Die Leistung der Workstation und die Prozessorleistung steigen mit jeder neuen Generation. Dementsprechend sollten sich auch die Kühlfähigkeiten ändern. Beispielsweise stieg beim 10-Kern Intel Xeon E5-2687W (Haswell) v3i das Wärmepaket im Vergleich zu seinem 8-Kern-Vorgänger Intel Xeon E5-2687W v2ii (Ivy Bridge) von 150 auf 160 W. Diese Workstation ist derzeit mit 22-Kern-Prozessoren ausgestattet. Das Problem wird durch die Verwendung des gleichen Volumens an Hardwareplattformen und -gehäusen verschärft: Technische Lösungen für die Kühlung in einem kompakten Formfaktor werden für die Leistung und die akustischen Eigenschaften des Produkts entscheidend.
Ein grundlegend neues Leistungsniveau bieten die beiden modernsten Prozessoren der Intel Xeon E5-2600 v4-Serie mit Unterstützung für jeweils bis zu 22 Kerne. Die
Precision 7910- Workstation im Tower-Gehäuse ist eine Lösung für Workloads, die große Rechenressourcen erfordern (Aufgaben der Visualisierung komplexer Prozesse,
Modellierungswerkzeuge und Analyse großer Datenmengen). Das Flüssigkeitskühlsystem von Dell bietet eine Geräuschreduzierung von 38%.
Mit steigenden Anforderungen an den Rechenprozess wird es immer schwieriger, die Kühlung mit zunehmender Kapazität zu organisieren. Um dieses Problem zu lösen, hat Dell ein innovatives flüssigkeitsgekühltes System entwickelt: Das Wärmeableitungspotenzial hat sich im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen verdreifacht und der Geräuschpegel wurde optimiert.
Die Luftkühlung mit Wärmerohren und Aluminiumheizkörpern ist zuverlässig genug, erfordert jedoch einen erheblichen Luftstrom. Für ihn wiederum brauchen Lüfter mit hoher Drehzahl. Sie erzeugen jedoch starke Geräusche.
Um die Lüfterdrehzahl und folglich den Geräuschpegel zu verringern, müssen die Leistung optimiert und die Kühlanforderungen minimiert werden. Die Lösung von Dell verwendet eine innovative seitliche luftgekühlte Flüssigkeitskühlung, die das nicht verwendete Gehäusevolumen neu verteilt, um die Kühlerleistung zu maximieren und Geräusche zu minimieren.
Flüssigkeitskühlung der Dell Precision Tower 7910 Workstation.Flüssigkeitsgekühlte Workstation-Physik
Um die Vorteile der Flüssigkeitskühlung zu erkennen, ist es wichtig, die Grundlagen einer Hochleistungslösung in diesem Bereich zu verstehen. Jeder luftgekühlte oder flüssigkeitsgekühlte Kühler hat eine grundlegende Eigenschaft, die als Wärmewiderstand [R] bezeichnet wird. Sie wird in Grad pro Watt gemessen und ist eine Funktion der Gerätetemperatur und -leistung:
Legende:
In unserem speziellen Fall bezieht sich Tj auf die Temperatur der CPU und Tamb auf die lokale Umgebungstemperatur (am Eingang zum Kühler). Eine gute Analogie wäre, dass Wasser in eine Spüle fließt. Wenn das aus dem Wasserhahn in die Spüle eintretende Wasser als zugeführte Leistung betrachtet wird, wird der Widerstandswert R dadurch bestimmt, wie fest der Stopfen geschlossen ist (minimal offen - hohe R-Werte, vollständig geöffnet - kleine R-Werte), und Delta T hängt mit dem Wasserstand in der Spüle zusammen .
Wie die Temperatur mit dem Wärmewiderstand zusammenhängt. Wasser in der Spüle steht für Energie.Die zweite Schlüsselbeziehung für jedes Kühlgerät wird durch die Energiemenge im Kühlkörpermaterial pro Zeiteinheit bestimmt. Diese vorübergehende Beziehung wird in der folgenden Gleichung ausgedrückt:
Wenn die linke Seite der Gleichung das Verhältnis zwischen der Dichte, dem Volumen des Heizkörpers und seiner Wärmekapazität darstellt, ist die rechte Seite der Energieaustausch, der in und aus dem Strahler eintritt. Auch hier können Sie eine Analogie zu den großen und kleinen Waschbecken ziehen. Bei gleicher Flüssigkeitsmenge (Leistung) in einer größeren Spüle steigt der Wasserstand (Temperatur) langsamer an.
Wie die Temperatur mit der Wärmekapazität zusammenhängt.Aus den Gleichungen 2 und 3 können Sie den Wirkungsgradunterschied zwischen zwei beliebigen Kühllösungen bestimmen und sehen, wie sich ihre Leistung mit der Zeit ändert. Wie aus Gleichung 3 folgt, ist für Materialien mit hoher Wärmekapazität (vgl.) Die Temperaturänderung als Funktion der Zeit (dT / dt) bei gleicher zugeführter Leistung gering. Zusätzlich wissen wir aus Gleichung 2, dass der absolute Temperaturanstieg direkt mit dem Wärmewiderstand zusammenhängt.
Aus diesen beiden grundlegenden Beziehungen geht hervor, dass ein niedriger Wärmewiderstand und eine hohe Wärmekapazität der Schlüssel zu maximaler Kühleffizienz sind. Betrachten Sie als Nächstes diese beiden Eigenschaften und wie sie sich auf die gemessenen Eigenschaften des Dell Precision Tower 7910 beziehen.
Charakterisierung einer flüssigkeitsgekühlten Workstation
Der Kühlwirkungsgrad hängt also sowohl von der Wärmekapazität [cp] als auch vom Wärmewiderstand [R] ab. Dies kann verwendet werden, um die Auswirkungen der Flüssigkeitskühlung auf eine Dell-Workstation zu untersuchen. Da die Wärmekapazität einer Kühllösung unter dem Gesichtspunkt der Heizrate des Systems von entscheidender Bedeutung ist, ist es wichtig zu berücksichtigen, welche Materialien in der Kühltechnologie verwendet werden, um zu verstehen, mit welcher Geschwindigkeit die Lüfter arbeiten sollen. Die folgende Tabelle zeigt die Wärmekapazität verschiedener Materialien - von den effektivsten bis zu den geringsten:
Die Tabelle bestätigt, was die meisten Menschen bereits wissen: Wasser hat eine deutlich höhere Wärmekapazität als fast alle anderen Materialien. Bei gleicher Masse erwärmt sich das Wasser viermal länger als Aluminium und mehr als zehnmal länger als Kupfer.
Da der Wirkungsgrad nicht nur von der spezifischen Wärme [cp] abhängt, müssen wir auch den Zusammenhang zwischen Wärmewiderstand und Gesamtleistung verstehen. Bei den meisten Kühlern wird der Widerstand [R] hauptsächlich durch die Oberfläche und die Luftgeschwindigkeit über dem Kühler bestimmt. Einfach ausgedrückt, je größer die Oberfläche des Kühlers und die Luftgeschwindigkeit sind, desto besser ist die Wärmeableitung.
Dell verwendete beide Phänomene in seinem Design für den flüssigkeitsgekühlten Tower 7910, um die Effizienz zu maximieren und das Rauschen zu minimieren. Für diese spezielle Studie wurde eine Konfiguration verwendet, die zwei 160 W Xeon E5-2680 V3-Prozessoren, eine NVidia K6000-Karte, 2 x 8 GB Hynix-Speichermodule und eine 1500 GB SATA-Festplatte umfasste.
Um das Wärmespeicherpotential zu maximieren und den Wärmewiderstand zu minimieren, wurden 110 x 92 mm Heizkörper mit großen Innentanks verwendet. Dies ermöglichte es den Ingenieuren, das Flüssigkeitsvolumen im Kühlsystem zu erhöhen und die Oberfläche im verfügbaren Volumen des Gehäuses zu vergrößern.
Darüber hinaus wurde ein innovativer Ansatz zur Verteilung des Luftstroms im System verwendet. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau einer flüssigkeitsgekühlten Lösung in einem Precision Tower 7910.
Luftspülung durch die Seitenwand des Gehäuses.Wie Sie sehen können, tritt Kühlluft von der Vorderseite des Systems ein und wird beiden Prozessoren zugeführt. Der Luftstrom strömt durch einen Kühler, wo Energie ausgetauscht wird, und die gesamte von der CPU aufgenommene Wärme wird aus der Flüssigkeit entfernt und in den Raum außerhalb des Systems abgegeben. Diese Strategie des „Seitenabgases“ ermöglicht es Ihnen, die erzeugte Wärme auf kürzestem Weg abzuleiten und die Komponenten des Kühlsubsystems effizienter zu platzieren sowie die Drehzahl der Lüfter zu verringern (da sie die Luft nicht über die gesamte Länge des Gehäuses antreiben müssen).
Für einen weiteren Test verglich der Dell Tower 7910 Transienten während der Luft- und Flüssigkeitskühlung bei gleichem Luftdurchsatz. Um die Beziehung zwischen dem spezifischen Wärmepotential [cp] und dem Wärmewiderstand [R] des Kühlers zu vereinfachen, verwenden wir die thermische Zeitkonstante:
Dabei ist Tau definiert als die Zeit, die erforderlich ist, um 63% des gesamten Temperaturanstiegs in einen stabilen Zustand zu erreichen. Die Zeitkonstante ermöglicht es, die Eigenschaften der spezifischen Wärme und des Wärmewiderstands des Kühlers gemäß der Standardmethode physikalisch zu messen.
Die folgenden Abbildungen zeigen das Zeitverhalten für ein luft- und flüssigkeitsgekühltes CPU-System mit hoher TDP. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Lösungen zeigt den Vorteil des Wärmewiderstands aufgrund der Verwendung einer großen Oberfläche des Kühlers im Kühlmittel. Die Verzögerung zwischen ihnen zeigt den Unterschied in den Zeitkonstanten.
Thermische Eigenschaften der Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu Luft in der T7910-Workstation.Wie Sie sehen können, beträgt die Zeit, die das Flüssigkeitskühlsystem benötigt, um die Lufttemperatur Tau zu erreichen, 97 Sekunden: Sie ist mehr als dreimal höher als die herkömmliche Luftkühlung (30 Sekunden). Wie in der obigen Abbildung gezeigt, wird die absolute Temperatur zwischen Luft- und Flüssigkeitskühlung um 5 ° reduziert, was eine Leistungssteigerung von 12 Prozent anzeigt.
Was bedeutet das alles für den Benutzer der Tower 7910-Workstation? Ein flüssigkeitsgekühltes System arbeitet mit einer viel niedrigeren Lüfterdrehzahl. Wie weiter unten zu sehen ist, beträgt die Lüfterdrehzahl des Prozessors 1 unter Beibehaltung der Last und der konstanten Temperatur der CPU mehr als 2000 U / min, während die Drehzahl des Lüfters des Prozessors 2 etwas höher als 500 U / min ist.
Schallparameter wurden für zwei Szenarien gemessen. Der erste ist eine Erweiterung der zuvor vorgestellten Analyse für TDP, während der zweite Testfall das für CAD-Benutzer spezifische Szenario untersuchte. Die akustische Reaktion des Systems wurde bei maximaler Last (160 Watt Prozessorleistung) bestimmt. Die Abbildung zeigt das Einschwingverhalten des Systems unter dieser Last für die Flüssigkeits- und Luftkühlung. Wie zu sehen ist, wird zwischen ihnen eine signifikante Verzögerung der akustischen Reaktion beobachtet. Als Referenz entspricht ein Geräuschpegel von 30 dBA der Stille in der Bibliothek und 45 dBA einem vollen Konferenzraum.
Aus dem Test wird deutlich, dass die Gesamtzeit bis zum stationären akustischen Zustand für die Luftkühlung 40 Sekunden und für die Flüssigkeit mehr als 200 Sekunden beträgt. Darüber hinaus können durch Probenahme die mit der Verwendung der Flüssigkeitskühlung verbundenen Vorteile analysiert werden. Die folgende Tabelle zeigt einen Abtastschritt von 25 Sekunden und akustische Eigenschaften zu jedem Zeitpunkt. Wie aus den Daten im Zeitintervall von 50 Sekunden ersichtlich ist, beträgt der akustische Unterschied zwischen Flüssigkeits- und Luftkühlung fast 10 dB und bei Annäherung an die 125-Sekunden-Marke 5 dB. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Wärmekapazität des Fluids im Laufe der Zeit einen akustischen Vorteil bietet.
Vergleich von Systemen mit Luft- und Flüssigkeitskühlung während der Probenahme.Der zweite untersuchte Fall ist ein Test mit der beliebten CAD-Software (3D CAD). Für diese Anwendung haben wir ein Testskript verwendet, das allgemeine Aktionen ausführte: Schwenken, Zoomen, Drehen, Erstellen von Teilen, Zusammenbauen usw. Die Prozessorleistung und -last wurden als Funktion der Zeit gemessen. Die erste Abbildung zeigt die zeitliche Ungleichmäßigkeit der CPU-Auslastung sowie% der maximal gemessenen Leistung. Diese typische Anwendung mit variabler Last zeigt das große Potenzial einer Kühllösung mit hoher Wärmekapazität, wie z. B. Flüssigkeitskühlung.
Die folgende Abbildung zeigt das Zeitintervall von 250 bis 500 Sekunden. In diesem Intervall des Testszenarios ist ersichtlich, dass die Last ein lokales Maximum aufweist, das sich 70% der maximal gemessenen Leistung nähert. Gleichzeitig liegen die lokalen Minima nahe bei 35% der maximal gemessenen Leistung.
Die hohe Wärmekapazität der Flüssigkeitskühlung muss diese Spitzen absorbieren, ohne den Lüfter so schnell wie bei der Luftkühlung zu beschleunigen. Zur weiteren Analyse des Schalldruckunterschieds zwischen den beiden Systemen wurden akustische Daten in diskreten Zeitschritten ermittelt.
Die Abbildung zeigt die zeitliche Abhängigkeit des Schalldrucks zwischen Luft- und Flüssigkeitskühlung. Die Daten veranschaulichen deutlich die Vorteile eines LSS für einen Workstation-Benutzer. In diesem Fall überschreitet die Flüssigkeitskühlung den Geräuschpegel nicht mehr als 28 dBA, und ein Luftsystem erreicht einen Spitzenwert von mehr als 40 dBA.
Unter Verwendung der Daten in der Figur wurde die durchschnittliche Änderungsrate für die Flüssigkeitskühlung zu 0,054 dBA / s bestimmt, während diese Zahl für ein luftgekühltes System 0,38 dBA / s betrug. In der LSS war die Änderungsrate im 250-Sekunden-Intervall um 86% geringer.
Schlussfolgerungen
Die Studie zeigt signifikante akustische Vorteile für Kunden von Dell Precision-Workstations mit der Flüssigkeitskühllösung Dell Precision Tower 7910. Diese Vorteile zeigen sich sowohl bei starken thermischen Belastungen als auch bei typischen interaktiven Vorgängen. In beiden Szenarien führte die natürliche Wärmekapazität der Flüssigkeit zu einer Verdreifachung der Zeit, die erforderlich ist, um die maximale Lüfterdrehzahl zu erreichen, im Vergleich zur branchenweit besten Luftkühlung. Bei Anwendungen mit variabler Last hat die transiente akustische Reaktion um 10 dB zugenommen.
Durch die
Flüssigkeitskühlung kann
die Tower 7910-Workstation erheblich leiser werden - sowohl für Ingenieure oder herkömmliche CAD-Benutzer als auch für diejenigen, die mit intensiven Computeranwendungen arbeiten (z. B. mit Modellierung und Analyse).