Täielikult vedelikjahutusega külmplaadiserver

 

Vedelikjahutustehnoloogia arendamise edasiseks edendamiseks ja ökosüsteemi arendamiseks on Inspur Information koostöös Inteliga keskendunud üldotstarbeliste suure tihedusega serverite vedelikjahutuse disainilahenduste optimeerimisele.

 

Lisaks CPU ja GPU vedelikjahutuse laialdasele kasutuselevõtule tööstuses on põhjalikult uuritud ja uuritud suure võimsusega mälu, pooljuhtketaste (SSD), OCP võrgukaartide, toiteallikate, PCIe kaartide ja vedelikjahutust. optilised moodulid.

 

Selle jõupingutuse tulemusel on saavutatud tööstusharu kõrgeim vedelikjahutuse katvus, mis vastab erinevatele vedelikjahutuse ulatuse erinevatele kasutusnõuetele ning pakub üldisi infrastruktuuri võimalusi ja mitmekesist tehnilist tuge sellistes tööstusharudes nagu Internet ja telekommunikatsioon.

 

See täielikult vedelikjahutusega külmplaadisüsteemi arendus põhineb Inspur Informationi 2U neljasõlmelisel suure tihedusega andmetöötlusserveril i24. Iga vedelikjahutusega sõlm toetab kahte Inteli 5. põlvkonna Xeoni skaleeritavat protsessorit, mis on ühendatud 16 DDR5 mälumooduli, ühe PCIe laienduskaardi ja ühe OCP 3.{10}} võrgukaardiga. Kogu süsteem toetab kuni kaheksat SSD-d, täites klientide salvestusvajadused ja saavutades samal ajal suure tihedusega arvutusvõimsuse.Serveri peamised soojust genereerivad komponendid hõlmavad protsessorit, mälu, I/O-kaarte, kohalikke kõvakettaid ja šassii toiteallikat.

 

Vedeljahutuslahus võimaldab ligikaudu 95% süsteemi soojusest otse vedelikuga eemaldada läbi külma plaadi kokkupuute soojusallikaga. Ülejäänud 5% soojusest kannab jahutusvesi ära toiteallika taga asuvas õhk-vedelik soojusvahetis, saavutades süsteemi tasemel peaaegu 100% vedela soojuse sidumise.

 

 

I Süsteemi koostis ja torujuhtme paigutus

 

1. Ülevaade täielikult vedelikjahutusega serverisüsteemist

2U nelja sõlmega täielikult vedelikjahutusega serverisüsteem koosneb sõlmedest, šassiist, kesktasandist ja SSD moodulitest. Sõlmede ja šassii komponentide vaheline ühendus toimub vee-, toite- ja signaalide pimeühenduste kaudu kiir-, toite- ja signaalipistikute kaudu.

 

▲ Joonis 1. 2U neljasõlmeline täislainejahutusega server

 

2. Ülevaade täielikult vedelikjahutusega serveri ühest sõlmest

Täielikult vedelikjahutusega serverisõlm koosneb sõlme kestast, emaplaadist, CPU kiipidest, mälumoodulitest, mälu külmplaadist, CPU külmplaadist, I/O külmplaadist, toiteallikast ja toiteallika tagumisest soojusvahetist.

 

▲ Joonis 2. Täielik vedelikjahutusega serverisõlm

 

 

II Voolumustri valik ja voolukiiruse arvutamine

 

Voolutee kujundamise keerukuse lihtsustamiseks kasutab see täielikult vedelikjahutusega server jahutusvedeliku jaoks järjestikust voolutee kujundust. Jahutusvedelik voolab väikese võimsusega komponentidest suure võimsusega komponentidele soojuse hajutamiseks. Üksikasjalik voolusuund on näidatud alloleval diagrammil ja tabelis.

 

▲ 2U neljasõlmelise täisvedelikjahutusega serveri seeria voolutee

 

▲ Tabel 3. Jahutuskeskkonna voolu järjestus

 

Täisvedeliku-coo voolukiirusjuhitudserver mvastama süsteemi jahutusnõuetele:

• Sekundaarse torustiku materjali pikaajalise töökindluse tagamiseks ei tohiks tagasivooluvee temperatuur teisese poolel ületada 65 kraadi.
• Tagamaks, et kõik täielikult vedelikjahutusega serveri komponendid vastavad jahutusnõuetele määratletud piirtingimustes, valitakse voolukiiruse projekteerimise analüüsiks vasest külmplaat ja PG25.

 

Nõude täitmiseks, et tagasivooluvee temperatuur sekundaarsel küljel ei ületaks 65 kraadi, arvutatakse minimaalne voolukiirus PG25 sõlme kohta Qmin järgmise valemi abil:

 

Qmin=Psys / (ρ * C * ∆T) ≈ 1,3 LPM

 

 

III Täielikult vedelikjahutusega serveri külmplaadi põhikomponent

 

1. CPU külmplaadi disain

Protsessori külmplaadimoodul on võrdluskonstruktsioon, mis on optimeeritud Inteli 5. põlvkonna Xeoni skaleeritava protsessori külmplaadi disaininõuete alusel. See võtab arvesse selliseid tegureid nagu jahutus, struktuurne jõudlus, tootlus, maksumus ja ühilduvus erinevate materjalidega. CPU külmplaat koosneb peamiselt CPU külmplaadi alumiiniumklambrist, CPU külmplaadist ja külmplaadi pistikutest.

 

▲ Joonis 4. CPU külmplaadi moodul

 

2. Mälu vedelikjahutuse disain

Mäluvedeliku jahutusdisain kasutab uuenduslikku liiprite jahutusradiaatori vedelikjahutuslahendust, mis on saanud nime mälumoodulite järgi, mis paiknevad raudteel liipritena. See lahendus ühendab traditsioonilise õhkjahutuse ja külmplaadi jahutuse. Jahutusradiaator, millel on sisseehitatud soojustorud (või puhtast alumiiniumist/vasest plaadid, aurukamber jne), edastab soojuse mälumoodulitest mõlemasse otsa. Seejärel kantakse soojus läbi valitud termopatjade külmale plaadile ja lõpuks kannab külmaplaadi sees olev jahutusvedelik soojuse ära, saavutades mälujahutuse.

 

Mälu ja jahutusradiaatori saab kokku panna väikseimasse süsteemivälisesse hooldusüksusesse (edaspidi nimetatakse seda mälumooduliks). Mälu külmplaadil on mälumooduli kinnitusstruktuur, mis tagab hea kontakti jahutusradiaatori ja mälu külmplaadi vahel. Seda kinnituskonstruktsiooni 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-sid. Mälu külmplaadi disaini lihtsustamiseks saab mälu ja emaplaadi vahele kujundada adapteri klambri, mis vastab erinevate emaplaatide kõrguspiirangutele.

 

▲ Joonis 5. Sleeper Heat Sink vedeljahutuslahus

 

Võrreldes olemasolevate turul olevate voolikumäluvedeliku jahutuslahendustega, on liiprijahutusradiaatori vedelikujahutuslahendusel järgmised peamised eelised:

 

Lihtne hooldus:Mälu hooldus on sama lihtne kui õhkjahutusega mälumooduli hooldamine, ilma et oleks vaja eemaldada jahutusradiaatorit ja kinnitusi. See parandab oluliselt vedelikjahutusega mälu kokkupanemise efektiivsust ja töökindlust, vähendades mälukiipide ja termopatjade võimalikke kahjustusi süsteemi lahtivõtmisel ja uuesti kokkupanemisel.

 

Hea ühilduvus:Selle lahenduse soojuseraldusvõimet ei mõjuta erinevad mälukiibi paksused ja mäluvahed. See ühildub minimaalse mäluvahega 7,5 mm ja rohkem. Jahutusradiaatori ja külmplaadi lahtiühendatud disain võimaldab mäluvedeliku jahutust taaskasutada ja standardida.

 

Kõrgem kulutõhusus:Mälu jahutusradiaatorit saab valida vastavalt mälu voolutarbimisele, erinevate protsesside ja jahutustehnoloogiatega ning kogust saab seadistada vastavalt vajadusele vastavalt mälule. 7,5 mm mäluvahe korral suudab see rahuldada üle 30 W mälumoodulite jahutusvajadusi.

 

Tootmise ja kokkupanemise lihtsus:Mälupesade vahel ei ole vedelikjahutustorusid, mis välistab vajaduse keeruka torukeevituse ja protsessi juhtimise järele. Kasutada saab traditsioonilist õhkjahutusega jahutusradiaatorit ja üldist CPU külmplaadi tootmisprotsesse. Jahutusradiaatori kokkupanemisel ei ole soojuse hajutamise jõudlus tundlik jahutusradiaatori ja emaplaadi vaheliste tolerantside suhtes mälukiibi tasapinnaga risti, vältides halba termilist kontakti ja hõlbustades kokkupanekut.

 

Hea töökindlus:Magamisvedeliku jahutuslahendus väldib mälukiipide ja termopatjade võimalikku kahjustamist kokkupaneku ajal ning talub mitut sisestamist ja eemaldamist. Lisaks hoiab see ära signaali kontakti rikke ohu, mis on põhjustatud mälu ja pesade vahel kallutamisest pärast mälu- ja toruvedeliku jahutuslahenduste paigaldamist, parandades oluliselt süsteemi töökindlust.

 

3. Kõvaketta vedelikjahutuse disain

Uuenduslik tahkis-draivi (SSD) vedelikjahutuslahendus kasutab sisseehitatud soojustorudega jahutusradiaatorit, et edastada soojust kõvaketta piirkonnast väljaspool kõvaketta piirkonda asuvale külmaplaadile otsese kontakti kaudu termopatjadega, saavutades soojusvahetuse.

 

See SSD vedelikjahutuslahendus koosneb peamiselt jahutusradiaatoriga varustatud SSD moodulist, SSD külmplaadist, kõvaketta mooduli lukustusmehhanismist ja kõvaketta klambrist. Kõvaketta mooduli lukustusmehhanism on fikseeritud kõvaketta klambrile, et tagada sobiv eellaadimisjõud, tagades SSD mooduli ja SSD külmplaadi vahelise pikaajalise kontakti töökindluse. Et hõlbustada kõvaketta külmaplaadi silmuse paigaldamist kitsasse ruumi, on kõvaketta kronstein konstrueeritud sahtli tüüpi paigaldusmeetodiga serveri sügavuse suunas.

 

▲ Joonis 6. Uuenduslik tahkis-ajami vedelikjahutuslahendus

 

Selle lahenduse täiustatud funktsioonid võrreldes olemasolevate kõvaketta vedelikjahutuskatsetega tööstuses hõlmavad järgmist:

 

• Toetab üle 30 kiirvahetuse ilma süsteemi väljalülitamiseta.
• Kõvaketta paigaldamisel puudub termilise liidese materjalide lõikekahjustuste oht; lukustusmehhanismi disain tagab pikaajalise kontakti töökindluse.
• Vedeljahutuslahuse madalad töötlemisnõuded; vaja on ainult traditsioonilisi õhkjahutuse ja CPU külmplaadi töötlemise tehnikaid.
• Veedisaini puudumine kõvaketaste vahel; mitu kõvaketast võivad jagada sama külmplaati, vähendades liigeste arvu ja lekete ohtu.
• Kohandub paindlikult erineva paksuse ja kogusega pooljuhtketaste (SSD) süsteemidega.

 

4. PCIe/OCP kaardi vedelikjahutuse disain

 

PCIe vedelikjahutuslahus

PCIe kaardi vedelikjahutuse lahendus põhineb olemasoleval õhkjahutusega PCIe kaardil. See saavutab optilise mooduli ja PCIe-kaardi peamiste kiipide jahutuse, töötades välja PCIe-kaardi jahutusmooduli, mis saab kontakti süsteemi külmplaadiga. Optilisest moodulist tulev soojus kantakse soojustorude kaudu PCIe-kaardi kiibil olevale põhijahutusmoodulile ja seejärel vahetab jahutusmoodul soojust IO külmaplaadiga läbi sobiva termilise liidese materjali.

 

Vedelikjahutusega PCIe kaart koosneb peamiselt QSFP jahutusradiaatori klambrist, PCIe kiibi jahutusmoodulist ja PCIe kaardist endast. QSFP jahutusradiaatori klamber on konstrueeritud sobiva elastsusega, et tagada nõuetekohane hõljumine, kui QSFP jahutusradiaator ja PCIe jahutusmooduli puur on omavahel ühendatud, pakkudes head kasutuskogemust, vältides optilise mooduli kahjustamist ja tagades stabiilse kontakti tõhusaks jahutuseks.

 

▲ Joonis 7. PCle kaardi vedelikjahutusmoodul

 

OCP3.{1}} Vedeljahutuslahus

OCP3.0 kaardi vedelikjahutuslahendus sarnaneb PCIe kaardiga, kus OCP3.0 kaardi jaoks kasutatakse kohandatud vedelikjahutusega jahutusradiaatorit. Kaardil olevate kiipide tekitatud soojus kandub üle vedelikjahutusega jahutusradiaatorisse ning lõpuks hajub soojus radiaatori ja süsteemi IO-külmaplaadi vahelise kontakti kaudu.

 

Vedelikjahutusmoodul OCP3.{1}} koosneb peamiselt jahutusradiaatori moodulist, OCP3.0 kaardist ja selle kronsteinist. Ruumipiirangu tõttu kasutatakse lukustusmehhanismina vedrukruvi, et tagada jahutusradiaatori mooduli ja IO külmplaadi vaheline pikaajaline kontakti usaldusväärsus pärast vedelikjahutusega OCP3.{7}} kaardi kokkupanemist.

 

▲ Joonis 8. OCp3.0 Vedelikjahutusmoodul

 

Arvestades tulevase hoolduse lihtsust ja vajadust OCP3.{2}} kaardi mitme kiirvahetuse järele, on lukustusmehhanismi konstruktsioon ja termilise liidese materjalide valik optimeeritud, et suurendada üldist töökindlust ja kasutuslihtsust. ja hooldus.

 

IO külmplaadi lahendus

IO-külmplaat on multifunktsionaalne külmplaat, mis mitte ainult ei hajuta soojust emaplaadi IO-piirkonna küttekomponentidest, vaid jahutab ka vedelikjahutusega PCIe-kaarti ja vedelikjahutusega OCP3.{3}}-kaarti.

 

▲ Joonis 9. lO külmplaat

 

▲ Joonis 10. Vedelikjahutusega PCle kaardi, vedelikjahutusega OCP3.0 ja IO külmplaadi asukoht

 

IO külmplaat koosneb peamiselt IO külmplaadi korpusest ja vasktoru kanalitest. IO külmplaadi korpus on valmistatud alumiiniumisulamist, samas kui vasktorud vastutavad jahutusvedeliku kanalite ja soojuse hajumise suurendamise eest. Konkreetne disain tuleb optimeerida, lähtudes emaplaadi paigutusest ja komponentide jahutusnõuetest. Vedelikjahutusega PCIe-kaardi ja vedelikjahutusega OCP3.{3}}-kaardi jahutusradiaatori moodulid puutuvad IO-külmaplaadiga noole suunas kokku. Jahutusvedeliku kanalite materjali valikul tuleb arvesse võtta ühilduvust süsteemi torujuhtme jahutusvedeliku ja märgamismaterjalidega.

 

See IO külmplaadi vedelikjahutuslahendus vastab mitme komponendi mitmemõõtmelistele montaažinõuetele. Vase ja alumiiniumi materjalide segakasutus lahendab materjalide ühilduvuse probleeme, tagab jahutuse tõhususe, aitab vähendada külmplaadi kaalu 60% ja vähendab kulusid.

 

5. Toiteallika külmplaadi disain

Toiteallika vedelikjahutuslahendus hõlmab PSU ventilaatori väljatõmbeõhu jahutamist, ühendades olemasoleva õhkjahutusega toiteallika külge välise õhk-vedelik soojusvaheti, vähendades seeläbi süsteemi eelsoojenemist välise andmekeskuse keskkonnas.

 

PSU tagumisel soojusvahetil on mitmekihiline struktuur, kanalid ja ribid on üksteise peale virnastatud. PSU tagumise soojusvaheti suurus peab tasakaalustama jahutusnõudeid, kaalu ja kulusid, tagades samas, et see ei segaks toitejuhtme sisestamise/eemaldamise funktsiooni ja vastaks süsteemikapi ruumipiirangutele. PSU tagumine soojusvaheti paigaldatakse iseseisvalt sõlmeklambrile.

 

▲ Fiqure 11. PSU tagumine soojusvaheti

 

See uuenduslik toiteallika vedelikjahutuslahendus välistab vajaduse uute vedelikjahutusega toiteallikate väljatöötamiseks, lühendades arendustsüklit ja vähendades arenduskulusid. Selle suurepärane mitmekülgsus võimaldab paindlikult kohaneda mitme müüja toitelahendustega, säästes rohkem kui 60% võrreldes kohandatud vedelikjahutusega toiteallikatega.

 

Terveid kappe hõlmavate rakenduste puhul võib toiteallika vedelikjahutus kasutada ka tsentraliseeritud õhk-vedelik soojusvaheti lahendust. See hõlmab kapi esi- ja tagaukse tihendamist ja tsentraliseeritud õhk-vedelik soojusvaheti paigaldamist kapi põhja, asendades toiteallika taga oleva jaotatud õhk-vedelik soojusvaheti konstruktsiooni tsentraliseeritud vastu.

 

Tsentraliseeritud õhk-vedelik soojusvaheti koosneb alumiiniumist gofreeritud ribidest, mis on kaetud hüdrofiilse kihiga soojusvahetuse parandamiseks, kombineerituna suure soojusülekandeteguriga vasktorudega. See suudab pakkuda vähemalt 8 kW jahutusvõimsust 10 kraadise temperatuuride erinevusega. Soojusvaheti voolutee on optimeeritud simulatsiooni abil, et väikese takistuse korral hallata rohkem voolu. Sellel on kondensatsioonivastane disain ja põhjalik lekketuvastus, et kõrvaldada ohutusriskid. Spetsiaalne hingekonstruktsioon vastab kõrgetele koormusnõuetele ning kaardipesa ühenduse disain hõlbustab paigaldamist ja hooldamist.

 

Kuna üle 95% soojusest saadakse ühest vedelikjahutusega serverist, mida haldab külmplaat, peab õhk-vedelik soojusvaheti haldama vähem kui 5% soojusest. Iga sõlm vajab ainult 40-50W õhk-vedelik soojusvahetust ja üks tsentraliseeritud õhk-vedelik soojusvaheti toetab 8 kW soojusvahetusvõimsust, mis võimaldab jahutada vähemalt 150 sõlme, jaotatud kuluga palju väiksem kui 150 õhk-vedelik soojusvahetid.

 

See lahendus võimaldab serveri toiteallikaid jääda muutmata, kusjuures tekkiv soojus kogutakse ja vahetatakse ühtlaselt korpuse tagaosas asuva tsentraliseeritud õhk-vedelik soojusvaheti kaudu. Kuumus moodustab kapis iseseisva tsirkulatsiooni, mis ei mõjuta andmekeskuse keskkonda, saavutades tõeliselt "Racki kui arvuti".