Täisvedelikjahutusega serverite revolutsioon Tõhusad jahutuslahendused protsessori, mälu ja PCIe jaoks

 

Hiina 14. viieaastase plaani taustal, mis rõhutab digitaalmajanduse arengut, on andmekeskused digitaalset ümberkujundamist toetava põhiinfrastruktuurina, kuid neil on ka märkimisväärne süsinikdioksiidi heitkoguste surve. Kiibi ja serveri energiatarbimise suurenemisega suureneb võimsustihedus riiuli kohta ning traditsiooniline õhkjahutus muutub soojuse hajumise ja energia optimeerimise osas järk-järgult piiratuks.

 

▲ Andmekeskused

 

Vedeljahutus kui arenev jahutustehnoloogia kasutab komponentide tekitatud soojuse eemaldamiseks vedelat jahutusvedelikku. Võrreldes õhkjahutusega pakub vedelikjahutus mitmeid eeliseid, sealhulgas suure võimsusega kiipide tugi, pikenenud kiibi eluiga, andmekeskuste vähenenud PUE (Power Usage Effectiveness), parem soojusülekande efektiivsus, minimeeritud kuumuspunktid, tugi suuremate riiulitiheduste jaoks, väiksem müra ja parem kohanemisvõime keskkonnaga. Seetõttu saab vedelikjahutusest tulevase andmekeskuse ehitamise oluline osa, mis on keskkonnasäästliku andmetöötluse ja süsinikuneutraalsuse eesmärkide saavutamiseks ülioluline.

 

Täielikult vedelikjahutusega serverite sõlmed koosnevad sõlme šassiist, emaplaadist, CPU kiipidest, mälumoodulitest, mälu külmplaatidest, CPU külmplaatidest, IO külmplaatidest, toiteallikatest ja toiteallika soojusvahetitest.

 

 

I CPU külmplaadi disain

 

Protsessori külmplaadimoodul on loodud Inteli 5. põlvkonna Xeoni platvormi skaleeritava protsessori külmplaadi nõuete alusel. Külmplaadi projekteerimisel võetakse arvesse selliseid tegureid nagu soojuse hajumine, konstruktsiooni jõudlus, saagis, maksumus ja ühilduvus erinevate materjalidega, mille tulemuseks on optimeeritud võrdluskonstruktsioon. CPU külmplaat koosneb peamiselt alumiiniumklambrist, külmplaadist ja külmplaadi pistikutest.

 

▲ CPU külmplaat

 

 

II Mälu vedelikjahutuse disain

 

Vedeliku mäluga jahutusdisain kasutab uuenduslikku "rööbastee" vedelikjahutusradiaatorit, mis on saanud nime selle sarnasuse tõttu raudteede liipritega, kui mälupesad on täielikult hõivatud. See disain ühendab traditsioonilise õhkjahutuse külmplaadi jahutusega. Jahutusradiaator, mis sisaldab soojustorusid (või on valmistatud puhtast alumiiniumist/vasest, Aurukambrist jne), edastab soojuse mälust mõlemasse otsa, mis seejärel kontakteerub külmaplaadiga läbi valitud termopatjade, lastes vedela jahutusvedeliku külmaplaadile. soojust ära kandma.

 

Mälu ja jahutusradiaatori saab paigaldada minimaalse hooldusega üksuseks (mida nimetatakse mälumooduliks) väljaspool süsteemi, kasutades kinnitusi. Mälu külmplaat on disainitud sellise konstruktsiooniga, et oleks tagatud hea kontakt jahutusradiaatori ja mälukülmaplaadi vahel. Seda konstruktsiooni saab vajadusel kruvidega kinnitada või ilma tööriistadeta hooldada. Mälu külmplaadi ülemine osa jahutab mälu, alumine aga saab jahutada muid emaplaadi soojust tekitavaid komponente, näiteks VR-i, maksimeerides mälu külmplaadi kasutamist. Külmplaadi disaini lihtsustamiseks võib mälu ja emaplaadi vahele lisada adapteri klambri, mis vastab erinevate emaplaatide kõrguse vahekaugusele.

 

▲ Mälu külmplaat

 

Võrreldes olemasolevate torupõhiste vedelikjahutuslahendustega turul, on "rööbastee" vedelikjahutuskonstruktsioonil järgmised eelised:

 

Hoolduse lihtsus:Mälu hoolduse ajal hooldatakse mälumoodulit nagu õhkjahutusega mälumoodulit, ilma et oleks vaja eemaldada jahutusradiaatorit ja kinnitusi. See parandab oluliselt montaaži efektiivsust ja töökindlust, vähendades samal ajal mälukiipide ja termopatjade võimalikku kahjustamist paigaldamise ja eemaldamise ajal.

 

Hea ühilduvus: Tjahutust ei mõjuta erinevad mälukiibi paksused ega vahekaugused. Lahendus toetab minimaalset 7,5 mm mäluvahet ja on ülespoole ühilduv. Jahutusradiaatori ja külmplaadi lahtiühendatud disain võimaldab vedelikjahutusega mälu taaskasutada ja standardida.

 

Kõrgem kulutõhusus:Jahutusradiaatorit saab valida mälu energiatarbimise põhjal ja jahutusradiaatorite arvu saab konfigureerida vastavalt mälunõuetele. 7,5 mm mäluvahe korral suudab see lahendus rahuldada üle 30 W energiatarbimisega mälumoodulite jahutusvajadusi.

 

Lihtne valmistada ja kokku panna:Mälupesade vahel ei ole vedelikjahutustorusid, mis välistab vajaduse keeruka torukeevituse ja protsessi juhtimise järele. Jahutusradiaatorit saab valmistada traditsioonilise õhkjahutuse ja standardse CPU külmplaadi valmistamise tehnikaga. Termiline jõudlus ei ole tundlik jahutusradiaatori ja emaplaadi vaheliste tolerantside suhtes mälukiibi tasapinnaga risti, muutes kokkupaneku lihtsamaks.

 

Kõrge töökindlus:Vedeljahutuskonstruktsioon "Rööbasside" väldib mälukiipide ja termopatjade võimalikku kahjustamist kokkupaneku ajal ning vastab mitme sisestamise/eemaldamise nõuetele. Lisaks välistab see valest joondamisest tingitud signaalikontakti probleemide ohu mälu ja pistikupesade vahel, suurendades oluliselt süsteemi töökindlust.

 

 

III SSD vedelikjahutusega disain

 

Uuenduslik SSD vedelikjahutuslahendus kannab SSD piirkonnast soojust läbi sisseehitatud soojustorudega jahutusradiaatori. Seejärel juhitakse soojus külmaplaadile väljaspool SSD piirkonda otsese kontakti kaudu termopatjadega.

 

See SSD vedelikjahutuslahendus koosneb peamiselt jahutusradiaatoriga SSD moodulist, SSD külmplaadist, SSD mooduli lukustusmehhanismist ja SSD klambrist. SSD-klambri lukustusmehhanism tagab korraliku eellaadimise, et säilitada usaldusväärne pikaajaline kontakt SSD-mooduli ja külmplaadi vahel. Kitsastesse kohtadesse paigaldamise hõlbustamiseks kasutab SSD-klamber serveri sügavuse suunas sahtli tüüpi kujundust.

 

▲ SSD vedelikjahutusega disain

 

Võrreldes olemasolevate SSD vedelikjahutuskatsetega on selle lahenduse edusammud järgmised:

• Toetab üle 30 kiirvahetusega sisestamise/eemaldamise ilma väljalülitamiseta.
• SSD paigaldamise ajal puudub termilise liidese materjalide lõikekahjustuste oht; lukustusmehhanism tagab pikaajalise kontakti töökindluse.
• Madal valmistamise keerukus, mis nõuab ainult traditsioonilist õhkjahutust ja CPU külmplaadi tootmisprotsesse.
• SSD-de vahel puuduvad veeteed, mis võimaldab mitmel SSD-l jagada ühte külmaplaati, vähendades pistikute arvu ja lekkeohtu.
• Paindlik kohandamine erinevate SSD paksuste ja süsteemikonfiguratsioonidega.

 

 

IV NPCIe/OCP kaardi vedelikjahutuse disain

 

1. PCIe vedelikjahutuslahus

PCIe kaardi vedelikjahutuse lahendus põhineb olemasoleval õhkjahutusega PCIe kaardil. See saavutab PCIe-kaardil oleva optilise mooduli ja peamiste kiipide jahutuse, töötades välja jahutusmooduli, mis puutub kokku süsteemi külmaplaadiga. Optilisest moodulist tulev soojus kantakse soojustorude kaudu PCIe-kaardil olevale peamisele jahutusradiaatori moodulile, mis seejärel hajutab soojust kokkupuutel IO-külmaplaadiga, kasutades sobivaid termilise liidese materjale.

 

Vedelikjahutusega PCIe kaart koosneb peamiselt QSFP jahutusradiaatori klambrist, PCIe kiibi jahutusradiaatori moodulist ja PCIe kaardist. QSFP klambril peab olema piisav elastsus, et tagada paigaldamise ajal õige ujuvkontakt, vältides optilise mooduli kahjustamist, tagades samal ajal hea kontakti optimaalse jahutusvõime saavutamiseks.

 

▲ PCIe vedelikjahutus

 

2. OCP 3.0 Vedeljahutuslahus

OCP 3.0 kaardi vedelikjahutuslahendus on sarnane PCIe kaardiga. See kohandab vedelikjahutusega jahutusradiaatorit OCP 3.0 kaardi jaoks, kandes soojuse kaardi peamistelt kiipidelt vedelikjahutusradiaatorisse. Seejärel eemaldatakse soojus radiaatori ja süsteemi IO külmplaadi vahelise kontakti kaudu.

 

Vedelikjahutusmoodul OCP 3.{1}} koosneb peamiselt jahutusradiaatori moodulist, OCP 3.0 kaardist ja selle kronsteinist. Ruumipiirangute tõttu kasutab lukustusmehhanism vedrukruve, et tagada jahutusradiaatori mooduli ja IO külmplaadi vaheline pikaajaline kontaktikindlus.

 

▲ OCP 3.{1}} Vedelikjahutus

 

Arvestades vajadust lihtsa hoolduse ja OCP 3.0-kaardi mitme kiirvahetusega sisestamise/eemaldamise järele, on lukustusmehhanismi ja termilise liidese materjale optimeeritud, et parandada üldist töökindlust ja hoolduse mugavust.

 

 3. IO külmplaadi lahus 

IO-külmplaat on multifunktsionaalne külmplaat, mis jahutab mitte ainult emaplaadi IO-piirkonna soojust tekitavaid komponente, vaid ka vedelikjahutusega PCIe ja OCP 3.0 kaarte.

 

▲ IO külmplaat

 

IO-külmplaat koosneb peamiselt alumiiniumisulamist korpusest ja vasktorudest jahutusvedeliku voolu ja parema soojuse hajumise tagamiseks. Disain tuleb optimeerida vastavalt emaplaadi paigutusele ja soojuse hajumise nõuetele. Vedelikjahutusega PCIe ja OCP 3.0 kaardimoodulid kontakteeruvad IO külmplaadiga mööda määratud teid. Jahutusvedeliku materjalid peavad ühilduma süsteemi torustiku jahutusvedeliku ja märgavate ainetega.

 

▲ IO külmplaat

 

See IO-külmplaadi vedelikjahutuslahendus vastab mitme komponendi mitmemõõtmelistele koostevajadustele, kasutades ühilduvusprobleemide lahendamiseks vase ja alumiiniumi materjalide kombinatsiooni. See tagab tõhusa soojuse hajumise, vähendab külmplaadi kaalu 60% ja vähendab kulusid.

 

 

V toiteallika külmplaadi disain

 

Toiteallika vedelikjahutuslahendus integreerib välise õhk-vedelik-soojusvaheti olemasoleva õhkjahutusega toiteallikaga (PSU), jahutades PSU ventilaatori poolt väljastatavat õhku ja vähendades eelsoojendusefekti välise andmekeskuse keskkonnale.

 

PSU tagumisel soojusvahetil on mitmekihiline struktuur kattuvate voolukanalite ja ribidega. Soojusvaheti mõõtmed on optimeeritud ruumi- ja funktsionaalsetele vajadustele, ilma et see mõjutaks toitekaabli ühendusi. Soojusvaheti paigaldatakse iseseisvalt sõlme šassiile.

 

▲ Toiteallika vedelikjahutus

 

See uuenduslik toiteallika vedelikjahutuslahendus välistab vajaduse uute vedelikjahutusega PSU-de väljatöötamiseks, lühendab arendusaega ja vähendab kulusid. Selle suur kohanemisvõime võimaldab seda paindlikult rakendada erinevate toiteallikate kujundustele, säästes rohkem kui 60% võrreldes kohandatud vedelikjahutusega PSU-dega.

 

Täisriiuliga rakenduste puhul saab iga toiteallika jaotatud tagumiste soojusvahetite asemel kasutada tsentraliseeritud õhk-vedelik soojusvahetit. See tsentraliseeritud struktuur asendab üksikuid PSU soojusvahetiid, pakkudes jahutust süsteemi kaudu, mis integreerub püstiku õhuvooluteedega, tagades, et see ei mõjuta serveriruumi keskkonda.

 

Üks tsentraliseeritud soojusvaheti suudab taluda 8 kW jahutusvõimsust, toetades vähemalt 150toiteallikad. Tsentraliseeritud õhk-vedelik soojusvaheti peamised komponendid hõlmavad soojusvaheti südamikku, vee sisse- ja väljalaskeavasid, vasest jahutustorusid, alumiiniumist korpust ja voolujuhikuid. See seadistus võimaldab tõhusat ja skaleeritavat PSU jahutust suure tihedusega andmekeskustes.

 

 

Järeldus

 

▲ Täielikult vedelikjahutusega server

 

Vedeljahutustehnoloogia, nagu need optimeeritud konstruktsioonid näitavad, on võtmetähtsusega kaasaegsete andmekeskuste kasvava soojusvõimsuse haldamisel ning samal ajal saavutada tõhususe ja jätkusuutlikkuse eesmärke. Tänu uuendustele protsessorite, mälu, SSD-de, PCIe/OCP-kaartide ja toiteallikate külmplaadilahendustes sillutavad need vedelikjahutusega serverid teed rohelisemate ja suurema jõudlusega andmekeskuste tuleviku poole.