมายถึงการใช้ของเหลวเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนกับส่วนประกอบทำความร้อนและนำความร้อนออกไป แทนที่จะระบายความร้อนโดยอ้อมผ่านอากาศ เช่น การระบายความร้อนด้วยอากาศ ของเหลวมีผลการนำความร้อนดีกว่าอากาศถึง 25 เท่า และมีผลในการถ่ายเทอุณหภูมิได้เร็วและดีขึ้น ในขณะเดียวกัน เนื่องจากของเหลวมีความจุความร้อนจำเพาะสูง อุณหภูมิของของเหลวจึงไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากดูดซับความร้อนจำนวนมาก จึงทำให้อุณหภูมิของ CPU คงที่ เทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยของเหลวสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท คือ แบบสเปรย์, แบบแช่ และแบบแผ่นเย็น

 

 

ระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบสเปรย์:

เก็บของเหลวและรูเปิดไว้ที่ด้านบนของแชสซี เพื่อให้สารหล่อเย็นฉีดไปที่องค์ประกอบความร้อนตามตำแหน่งและขนาดการสร้างความร้อน เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการระบายความร้อนของอุปกรณ์ ของเหลวที่พ่นจะสัมผัสกับอุปกรณ์ระบายความร้อนโดยตรง ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำความเย็นสูง อย่างไรก็ตามในระหว่างกระบวนการฉีดพ่น ของเหลวจะเกิดการดริฟท์และการระเหยเมื่อสัมผัสกับวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง ละอองหมอกและก๊าซจะถูกปล่อยออกมาตามช่องว่างในรูแชสซีไปยังด้านนอกของแชสซี ส่งผลให้ความสะอาดของสภาพแวดล้อมห้องคอมพิวเตอร์ลดลงหรือส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์อื่น ๆ

 

 

การระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแช่:

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จะถูกจุ่มลงในของเหลวอิเล็กทริกโดยตรง ซึ่งวางอยู่ในภาชนะที่ปิดสนิทแต่เข้าถึงได้ง่าย และความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ไปยังของเหลว โดยปกติแล้ว ปั๊มหมุนเวียนจะใช้เพื่อจ่ายสารละลายฟลูออไรด์อิเล็กทรอนิกส์ที่ให้ความร้อนไปยังตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งสารละลายจะเย็นลงและหมุนเวียนกลับเข้าไปในภาชนะ ประเภทแช่สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: เฟสเดียวและสองเฟส ในการทำความเย็นด้วยของเหลวแบบจุ่มเฟสเดียว ของเหลวฟลูออรีนอิเล็กทรอนิกส์จะยังคงอยู่ในสถานะของเหลว ในการทำความเย็นด้วยของเหลวแบบแช่สองเฟส กระบวนการเดือดและการควบแน่นของของเหลวฟลูออริเนชันแบบอิเล็กทรอนิกส์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของของเหลวแบบทวีคูณ

 

 

การระบายความร้อนด้วยของเหลวแผ่นเย็น:

ระบายความร้อนชิปโดยตรงโดยการหมุนเวียนตัวกลางของเหลวผ่านปั๊มผ่านแผ่นเย็นที่ประกอบเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เพื่อกระจายความร้อน ของเหลวไม่สัมผัสโดยตรงกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่าของเหลวที่ไม่ใช่ไดอิเล็กตริก (เช่น น้ำ/เอทิลีนไกลคอล) มักใช้สำหรับการระบายความร้อนชิปโดยตรง แต่ของเหลวฟลูออริเนตอิเล็กทรอนิกส์อิเล็กทริกยังสามารถใช้สำหรับการใช้งานชิปโดยตรง ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการรั่วไหล และปรับปรุงความน่าเชื่อถือของฮาร์ดแวร์/อุปกรณ์ IT เทคโนโลยีเฟสเดียวและสองเฟสสามารถใช้เพื่อบรรลุการระบายความร้อนชิปโดยตรง

 

 

ปัจจุบันเทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลวได้ถูกนำไปใช้และตรวจสอบความถูกต้องในศูนย์ข้อมูลในประเทศและต่างประเทศบางแห่ง ตัวอย่างเช่น:
Alibaba Cloud: ในปี 2018 Alibaba Cloud ได้เปิดตัวคลัสเตอร์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์แห่งแรกของโลกที่ใช้เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลว X-Dragon Super Computing Cluster คลัสเตอร์นี้ใช้โซลูชันการทำความเย็นด้วยของเหลวแบบแช่สองเฟส โดยแช่เซิร์ฟเวอร์ไว้ในสารละลายฟลูออไรด์โดยสมบูรณ์ และกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการต้มและการควบแน่นของสารละลายฟลูออไรด์ จากข้อมูลของ Alibaba Cloud คลัสเตอร์นี้สามารถลดการใช้พลังงานของเซิร์ฟเวอร์ได้ 50% ปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนได้ 80% และประหยัดพื้นที่ศูนย์ข้อมูลและค่าบำรุงรักษา

 

 

Tencent Cloud ได้สร้างศูนย์ข้อมูลแห่งแรกของโลกโดยใช้เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบสเปรย์ Guiyang T3 Data Center ในเมืองกุ้ยโจวเมื่อปี 2562 ศูนย์ข้อมูลใช้รูปแบบการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบสเปรย์ ซึ่งพ่นสารละลายฟลูออไรด์ในรูปแบบอะตอมมิกส์เหนือเซิร์ฟเวอร์ และกระจายความร้อนได้สำเร็จ ผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารละลายฟลูออไรด์กับอากาศ จากข้อมูลของ Tencent Cloud ศูนย์ข้อมูลสามารถลด PUE ให้ต่ำกว่า 1.2 ประหยัดพื้นที่ห้องคอมพิวเตอร์ 30% และปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของเซิร์ฟเวอร์

 

 

Microsoft จมโครงการ Natick ซึ่งเป็นศูนย์ข้อมูลที่ใช้เทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยของเหลวใต้น้ำ ใต้ทะเลในสกอตแลนด์ในปี 2020 ศูนย์ข้อมูลใช้รูปแบบการทำความเย็นด้วยของเหลวแบบจุ่มเฟสเดียว โดยจุ่มเซิร์ฟเวอร์ลงในถังแรงดันที่เติมไนโตรเจนอย่างสมบูรณ์ และใช้น้ำทะเลเพื่อ การกระจายความร้อน จากข้อมูลของ Microsoft ศูนย์ข้อมูลสามารถจัดหาพลังงานแบบพอเพียงได้ และมีความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยที่สูงขึ้น

 

 

ด้วยการขยายขนาดของศูนย์ข้อมูลอย่างต่อเนื่อง ความหนาแน่นของการประมวลผลที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้น และความต้องการด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิมจึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการการพัฒนาของศูนย์ข้อมูลได้อีกต่อไป ในทางกลับกัน เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลวมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน เช่น การอนุรักษ์พลังงานและการลดการบริโภค การปรับตัวด้านสิ่งแวดล้อม การออกแบบที่ยืดหยุ่น การใช้ความร้อนเหลือทิ้ง และความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ทำให้เป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูล