Les composants électroniques modernes fonctionnent plus rapidement chaque année. Les vitesses augmentent, la consommation et la dissipation thermique augmentent. Les tendances actuelles du refroidissement par immersion des processeurs et des cartes vidéo entrent de plus en plus dans nos vies.
Il existe de nombreuses offres de systèmes de refroidissement par immersion sur le marché, cependant, à la première connaissance, leurs différences fondamentales ne sont pas si faciles à déterminer. Nous avons effectué une comparaison empirique des technologies et identifié leurs inconvénients et avantages.
La surchauffe de l'équipement comme fléau de l'électronique moderne
Tout le monde sait que l'électronique moderne est alimentée par l'énergie électrique. Il y a soit une batterie dans un tel appareil, soit elle doit être branchée. Et tous sont unis par une autre caractéristique commune: ils chauffent. Par exemple, les téléphones modernes génèrent activement de la chaleur lors de l'exécution de tâches gourmandes en ressources: jeux, enregistrement de vidéos de haute qualité, etc., et les joueurs savent que pour le bon fonctionnement de leurs ordinateurs puissants, vous avez besoin de refroidisseurs grands et efficaces.
Le courant électrique de la source d'alimentation passe à travers des microcircuits, constitués principalement de semi-conducteurs complexes. Un semi-conducteur est une sorte de matériau qui conduit partiellement le courant électrique, et partiellement non. Sa conductivité dépend de la tension, de la température et d'autres conditions.
Si vous prenez plusieurs semi-conducteurs différents et les disposez en trois couches, vous pouvez obtenir un résultat inattendu. Si une tension est appliquée aux première et troisième couches, le courant ne passe pas à travers un tel «sandwich». Mais si vous démarrez un très petit courant le long de la 2e couche, alors entre la 1re et la 3e couche, le courant commence à circuler presque sans entrave.
Un dispositif fonctionnant selon le principe indiqué est appelé transistor. Maintenant, sa structure, bien sûr, est plus complexe, mais la règle reste la même - contrôler le flux de courant dû à l'obturateur de contrôle. Cet effet peut être comparé à un robinet.
Une attention particulière dans le fonctionnement du transistor est accordée au processus de transition d'un état fermé (le courant ne circule pas) à un état ouvert (le courant circule sans entrave). Le bon sens veut que la transition d'un état à un autre ne puisse pas être instantanée, et bien qu'elle prenne une durée très courte, mais toujours non nulle. C'est au moment de la commutation entre ces états que le courant passe mal, ce qui fait chauffer le transistor.
Les processeurs modernes fonctionnent à des fréquences allant jusqu'à 4 GHz, ce qui signifie que les transistors du processeur effectuent 4 000 000 000 de commutations par seconde! Et chacune de ces commutations fait chauffer l'appareil.
Pour cette raison, lors de l'overclocking du processeur (overclocking), le processus de chauffage se manifeste particulièrement fortement.
Pour évacuer la chaleur à la surface du processeur, un radiateur avec ventilateur est utilisé. Le ventilateur souffle les ailettes du radiateur avec de l'air froid et élimine la chaleur générée par le processeur. Cette approche est la plus simple à utiliser, c'est pourquoi elle s'est généralisée.
Le développement de l'électronique a conduit au fait que chaque année la vitesse des processeurs et le nombre de transistors augmentaient rapidement, et la taille du processeur restait invariablement au même niveau. Comparez le processeur Intel 486 avec une vitesse de 33 MHz et le moderne Intel I7 avec une vitesse de 3,8 GHz. La taille est la même, la vitesse est beaucoup plus élevée, ce qui signifie une consommation d'énergie et une dissipation de chaleur plus élevées.
Il est à noter que pour que le transistor fonctionne correctement, sa température doit rester basse, sinon il commence à conduire du courant électrique même lorsqu'il n'est pas requis de lui. Il s'avère que plus le processeur est rapide, plus il chauffe et plus les chances que les transistors à l'intérieur ne fonctionnent pas correctement sont élevées. Un tel effet s'observe, par exemple, lors de l'overclocking et s'exprime sous la forme du fameux «écran bleu de la mort». Lorsque le processeur détecte un dysfonctionnement dans son propre fonctionnement, le système d'exploitation arrête son fonctionnement et l'utilisateur affiche un écran bleu avec des informations sur l'état actuel. Si vous continuez à fonctionner dans ce mode, il est fort probable qu'au moins un transistor de plusieurs milliards se cassera. Cela conduira à des dysfonctionnements réguliers et à l'impossibilité d'utiliser un tel processeur à l'avenir.
C'est pourquoi il est si important d'utiliser de bons systèmes de refroidissement et de faire fonctionner l'électronique dans une plage de température donnée. La poursuite de la vitesse peut conduire d'abord à des gels aléatoires, puis à des gels constants, avec des dommages supplémentaires au processeur.
Ce principe s'applique principalement aux processeurs modernes - et en particulier aux GPU. En raison de la différence dans l'architecture de ces deux appareils informatiques, le chauffage du GPU est plus puissant - simplement parce que presque tous les transistors à l'intérieur sont utilisés pendant le fonctionnement. La puissance moyenne du processeur supérieur est de 90 watts, et le GPU est de 200 watts. Par conséquent, les radiateurs des cartes vidéo modernes sont beaucoup plus grands que les radiateurs des processeurs centraux.
Lors du refroidissement d'une grande puissance de calcul, des difficultés supplémentaires surviennent. La puissance des équipements serveurs situés sur un mètre carré est extrêmement élevée, et s'élève à des dizaines de kW. De plus, il est nécessaire de maintenir un microclimat constant, sans fluctuations de température et d'humidité. Réfléchissez bien à la définition du mot «humidité»: la concentration de molécules d'eau par unité de volume d'air; dans certaines circonstances, l'humidité peut se condenser et se transformer en eau, qui conduit très bien le courant électrique - ce qui est très dangereux pour l'électronique. Les salles des serveurs ont également un autre ennemi - la poussière, qui obstrue les radiateurs et réduit considérablement l'efficacité du refroidissement.
Systèmes de refroidissement conventionnels et alternatifs
Malgré toutes ces difficultés, les fabricants d'équipements de serveurs modernes continuent d'utiliser l'air pour évacuer la chaleur. Presque toutes les salles de serveurs modernes sont conçues pour le refroidissement par air, avec séparation en couloirs froids et chauds. Pour assurer les conditions climatiques tout au long de l'année, de puissants systèmes climatiques sont installés, dont la climatisation. Ces plantes consomment à elles seules beaucoup d'électricité et, paradoxalement, elles produisent elles-mêmes beaucoup de chaleur. Et cette solution, malheureusement, est répandue.
Les technologies alternatives de refroidissement par air sont le freecooling. L'air entre par l'extérieur et purge la salle des serveurs, en sortant librement. Avec cette approche, les coûts d'équipement sont réduits, mais cette solution n'est pas adaptée aux pays chauds. De plus, l'air reste poussiéreux et son humidité correspond à l'humidité de la rue, qui s'accompagne de fluctuations à la fois de l'humidité et de la température à l'intérieur de l'objet.
Système de refroidissement par immersion
Plus récemment, les technologies de refroidissement par immersion ont gagné en popularité. Les développements sur ce sujet sont menés depuis longtemps, puisque la technologie elle-même n'est plus nouvelle, mais maintenant sa demande croît à un rythme extraordinaire.
Le mot «immersion» signifie «submersible». Cela signifie que tous les composants électroniques, toutes les cartes serveur, processeurs, cartes vidéo, blocs d'alimentation et disques durs sont complètement immergés dans du liquide. Naturellement, ce fluide est diélectrique et ne conduit pas de courant - sinon le travail de l'électronique serait impossible. Après une analyse plus approfondie des solutions proposées, il devient clair que le refroidissement par immersion est différent, avec et sans transition de phase. Ces types de refroidissement diffèrent non seulement par leur principe physique, mais présentent également des différences de fonctionnement importantes.
Ainsi, l'huile minérale est utilisée depuis longtemps pour refroidir les transformateurs de puissance dans les sous-stations. Cette substance se caractérise par l'absence de conductivité électrique et une capacité thermique suffisante. Vous pouvez également noter son faible coût.
Le liquide 3M Novec pour le refroidissement en deux phases, par opposition à l'huile minérale, a été utilisé relativement récemment. Il ne conduit pas non plus de courant électrique et a une faible capacité thermique. Étonnamment, l'effet de refroidissement avec son aide est obtenu par ébullition. Pour une analyse plus détaillée de ce phénomène, il nous faut rappeler les lois de la physique.
Le chauffage du liquide se produit en raison du transfert d'énergie d'un objet plus chaud à un objet plus froid. La quantité d'énergie, ou la quantité de chaleur, est mesurée en Joules. Un Joule équivaut à chauffer le corps avec 1 W pendant une seconde.
Ainsi, la carte vidéo émet 200 W * 1 s = 200 J de chaleur si elle ne fonctionne que pendant une seconde. Pendant une minute, la carte émettra 200 W * 60 s = 12 kJ de chaleur. La deuxième question qui se pose dans ce cas est la température. Quelle sera la température de la carte vidéo changer avec un tel chauffage? Le changement de température dépendra de la capacité calorifique de l'objet que nous chauffons et de sa masse. Il est bien évident qu'un verre d'eau dans une théière bout beaucoup plus vite qu'une théière pleine.
Imaginez que nous essayons de chauffer 1 litre d'eau avec une carte vidéo. Le poids d'un litre d'eau est d'environ 1 kg. La capacité thermique de l'eau est d'environ 3800 J / kg / K. Cela signifie que pour chauffer de l'eau pesant 1 kg par 1 degré Celsius, 3800 J d'énergie seront nécessaires. Comparez cela avec la puissance de notre carte vidéo et obtenez 12000/3800 = 3,15 degrés Celsius. Et c'est juste dans une minute! Des calculs simples peuvent établir qu'après 10 minutes, l'eau chauffera jusqu'à 31 ° C. Naturellement, un tel processus ne se poursuivra pas éternellement. Donc, si nous négligeons la conductivité thermique des matériaux, l'eau chauffera jusqu'à 85–90 degrés, après quoi la carte vidéo surchauffera et gèlera.
Si nous affinons notre expérience et après 10 minutes remplaçons l'eau chauffée par de l'eau froide, le processus de chauffage recommencera. Dans ce cas, la carte ne surchauffera pas. Bien sûr, changer l'eau toutes les 10 minutes n'est pas pratique, et la pensée vient d'étirer les tuyaux à travers lesquels l'eau froide s'écoulera et l'eau chauffée sortira. De tels systèmes de refroidissement liquide existent et sont vendus dans de nombreux magasins d'informatique.
Revenons au refroidissement par immersion avec de l'huile minérale. Pour cela, dans nos calculs, nous devons modifier la capacité thermique et la masse de la substance. Le poids d'un litre d'huile est légèrement inférieur à un litre d'eau et est de 0,85 kg. La capacité thermique est de 1800 J / kg / K. Ainsi, pour chauffer un litre d'huile, 0,85 kg * 1C * 1800 J / kg / K = 1,5 kJ d'énergie sont nécessaires. Cela signifie que la carte vidéo chauffe l'huile à 12000/1500 = 8 ° C en 1 minute. C'est bien plus que 3,15 ° C. Cependant, cette méthode a un grand avantage - elle n'a pas besoin de tuyaux pour fournir et décharger du liquide à chaque carte vidéo. Vous pouvez simplement mettre plusieurs cartes vidéo dans un bain et les verser avec de l'huile minérale.
Le problème de la surchauffe de l'huile elle-même dans notre cas ne va pas non plus nulle part. Dès que l'huile se réchauffe à la température de la carte vidéo, elle ne prend plus de chaleur et l'équipement surchauffe. Encore une fois, vous devez en quelque sorte servir l'huile froide et prendre le chaud.
Une solution simple pourrait être utilisée: une grande capacité d'huile froide et un conteneur pour stocker l'huile déjà chauffée. Naturellement, l'installation de ces énormes réservoirs n'est pas économiquement réalisable, nous devons donc démarrer l'huile en circuit fermé et la refroidir à l'extérieur du bain d'immersion. Cela nécessitera une installation supplémentaire du radiateur à l'extérieur, où l'air plus frais le soufflera. Il est tout à fait naturel de purger l'air de la rue: il y a beaucoup d'air froid (par rapport à la température de l'huile) dans la rue, et l'air chaud est emporté par le vent.
Mais combien le radiateur refroidira-t-il 1 m3 d'air aux mêmes 8 degrés? Après tout, après avoir fait les calculs, nous constaterons que pour refroidir une carte vidéo, environ 1 litre d'huile froide (refroidie) par minute est nécessaire; tandis que l'huile aura le temps de se réchauffer de 8 degrés. Autrement dit, le radiateur doit être de nature à refroidir l'huile de seulement 8 degrés avec de l'air froid.
Un autre élément important qui est resté en dehors de la portée de nos calculs est la pompe. Les exigences sont beaucoup plus simples - faire circuler 1 litre d'huile par minute. Une attention particulière doit être portée à la viscosité de l'huile. Il est clair qu'en raison de la viscosité plus faible, 1 litre d'eau passera à travers les tuyaux et à travers le radiateur est beaucoup plus simple que 1 litre d'huile. Autrement dit, nous avons besoin soit d'une pompe puissante, soit de gros tuyaux et d'un radiateur.
Imaginons maintenant que vous n'en avez plus une, mais au moins 100 cartes vidéo. Cela représente déjà 20 kW de chaleur et 12 000 000 joules d'énergie par minute. Ensuite, dans des conditions égales, la pompe doit déjà pomper 100 litres d'huile par minute. Imaginez les difficultés qui surviennent lorsqu'il y a 1000 cartes vidéo dans un système ...
Nous nous tournons vers le refroidissement par immersion diphasique avec du liquide Novec. Vous pouvez souvent entendre qu'il est cher, très volatil, s'évapore facilement, etc. Bien sûr, il en est ainsi, car le principe de son action est complètement différent. Lorsque ce liquide est chauffé au-dessus de 61 ° C, son évaporation se produit. Cependant, il ne se produit ni chauffage ni refroidissement. Lors du réchauffement de tout le volume de liquide après le démarrage lorsqu'il atteint 61 ° C, la température n'augmente tout simplement pas. Cela semble absurde, cependant. Le processus d'évaporation (ébullition) en lui-même est très énergivore. Peut-être que ce processus peut être comparé aux sensations d'une personne qui se baigne en été et quitte l'eau. Il fait chaud dans l'eau et il fait froid dans le vent. La raison de ce phénomène est l'évaporation de l'eau de la surface du corps.
De la même manière, Novec s'évapore des surfaces chaudes des puces et absorbe une partie de la chaleur. Il faut environ 120 joules pour vaporiser 1 g de Novec, ce qui signifie qu'une carte vidéo de 200 W vaporisera environ 2 g de liquide en 1 seconde. Et en une minute - seulement 120 g. L'efficacité de l'évacuation de la chaleur due à l'ébullition est extrêmement élevée, et la taille du radiateur pour éliminer 200 W de chaleur peut être aussi faible que 3-4 cm2. En fait, un radiateur n'est pratiquement pas nécessaire.
Comme l'huile minérale, ce système nécessite un refroidissement par fluide. Pour ce faire, vous pouvez ajouter chaque minute 120 g de liquide d'un énorme réservoir. En revanche, avec un coût liquide d'environ 100 $ le litre, un tel réservoir propose une solution très, très chère. Par conséquent, il est tout à fait naturel d'aller dans l'autre sens - d'organiser un cycle fermé avec un refroidisseur externe.
Condensation de vapeur liquide
L'évaporation est la transition d'une substance d'un liquide à un état gazeux. Autrement dit, il s'avère qu'après ébullition, Novec ne disparaît pas sans laisser de trace, mais devient un gaz qui s'accumule au-dessus de la surface du liquide sous forme de brouillard. Et si ce brouillard était cool? Nous installons plusieurs tuyaux à l'intérieur et y mettons de l'eau froide. Le gaz commencera à se condenser sur eux et à former des gouttelettes qui se combineront en un flux de liquide et reflueront. Ainsi, Novec n'ira nulle part et restera à l'intérieur du système sans aucune perte.
Le processus de condensation est l'exact opposé de l'évaporation, tout se passe dans l'ordre inverse. Quant à l'énergie, elle doit être extraite du gaz dans exactement le même volume que lors de l'évaporation. Naturellement, les tuyaux froids chaufferont et la puissance de chauffage sera exactement la même que celle dégagée par les cartes vidéo lors de l'ébullition.
Pour le fonctionnement efficace du système de refroidissement par immersion diphasique, nous devons constamment refroidir les tuyaux. La solution la plus simple et la plus efficace consiste à y faire couler de l'eau, qui sera refroidie par un radiateur situé dans la rue. Comparé à l'huile minérale, il semble beaucoup plus facile. Après tout, la capacité thermique de l'eau est deux fois plus élevée et le volume de circulation par minute est moindre. De plus, la viscosité de l'eau est nettement inférieure, ce qui signifie que la pompe peut facilement pomper un plus grand volume d'eau par unité de temps. Ces facteurs permettront d'utiliser un radiateur plus petit dans la rue, des tuyaux plus fins et une pompe moins puissante - par rapport à la même huile minérale.
Avantages du système de refroidissement par immersion
Les deux systèmes de refroidissement - avec à la fois de l'huile minérale et du fluide d'immersion Novec - ont un avantage important sur le refroidissement par air. Il n'y a pas besoin de climatiseurs coûteux qui consomment de l'électricité. De plus, il n'y a pas de problème de poussière et d'humidité, comme dans les systèmes de freecooling.
L'un des paramètres importants des centres de données est le coefficient PUE (efficacité énergétique), qui est égal au rapport entre la consommation électrique totale du centre de données et la consommation électrique des appareils informatiques. Pour les systèmes à immersion, ce coefficient approche 1, pour les systèmes à air avec climatiseurs - environ 1,5. Les différences sont très importantes, surtout si l'on considère la différence de coût de l'équipement.
Avantages du refroidissement Novec sur l'huile minérale
À ce stade, les deux systèmes semblent être les mêmes en termes de caractéristiques. Mais dans les calculs décrits, nous n'avons pas tenu compte du fait que les liquides dans le bain d'immersion ne se mélangent pas d'eux-mêmes. Imaginez que nous avons plongé la carte vidéo dans de l'huile minérale et l'avons allumée. La couche d'huile immédiatement à côté du radiateur de la carte vidéo se réchauffe, mais pas les volumes d'huile qui se trouvent à une certaine distance. Dans ce cas, une surchauffe locale se produira dans la zone de la carte vidéo. Ensuite, il devient évident la nécessité d'assurer un mélange efficace de l'huile à l'intérieur du bain, soit en utilisant les ventilateurs de la carte vidéo, soit d'une autre manière. Cela complique la conception et nécessite des solutions techniques spéciales.
Dans les systèmes de refroidissement à immersion diphasique avec du liquide Novec, ce problème est absent.
Il bout et se mélange constamment - en particulier dans les endroits où le chauffage se produit. Des bulles s'échappent du radiateur et un nouveau fluide vient à leur place.
La deuxième différence importante entre l'huile et Novec est l'inflammabilité. Novec ne brûle jamais, il est même utilisé pour éteindre les incendies dans les bibliothèques. Le pétrole brûle facilement par nature et, de plus, il ne peut pas être éteint avec de l'eau. Ceci est indiqué dans les spécifications techniques de toute huile. La température de début de combustion est d'environ 200 à 400 degrés.Nous avons mené une série d'expériences pour vérifier les conclusions décrites ci-dessous. Lorsque l'huile s'est réchauffée à 150 ° C, elle a commencé à fumer, après quoi une flamme est apparue, s'embrasant avec confiance chaque seconde. De plus, en raison de la combustion, la température de l'huile a commencé à augmenter de 2 degrés par seconde, et les flammes sont devenues de plus en plus élevées. La flamme était déjà difficile à faire baisser et la température, quant à elle, continuait de monter.Une expérience similaire avec Novec a montré que le liquide était activement évaporé, mais qu'il n'était pas possible de le chauffer au-dessus de 61 ° C. En mettant le feu aux fumées Novec, ils n'ont pas non plus réussi à brûler. Comme écrit dans la spécification sur Novec - le matériau ne brûle pas, ne s'allume pas.Alors, est-il possible d'utiliser de l'huile minérale et ses analogues pour un refroidissement efficace de l'électronique? Bien sûr, oui. Serait-ce risqué étant donné le coût extrêmement élevé de l'équipement? Bien sûr.
Un incendie peut se produire pour de nombreuses raisons et la présence de grandes quantités d'huile minérale peut rendre l'élimination d'un tel incendie extrêmement difficile et les conséquences catastrophiques.Novec Fluid: Faiblesses
Quelles sont les carences en liquide Novec les plus graves? Le prix élevé, les exigences accrues pour l'étanchéité du bain d'immersion, associées à la forte volatilité du fluide Novec, et la complexité de la conception de ce dernier. De plus, on peut noter la nécessité d'une surveillance attentive des paramètres du processus de refroidissement afin d'éviter l'ébullition du liquide. De plus, l'utilisation du fluide Novec ne devient économiquement viable que lors de l'utilisation de cartes graphiques spécialisées avec une densité d'installation élevée.Lors de la conception d'un système de refroidissement, environ 20 caractéristiques différentes doivent être prises en compte. Les calculs complets doivent nécessairement tenir compte de la résistance thermique des radiateurs et des interfaces thermiques, ainsi que des propriétés du matériau et des surfaces des échangeurs de chaleur et des radiateurs des équipements utilisés.Les progrès ne s'arrêtent pas, il est déjà évident que l'avenir de l'industrie réside dans un refroidissement par immersion efficace, et non dans l'air. Il ne reste plus qu'à faire un choix entre une solution complexe et sûre, ou plus abordable, mais risquée.