Los componentes electrónicos modernos funcionan más rápido cada año. Las velocidades aumentan, el consumo y la disipación de calor aumentan. Las tendencias actuales en el enfriamiento por inmersión de procesadores y tarjetas de video están ingresando cada vez más en nuestras vidas.
Hay muchas ofertas de sistemas de enfriamiento por inmersión en el mercado, sin embargo, a primera vista, sus diferencias fundamentales no son tan fáciles de determinar. Realizamos una comparación empírica de tecnologías e identificamos sus desventajas y ventajas.
Sobrecalentamiento de los equipos como flagelo de la electrónica moderna.
Todos saben que la electrónica moderna funciona con energía eléctrica. Hay una batería en dicho dispositivo, o necesita ser enchufado. Y todos ellos están unidos por una característica más común: se calientan. Por ejemplo, los teléfonos modernos generan calor activamente cuando realizan tareas que requieren muchos recursos: juegos, grabación de videos de alta calidad, etc., y los jugadores saben que para el buen funcionamiento de sus poderosas computadoras se necesitan refrigeradores grandes y eficientes.
La corriente eléctrica de la fuente de energía pasa a través de microcircuitos, que consisten principalmente en semiconductores complejos. Un semiconductor es un tipo de material que conduce parcialmente corriente eléctrica, y parcialmente no. Su conductividad depende del voltaje, la temperatura y otras condiciones.
Si toma varios semiconductores diferentes y los organiza en tres capas, puede lograr un resultado inesperado. Si se aplica voltaje a la 1ra y 3ra capa, la corriente no fluye a través de ese "emparedado". Pero si inicia una corriente muy pequeña a lo largo de la segunda capa, entonces, entre la primera y la tercera capa, la corriente comienza a fluir casi sin obstáculos.
Un dispositivo que funciona según el principio indicado se llama transistor. Ahora su estructura, por supuesto, es más compleja, pero la regla sigue siendo la misma: controlar el flujo de corriente debido al obturador de control. Este efecto se puede comparar con un grifo.
Se presta especial atención en el funcionamiento del transistor al proceso de transición de un estado cerrado (la corriente no fluye) a un estado abierto (la corriente fluye sin obstáculos). El sentido común dicta que la transición de un estado a otro no puede ser instantánea, y aunque lleva un período de tiempo muy corto pero no distinto. Es en el momento de cambiar entre estos estados que la corriente pasa mal, lo que hace que el transistor se caliente.
Los procesadores modernos funcionan a frecuencias de hasta 4 GHz, lo que significa que los transistores en el procesador realizan 4,000,000,000 de operaciones de conmutación por segundo. Y cada cambio de este tipo hace que el dispositivo se caliente.
Por esta razón, cuando se hace un overclocking del procesador (overclocking), el proceso de calentamiento se manifiesta especialmente fuerte.
Para eliminar el calor a la superficie del procesador, se utiliza un radiador con ventilador. El ventilador sopla las aletas del radiador con aire frío y elimina el calor generado por el procesador. Este enfoque es el más fácil de usar, por lo que se ha generalizado.
El desarrollo de la electrónica ha llevado al hecho de que cada año la velocidad de los procesadores y el número de transistores aumentaron rápidamente, y el tamaño del procesador siempre se mantuvo en el mismo nivel. Compare el procesador Intel 486 con una velocidad de 33 MHz y el moderno Intel I7 con una velocidad de 3.8 GHz. El tamaño es el mismo, la velocidad es mucho mayor, lo que significa un mayor consumo de energía y disipación de calor.
Debe tenerse en cuenta que para que el transistor funcione correctamente, su temperatura debe permanecer baja, de lo contrario, comienza a conducir corriente eléctrica incluso cuando no se le requiere. Resulta que cuanto más rápido es el procesador, más se calienta y mayor es la posibilidad de que los transistores en su interior no funcionen correctamente. Tal efecto se observa, por ejemplo, durante el overclocking y se expresa en forma de la famosa "pantalla azul de la muerte". Cuando el procesador detecta un mal funcionamiento en su propia operación, el sistema operativo detiene su operación y el usuario muestra una pantalla azul con información sobre el estado actual. Si continúa operando en este modo, es muy probable que al menos un transistor de varios miles de millones se rompa. Esto conducirá a un mal funcionamiento regular y a la imposibilidad de usar dicho procesador en el futuro.
Es por eso que es tan importante usar buenos sistemas de enfriamiento y operar la electrónica en un rango de temperatura dado. La búsqueda de la velocidad puede conducir primero a congelaciones aleatorias y luego a constantes, con más daños al procesador.
Este principio se aplica principalmente a las CPU modernas, y especialmente a las GPU. Debido a la diferencia en la arquitectura de estos dos dispositivos informáticos, el calentamiento de la GPU es más potente, simplemente porque casi todos los transistores del interior se utilizan durante el funcionamiento. La potencia promedio de la CPU superior es de 90 vatios, y la GPU es de 200 vatios. Por lo tanto, los radiadores de las tarjetas de video modernas son mucho más grandes que los radiadores de los procesadores centrales.
Al enfriar una gran potencia informática, surgen dificultades adicionales. La potencia del equipo de servidor ubicado en un metro cuadrado es extremadamente alta y asciende a decenas de kW. Además, es necesario mantener un microclima constante, sin fluctuaciones de temperatura y humedad. Considere cuidadosamente la definición de la palabra "humedad": la concentración de moléculas de agua por unidad de volumen de aire; En determinadas circunstancias, la humedad puede condensarse y convertirse en agua, que conduce muy bien la corriente eléctrica, lo que es muy peligroso para la electrónica. Las salas de servidores también tienen otro enemigo: el polvo, que obstruye los radiadores y reduce significativamente la eficiencia de enfriamiento.
Sistemas de enfriamiento convencionales y alternativos.
A pesar de todas estas dificultades, los fabricantes de equipos de servidores modernos continúan usando aire para eliminar el calor. Casi todas las salas de servidores modernas están diseñadas para enfriar el aire, con separación en corredores fríos y calientes. Para garantizar las condiciones climáticas durante todo el año, se instalan potentes sistemas climáticos, que incluyen aire acondicionado. Tales plantas por sí mismas consumen mucha electricidad y, paradójicamente, ellas mismas generan mucho calor. Y esta solución, desafortunadamente, está muy extendida.
Las tecnologías alternativas de enfriamiento de aire son freecooling. El aire entra desde el exterior y purga la sala del servidor, saliendo libremente. Con este enfoque, los costos de equipo se reducen, pero esta solución no es adecuada para países cálidos. Además, el aire sigue siendo polvoriento, y su humedad corresponde a la humedad de la calle, que se acompaña de fluctuaciones tanto de humedad como de temperatura dentro del objeto.
Sistema de enfriamiento por inmersión
Más recientemente, las tecnologías de enfriamiento por inmersión han ganado popularidad. Los desarrollos sobre este tema se han llevado a cabo durante mucho tiempo, ya que la tecnología en sí ya no es nueva, pero ahora su demanda está creciendo a un ritmo extraordinario.
La palabra "inmersión" significa "sumergible". Esto significa que todos los componentes electrónicos, todas las placas de servidor, procesador, tarjetas de video, fuentes de alimentación y discos duros están completamente sumergidos en líquido. Naturalmente, este fluido es dieléctrico y no conduce corriente; de lo contrario, el trabajo de la electrónica sería imposible. Tras un análisis más detallado de las soluciones propuestas, queda claro que el enfriamiento por inmersión es diferente, con y sin transición de fase. Estos tipos de enfriamiento difieren no solo en su principio físico, sino que también tienen diferencias significativas en la operación.
Por lo tanto, el aceite mineral se ha utilizado para enfriar transformadores de potencia en subestaciones durante mucho tiempo. Esta sustancia se caracteriza por la ausencia de conductividad eléctrica y suficiente capacidad calorífica. También puede notar su bajo costo.
El líquido 3M Novec para enfriamiento en dos fases, a diferencia del aceite mineral, se ha utilizado relativamente recientemente. Tampoco conduce corriente eléctrica y tiene una baja capacidad calorífica. Sorprendentemente, el efecto refrescante con su ayuda se logra al hervir. Para un análisis más detallado de este fenómeno, debemos recordar las leyes de la física.
El calentamiento del líquido se produce debido a la transferencia de energía de un objeto más cálido a uno más frío. La cantidad de energía, o la cantidad de calor, se mide en julios. Un Joule es el equivalente a calentar el cuerpo con 1 W por un segundo.
Por lo tanto, la tarjeta de video emite 200 W * 1 s = 200 J de calor si funciona solo por un segundo. Durante un minuto, la tarjeta emitirá 200 W * 60 s = 12 kJ de calor. La segunda pregunta que surge en este caso es la temperatura. ¿Cuánto cambiará la temperatura de la tarjeta de video con tal calentamiento? El cambio de temperatura dependerá de la capacidad calorífica del objeto que estamos calentando y de su masa. Es bastante obvio que un vaso de agua en una tetera hierve mucho más rápido que una tetera llena.
Imagine que estamos tratando de calentar 1 litro de agua con una tarjeta de video. El peso de 1 litro de agua es de aproximadamente 1 kg. La capacidad calorífica del agua es de aproximadamente 3800 J / kg / K. Esto significa que para calentar agua que pese 1 kg por 1 grado Celsius, se requerirán 3800 J de energía. Compare esto con el poder de nuestra tarjeta de video y obtenga 12000/3800 = 3.15 grados Celsius. ¡Y eso es solo en un minuto! Cálculos simples pueden establecer que después de 10 minutos el agua se calentará a 31 ° C. Naturalmente, ese proceso no continuará para siempre. Entonces, si descuidamos la conductividad térmica de los materiales, el agua se calentará hasta 85-90 grados, después de lo cual la tarjeta de video se sobrecalentará y congelará.
Si refinamos nuestro experimento y después de 10 minutos reemplazamos el agua calentada con agua fría, el proceso de calentamiento comenzará nuevamente. En este caso, la tarjeta no se sobrecalentará. Por supuesto, cambiar el agua cada 10 minutos es inconveniente, y se piensa en estirar las tuberías a través de las cuales fluirá el agua fría y el agua caliente. Tales sistemas de refrigeración líquida existen y se venden en muchas tiendas de computadoras.
Volvamos al enfriamiento por inmersión con aceite mineral. Para esto, en nuestros cálculos, necesitamos cambiar la capacidad de calor y la masa de la sustancia. El peso de 1 litro de aceite es ligeramente inferior a un litro de agua y es de 0,85 kg. La capacidad calorífica es 1800 J / kg / K. Entonces, para calentar un litro de aceite, se necesita 0.85 kg * 1C * 1800 J / kg / K = 1.5 kJ de energía. Esto significa que la tarjeta de video calienta el aceite a 12000/1500 = 8 ° C en 1 minuto. Esto es mucho más de 3.15 ° C. Sin embargo, este método tiene una gran ventaja: no necesita tuberías para suministrar y descargar líquido a cada tarjeta de video. Simplemente puede poner varias tarjetas de video en un baño y verterlas con aceite mineral.
El problema del sobrecalentamiento del aceite en nuestro caso tampoco va a ninguna parte. Tan pronto como el aceite se caliente a la temperatura de la tarjeta de video, ya no se calentará y el equipo se sobrecalentará. De nuevo, tienes que servir de alguna manera el aceite frío y tomar el caliente.
Se podría usar una solución simple: una gran capacidad de aceite frío y un recipiente para almacenar aceite ya calentado. Naturalmente, la instalación de tanques tan grandes no es económicamente factible, por lo que tenemos que poner en marcha el aceite en un circuito cerrado y enfriarlo fuera del baño de inmersión. Esto requerirá una instalación adicional del radiador en el exterior, donde el aire más frío lo soplará. Proporcionar una purga del aire de la calle es bastante natural: hay mucho aire frío (en comparación con la temperatura del aceite) en la calle, y el viento arrastra el aire caliente.
Pero, ¿cuánto enfriará el radiador 1 m3 de aire a los mismos 8 grados? Después de todo, después de hacer los cálculos, encontraremos que para enfriar una tarjeta de video, se necesita aproximadamente 1 litro de aceite frío (enfriado) por minuto; mientras que el aceite tendrá tiempo para calentarse 8 grados. Es decir, el radiador debe enfriar el aceite solo 8 grados con aire frío.
Otro elemento importante que ha quedado fuera del alcance de nuestros cálculos es la bomba. Los requisitos para esto son mucho más simples: hacer circular 1 litro de aceite por minuto. Se debe prestar especial atención a la viscosidad del aceite. Está claro que debido a la menor viscosidad, 1 litro de agua pasará por las tuberías y a través del radiador es mucho más simple que 1 litro de aceite. Es decir, necesitamos una bomba potente o tuberías grandes y un radiador.
Imaginemos ahora que ahora no tiene una, sino al menos 100 tarjetas de video. Esto ya es 20 kW de calor y 12,000,000 de julios de energía por minuto. Luego, en igualdad de condiciones, la bomba debería bombear ya 100 litros de aceite por minuto. Imagine las dificultades que surgen cuando hay 1000 tarjetas de video en un sistema ...
Pasamos al enfriamiento por inmersión en dos fases con líquido Novec. A menudo puede escuchar que es costoso, muy volátil, se evapora fácilmente, etc. Por supuesto, esto es así, porque el principio de su acción es completamente diferente. Cuando este líquido se calienta por encima de 61 ° C, se produce su evaporación. Sin embargo, ni el calentamiento ni el enfriamiento ocurren con él. Al calentar todo el volumen de líquido después del arranque cuando alcanza los 61 ° C, la temperatura simplemente no aumenta. Parece absurdo, sin embargo, lo es. El proceso de evaporación (ebullición) en sí mismo consume mucha energía. Quizás este proceso se pueda comparar con las sensaciones de una persona que se baña en el verano y deja el agua. Está tibio en el agua y hace frío con el viento. La razón de este fenómeno es la evaporación del agua de la superficie del cuerpo.
De manera similar, Novec se evapora de las superficies calientes de los chips y se lleva algo de calor. Se necesitan aproximadamente 120 julios para vaporizar 1 g de Novec. Esto significa que una tarjeta de video de 200 W vaporizará aproximadamente 2 g de líquido en 1 segundo. Y en un minuto, solo 120 g. La eficiencia de la eliminación del calor debido a la ebullición es extremadamente alta, y el tamaño del radiador para eliminar 200 W de calor puede ser tan pequeño como 3-4 cm2. De hecho, prácticamente no se necesita un radiador.
Al igual que el aceite mineral, este sistema requiere enfriamiento por líquido. Para hacer esto, puede agregar 120 g de líquido de un tanque enorme cada minuto. Por otro lado, con un costo líquido de alrededor de $ 100 por litro, dicho tanque sale con una solución muy, muy costosa. Por lo tanto, es completamente natural ir hacia otro lado: organizar un ciclo cerrado con un enfriador externo.
Condensación de vapor líquido
La evaporación es la transición de una sustancia de un estado líquido a un estado gaseoso. Es decir, después de hervir, Novec no desaparece sin dejar rastro, sino que se convierte en un gas que se acumula sobre la superficie del líquido en forma de niebla. ¿Qué pasa si esta niebla fría? Instalamos varias tuberías en el interior y les ponemos agua fría. El gas comenzará a condensarse sobre ellos y formará gotas que se combinarán en una corriente de líquido y fluirán de regreso. Por lo tanto, Novec no irá a ningún lado y permanecerá dentro del sistema sin ninguna pérdida.
El proceso de condensación es exactamente lo opuesto a la evaporación; todo sucede en el orden opuesto. En cuanto a la energía, debe tomarse del gas en exactamente el mismo volumen que durante la evaporación. Naturalmente, las tuberías frías se calentarán y la potencia de calentamiento será exactamente la misma que la liberada por las tarjetas de video durante la ebullición.
Para la operación efectiva del sistema de enfriamiento de inmersión de dos fases, necesitamos enfriar constantemente las tuberías. La solución más simple y efectiva es dejar correr agua sobre ellos, que se enfriará con un radiador ubicado en la calle. En comparación con el aceite mineral, parece mucho más fácil. Después de todo, la capacidad calorífica del agua es el doble y el volumen de circulación por minuto es menor. Además, la viscosidad del agua es significativamente menor, lo que significa que la bomba puede bombear fácilmente un mayor volumen de agua por unidad de tiempo. Estos factores permitirán utilizar un radiador más pequeño en la calle, tuberías más delgadas y una bomba menos potente, en comparación con el mismo aceite mineral.
Ventajas del sistema de enfriamiento por inmersión.
Ambos sistemas de enfriamiento, tanto con aceite mineral como con fluido de inmersión Novec, tienen una ventaja importante sobre el enfriamiento por aire. No hay necesidad de costosos aires acondicionados que consuman electricidad. Además, no hay problema de polvo y humedad, como en los sistemas de enfriamiento gratuito.
Uno de los parámetros importantes de los centros de datos es el coeficiente PUE (eficiencia energética), que es igual a la relación entre el consumo de energía total del centro de datos y el consumo de energía de los dispositivos informáticos. Para sistemas de inmersión, este coeficiente se aproxima a 1, para sistemas de aire con acondicionadores de aire, aproximadamente 1.5. Las diferencias son muy significativas, especialmente cuando considera la diferencia en el costo del equipo.
Beneficios del enfriamiento de Novec sobre el aceite mineral
En esta etapa, ambos sistemas parecen ser iguales en términos de características. Pero en los cálculos descritos, no tomamos en cuenta que los líquidos en el baño de inmersión no se mezclan solos. Imagine que sumergimos la tarjeta de video en aceite mineral y la encendimos. La capa de aceite inmediatamente al lado del radiador de la tarjeta de video se calentará, pero los volúmenes de aceite que están a cierta distancia no lo harán. En este caso, se producirá un sobrecalentamiento local en el área de la tarjeta de video. Entonces se hace evidente la necesidad de garantizar una mezcla efectiva del aceite dentro del baño, ya sea utilizando los ventiladores de la tarjeta de video, o de alguna otra manera. Esto complica el diseño y requiere soluciones técnicas especiales.
En los sistemas de enfriamiento de inmersión de dos fases con líquido Novec, este problema está ausente.
Constantemente hierve y se mezcla, especialmente en aquellos lugares donde se produce el calentamiento. Las burbujas salen del radiador y un nuevo líquido entra en su lugar.
La segunda diferencia importante entre el aceite y Novec es la inflamabilidad. Novec nunca se quema, incluso se usa para extinguir incendios en bibliotecas. El petróleo se quema fácilmente por naturaleza y, además, no se puede extinguir con agua. Esto se indica en las especificaciones técnicas de cualquier aceite. La temperatura del inicio de la combustión es de aproximadamente 200-400 grados.Realizamos una serie de experimentos para verificar las conclusiones que se describen a continuación. Cuando el aceite se calentó a 150 ° C, comenzó a humear, después de lo cual apareció una llama, ardiendo con confianza cada segundo. Además, debido a la combustión, la temperatura del aceite comenzó a aumentar en 2 grados por segundo, y las llamas se hicieron cada vez más altas. La llama ya era difícil de apagar y, mientras tanto, la temperatura seguía aumentando.Un experimento similar con Novec mostró que el líquido se evaporó activamente, pero no fue posible calentarlo por encima de 61 ° C. Al prender fuego a los vapores de Novec, tampoco lograron quemarlos. Como está escrito en la especificación de Novec: el material no se quema, no se ilumina.Entonces, ¿es posible usar aceite mineral y sus análogos para un enfriamiento eficiente de la electrónica? Por supuesto, sí. ¿Sería arriesgado dado el costo extremadamente alto del equipo? Por supuesto
Un incendio puede ocurrir por muchas razones, y la presencia de grandes cantidades de aceite mineral puede hacer que la eliminación de dicho incendio sea extremadamente difícil y las consecuencias catastróficas.Fluido Novec: Debilidades
¿Cuáles son las deficiencias más graves de fluidos de Novec? El alto precio, el aumento de los requisitos para la estanqueidad del baño de inmersión, asociado con la alta volatilidad del fluido Novec, y la complejidad del diseño de este último. Además, se puede observar la necesidad de un monitoreo cuidadoso de los parámetros del proceso de enfriamiento para evitar la ebullición del líquido. Además, el uso del fluido Novec se vuelve económicamente viable solo cuando se usan tarjetas gráficas especializadas con una alta densidad de instalación.Al diseñar un sistema de enfriamiento, se deben considerar unas 20 características diferentes. Los cálculos completos deben tener necesariamente en cuenta la resistencia térmica de los radiadores y las interfaces térmicas, así como las propiedades del material y las superficies de los intercambiadores de calor y radiadores de los equipos utilizados.El progreso no se detiene, ya es obvio que el futuro de la industria radica en la refrigeración por inmersión efectiva, y no en el aire. Solo queda elegir entre una solución compleja y segura, o más asequible, pero arriesgada.