Операторите на центрове за данни са изправени пред множество предизвикателства, които трябва да решават. Едно от тях е добре познатото ни охлаждане. То е един от най-важните аспекти на центровете за данни, тъй като има най-голямо влияние върху цялостната им производителност и разходи.
То е и сред най-сложните, енергоемки и скъпи елементи на центровете за данни. Особено като се има предвид, че нуждата от изчислителна мощ непрекъснато нараства, а консумацията на дейта центровете се увеличава. Това означава генериране на много повече топлина в по-малки свободни пространства, които да подпомагат охлаждането.
Създаването и монтирането на ефикасно охлаждане в центровете за данни не е лесна задача. Ето защо не само цялата индустрия работи за разработването на по-добри решения, но и големи държавни институции по света участват активно. Тук идва и инициативата COOLERCHIPS. Това е проект на Министерството на енергетиката на САЩ, който може и най-вероятно ще има последици за глобалната индустрия на центрове за данни. Нека научим повече за това какво представляват проектите и някои от интересните иновации, които вече ни предоставят.
Какво е COOLERCHIPS?
Готови ли сте? COOLERCHIPS е програма на Агенцията за авангардни изследвания и проекти и енергия (ARPA-E). COOLERCHIPS означава Oперации по охлаждане, оптимизирани за скокообразен възход в оптимизирането на енергията, надеждността и въглеродната хиперефективност за системи за обработка на информация. На това му се казва име, нали? Вероятно са били нужни много срещи и брейнсторминг, за да измислят този акроним, но в крайна сметка си е заслужавало.
В края на юни 2023 г. американският Департамент по енергетика обяви група от 15 проекта, които получиха общо 40 милиона долара за финансиране на технологии за охлаждане на дейта центрове през следващите три години. Всички проекти се стремят да постигнат минимум десетократно подобрение на ефективността на охлаждане. Да, толкова много. Става дума за огромни подобрения и на практика за проекти, които са своеобразни лунни мисии, по отношение на очакванията, но самите идеи са съвсем реални.
Охлаждането е най-големият консуматор на енергия в един дейта център. То консумира около 40% от цялата електроенергия, необходима на центъра за данни. А дейта центровете вече генерират около 2% от общото потребление на електроенергия в САЩ. Естествено, COOLERCHIPS има за цел да намали тази стойност максимално, особено като се има предвид предстоящото широко разпространение на изкуствения интелект (AI), което се очаква драстично да увеличи натоварването на центровете за данни и по този начин генерирането на топлина. В резултат на това AI ще доведе до по-голямо търсене на изчислителна мощ, нужда от повече охлаждане и по-голямо потребление на енергия, заедно с големи сметки.
Горещите сървъри винаги са били предизвикателство, дори преди AI, отбелязва Forbes. Например, термичният дизайн на централните процесори се очаква да достигне 500W до 2025 г. Същевременно, графичните процесори вече се доближават до 700W. Охлаждането все повече се превръща в основната пречка за постигане на максимална мощност и ефективност. Така че добрите решения за охлаждане са много, много необходими. И COOLERCHIPS има за цел да ги предостави в рамките на три години. Ако това се случи, ще бъде така необходимата глътка свеж въздух за центровете за данни, които вече работят доста горещо. Също така е важно тези решения да са устойчиви.
Избраните 15 проекта се фокусират върху различни идеи, решения и области на охлаждането. Заедно те трябва да помогнат за решаването на преобладаващата част от нуждите и казусите и да дадат на операторите на центрове за данни множество възможности за избор, които да съчетават според нуждите си. Определено е много амбициозна цел да се направи абсолютна революция в охлаждането на центъра за данни, като в същото време се обърне внимание на проблемите и разходите за устойчивост и то за толкова кратко време. И така, нека видим някои от идеите.
Nvidia отново е много амбициозна
15-те получатели на грантове са компании и институции с различни размери и възможности. Сред тях има големи имена като Intel и Nvidia. И докато повечето хора мислят за Nvidia като за производител на видеокарти, през последните няколко години компанията се разширява в множество сегменти, включително и клауд технологии, AI и центрове за данни. Главният изпълнителен директор на компанията Дженсън Хуанг дори казва, че иска Nvidia да стане компания за центрове за данни. Той предвижда центърът за данни да се превърне в нова изчислителна единица, точно като CPU или GPU.
Така че не трябва да е изненада, че Nvidia е не само сред получателите на грантовете, но е и притежател на най-големия от тях – 5 милиона долара. Nvidia разработи нов метод за използване на два добре познати подхода за охлаждане: директно течно охлаждане и охлаждане чрез потапяне. И двата се използват широко, но далеч не са реализирали пълния си потенциал. Все още и двата метода могат да дадат много повече и Nvidia има нова идея как да постигне това.
COOLERCHIPS проектът на Nvidia цели да вземе най-доброто от двата метода и да ги обедини. Тя ще вземе традиционна система за директно течно охлаждане, която е монтирана към процесорите и важните чипове в системата. В същото време целият сървър е херметически затворен и пълен с охлаждаща течност. Добавете няколко конектора, охладителни плочи и регулатори на потока и в общи линии имате потопен сървър, който същевременно с това е с директно течно охлаждане.
Има и други подобни решения, но техните конфигурации са много по-големи и се нуждаят от повече площ. Решението на Nvidia намалява размера до минимум, така че сървърът с двойно охлаждане може да бъде поставен в традиционен шкаф без допълнителни модификации по него.
Nvidia не работи сама, а с технологични и научни партньори, за да реализира идеята си. Всеки от тях е специализиран в определена област. Boyd Corporation например предоставя технологията за охладителните плочи. Durbin Group отговаря за помпената система. Honeywell помага при избора на охлаждаща течност и т.н.
Nvidia е направила точна пътна карта за развитието на проекта. Тя има за цел да постигне конкретни цели всяка година: първата година е за завършване на тестовете на компонентите. Втората година ще завърши със създаването на частична система и оценяването ѝ. В края на третата година трябва да има напълно изградена и тествана система. Това решение ще се използва за модулен център за данни в мобилен контейнер и трябва да осигури достатъчно добро охлаждане дори при температура на околната среда, достигаща до 40C.
Intel вътре, пара отвън
Както споменахме, Intel е сред другите получатели на грантове. Идеята на компанията за COOLERCHIPS ѝ спечели грант на обща стойност 1,71 милиона долара. Тоя предвижда с двуфазна система за охлаждане с потапяне, която ще използва 3D принтиране за създаване на някои от компонентите.
3D принтирането позволява създаването на по-сложни и подобни на растителни структури и може да бъде по-евтино от традиционно производство. Вдъхновените от природата структури могат да бъдат много по-ефективни за охлаждане. И така, Intel ще създаде подобен на корал радиатор във вътрешността на 3D парна камера. „Екипът ще използва изчислителни методи, за да идентифицира оптималния дизайн за радиаторите с форма на корал. (За сравнение, днешните радиатори обикновено са направени от дълги, успоредни ребра.)“, казва Intel. Споменатата камера ще използва и нови покрития, които намаляват термичното съпротивление и подобряват цялостното охлаждане.
След това конфигурацията се потапя във вода и комбинацията от камерата, 3D структурата и покритията ще доведе до водна пара. Това ще помогне за отнемане на топлината от чиповете и бързото й пренасяне във външния въздух. Там могат да помогнат допълнителни решения за охлаждане. Като цяло Intel се стреми да постигне значително намаляване на консумацията на енергия от 0,025 градуса по Целзий на ват до по-малко от 0,01 C/ват.
Естествено Intel казва, че основната полза от решението ще бъде продължението на Закона на Мур. По-доброто охлаждане означава повече ядра и транзистори за процесорите. „Охлаждането чрез потапяне се използва заради неговата простота, устойчивост и лекота на надграждане. Това предложение ще даде възможност на двуфазното потапящо охлаждане да се приведе в съответствие с експоненциалното увеличение на мощността, очаквано от процесорите през следващото десетилетие“, казва Теджас Шах, главен инженер и водещ топлинен архитект за отдела по разработка на платформи за суперкомпютри на Intel.
„За да отговорят на нарастващите изисквания за изчислителен капацитет и производителност, бъдещите процесори за центрове за данни се очаква да изискват мощност над 2 киловата (kW), което би било предизвикателство за охлаждане със съществуващите технологии. (Днешните най-мощни чипове бързо се доближават до 1 kW потребление на енергия.) Решенията за охлаждане, разработени чрез програмата, ще подобрят възможностите на процесорите на Intel и тези, произведени чрез Intel Foundry Services, ще позволят продължаването на закона на Мур и ще допринесат за ангажимента на Intel за енергийна ефективност и устойчиви решения“, добавя Intel.
Компанията не работи сама по проекта. Тя си сътрудничи с редица академични и индустриални партньори, които ще се справят с различни аспекти на работата. Intel ще наблюдава прогреса, ще предостави тестови конфигурации и ще определи размерите и конфигурациите и ограниченията, като ще идентифицира и горещите точки.
Още охлаждащи и готини идеи
Други компании също имат някои добри идеи за охлаждане на центрове за данни. HP работи върху решения за течно охлаждане за намаляване на термичното съпротивление. Това ще позволи да се разсейва топлината във външния въздух дори при 40 градуса по Целзий и 60% влажност.
Flexnode разработва модулен център за данни, който също използва решения за течно охлаждане, включително нов микроканален радиатор и хибриден подход за охлаждане с потапяне. Целта е да се намалят разходите и да се добави топлообменна система със сухо охлаждане.
Тексаският университет в Арлингтън работи върху хибридна технология за охлаждане за центрове за данни, които са с насочени към най-мощните конфигурации. Проектът разполага с модул за директно течно охлаждане към чипа и го обединява с топлообменник за въздушно охлаждане. Екипът казва, че този подход е стабилен, лесен за разширяване и преоборудване на по-стари центрове за данни.
Всички проекти са описани накратко тук (PDF). Те включват решения за чисто нови центрове за данни, за стари съоръжения, за edge системи, модулни центрове и т.н. По принцип 15-те проекта покриват всички видове центрове за данни и сценарии за охлаждане. Надяваме се, че ако не всички, поне по-голямата част ще бъдат завършени успешно и навреме, тъй като всички дейта центрове със сигурност имат нужда от тях още сега.