Komponen elektronik modern bekerja lebih cepat setiap tahun. Kecepatan meningkat, konsumsi dan peningkatan disipasi panas. Tren saat ini dalam pendinginan prosesor dan kartu video yang semakin dalam memasuki kehidupan kita.
Ada banyak tawaran sistem pendingin imersi di pasaran, namun, pada kenalan pertama, perbedaan mendasar mereka tidak begitu mudah untuk ditentukan. Kami melakukan perbandingan teknologi secara empiris dan mengidentifikasi kelemahan dan kelebihannya.
Kelebihan peralatan sebagai momok elektronik modern
Semua orang tahu bahwa elektronik modern ditenagai oleh tenaga listrik. Ada baterai di perangkat seperti itu, atau perlu dicolokkan. Dan semuanya disatukan oleh satu fitur yang lebih umum - mereka memanas. Misalnya, ponsel modern secara aktif menghasilkan panas saat melakukan tugas-tugas yang intensif sumber daya: game, merekam video berkualitas tinggi, dll., Dan gamer tahu bahwa untuk kelancaran komputer mereka yang kuat, Anda memerlukan pendingin yang besar dan efisien.
Arus listrik dari sumber daya melewati sirkuit mikro, terutama terdiri dari semikonduktor kompleks. Semikonduktor adalah sejenis bahan yang sebagian mengalirkan arus listrik, dan sebagian tidak. Konduktivitasnya tergantung pada tegangan, suhu, dan kondisi lainnya.
Jika Anda mengambil beberapa semikonduktor yang berbeda dan mengaturnya dalam tiga lapisan, Anda dapat mencapai hasil yang tidak terduga. Jika tegangan diberikan ke lapisan 1 dan 3, arus tidak mengalir melalui "sandwich". Tetapi jika Anda memulai arus yang sangat kecil di sepanjang lapisan ke-2, maka di antara lapisan ke-1 dan ke-3 arus mulai mengalir hampir tanpa hambatan.
Perangkat yang beroperasi sesuai dengan prinsip yang ditunjukkan disebut transistor. Sekarang strukturnya, tentu saja, lebih kompleks, tetapi aturannya tetap sama - mengontrol aliran arus karena rana kontrol. Efek ini dapat dibandingkan dengan faucet.
Perhatian khusus dalam pengoperasian transistor diberikan pada proses transisi dari keadaan tertutup (arus tidak mengalir) ke keadaan terbuka (arus mengalir tanpa halangan). Akal sehat menyatakan bahwa transisi dari satu keadaan ke keadaan lain tidak bisa instan, dan meskipun itu membutuhkan waktu yang sangat singkat, tetapi masih tidak nol. Pada saat peralihan di antara kondisi-kondisi ini arus mengalir dengan buruk, yang menyebabkan transistor memanas.
Prosesor modern beroperasi pada frekuensi hingga 4 GHz, yang berarti bahwa transistor dalam prosesor menghasilkan 4.000.000.000 operasi switching per detik! Dan setiap pergantian tersebut menyebabkan perangkat memanas.
Untuk alasan ini, ketika overclocking prosesor (overclocking), proses pemanasan memanifestasikan dirinya dengan sangat kuat.
Untuk menghilangkan panas ke permukaan prosesor, radiator dengan kipas digunakan. Kipas meniup sirip radiator dengan udara dingin dan menghilangkan panas yang dihasilkan oleh prosesor. Pendekatan ini adalah yang paling mudah digunakan, itulah sebabnya ia telah menyebar luas.
Perkembangan elektronik telah mengarah pada fakta bahwa setiap tahun kecepatan prosesor dan jumlah transistor meningkat dengan cepat, dan ukuran prosesor selalu pada tingkat yang sama. Bandingkan prosesor Intel 486 dengan kecepatan 33 MHz dan Intel I7 modern dengan kecepatan 3,8 GHz. Ukurannya sama, kecepatannya jauh lebih tinggi, yang berarti konsumsi daya lebih tinggi dan pembuangan panas.
Perlu dicatat bahwa agar transistor dapat bekerja dengan benar, suhunya harus tetap rendah, jika tidak maka arus listrik akan mulai mengalir walaupun tidak diperlukan. Ternyata semakin cepat prosesor, semakin panas, dan semakin tinggi kemungkinan transistor di dalamnya tidak akan berfungsi dengan benar. Efek seperti itu diamati, misalnya, selama overclocking dan diekspresikan dalam bentuk "layar biru kematian" yang terkenal. Ketika prosesor mendeteksi kegagalan fungsi dalam operasinya sendiri, OS menghentikan operasinya, dan pengguna diperlihatkan layar biru dengan informasi tentang keadaan saat ini. Jika Anda terus beroperasi dalam mode ini, sangat mungkin bahwa setidaknya satu transistor dari beberapa miliar akan rusak. Ini akan menyebabkan kerusakan rutin dan ketidakmampuan untuk menggunakan prosesor seperti itu di masa depan.
Itulah mengapa sangat penting untuk menggunakan sistem pendingin yang baik dan mengoperasikan elektronik dalam kisaran suhu tertentu. Mengejar kecepatan pertama dapat menyebabkan pembekuan acak, dan kemudian yang konstan, dengan kerusakan lebih lanjut pada prosesor.
Prinsip ini berlaku terutama untuk CPU modern - dan terutama GPU. Karena perbedaan dalam arsitektur kedua perangkat komputasi ini, pemanasan GPU lebih kuat - hanya karena hampir semua transistor di dalam digunakan selama operasi. Kekuatan rata-rata CPU teratas adalah 90 watt, dan GPU adalah 200 watt. Oleh karena itu, radiator kartu video modern berukuran jauh lebih besar daripada radiator prosesor sentral.
Saat mendinginkan daya komputasi yang besar, kesulitan tambahan muncul. Kekuatan peralatan server yang terletak pada satu meter persegi sangat tinggi, dan jumlahnya mencapai puluhan kW. Selain itu, perlu untuk menjaga iklim mikro yang konstan, tanpa fluktuasi suhu dan kelembaban. Pertimbangkan baik-baik definisi kata "kelembaban": konsentrasi molekul air per satuan volume udara; dalam keadaan tertentu, uap air dapat mengembun dan berubah menjadi air, yang menghantarkan arus listrik dengan sangat baik - yang sangat berbahaya untuk elektronik. Ruang server juga memiliki musuh lain - debu, yang menyumbat radiator dan secara signifikan mengurangi efisiensi pendinginan.
Sistem pendinginan konvensional dan alternatif
Terlepas dari semua kesulitan ini, produsen peralatan server modern terus menggunakan udara untuk menghilangkan panas. Hampir semua ruang server modern dirancang untuk pendingin udara, dengan pemisahan menjadi koridor yang dingin dan panas. Untuk memastikan kondisi iklim sepanjang tahun, sistem iklim yang kuat dipasang, termasuk pendingin udara. Pabrik seperti itu sendiri mengkonsumsi banyak listrik dan, secara paradoks, mereka sendiri menghasilkan banyak panas. Dan solusi ini, sayangnya, tersebar luas.
Teknologi pendingin udara alternatif adalah freecooling. Udara masuk dari luar dan membersihkan ruang server, dengan bebas pergi ke luar. Dengan pendekatan ini, biaya peralatan berkurang, tetapi solusi ini tidak cocok untuk negara-negara panas. Selain itu, udara tetap berdebu, dan kelembabannya sesuai dengan kelembaban di jalan, yang disertai dengan fluktuasi kelembaban dan suhu di dalam objek.
Sistem pendingin pencelupan
Baru-baru ini, teknologi pendinginan imersi telah mendapatkan popularitas. Perkembangan pada topik ini telah dilakukan sejak lama, karena teknologi itu sendiri tidak lagi baru, tetapi sekarang permintaannya tumbuh dengan kecepatan luar biasa.
Kata "pencelupan" berarti "selam." Ini berarti bahwa semua elektronik, semua papan server, prosesor, kartu video, catu daya dan hard drive benar-benar terbenam dalam cairan. Secara alami, fluida ini bersifat dielektrik dan tidak menghasilkan arus - jika tidak, pekerjaan elektronik tidak mungkin dilakukan. Setelah analisis lebih lanjut dari solusi yang diusulkan, menjadi jelas bahwa pendinginan perendaman berbeda, dengan dan tanpa transisi fase. Jenis pendinginan ini berbeda tidak hanya dalam prinsip fisiknya, tetapi juga memiliki perbedaan yang signifikan dalam pengoperasian.
Jadi, minyak mineral telah digunakan untuk mendinginkan transformator daya di gardu untuk waktu yang lama. Zat ini ditandai dengan tidak adanya konduktivitas listrik dan kapasitas panas yang cukup. Anda juga dapat mencatat biayanya yang rendah.
Cairan Novec 3M untuk pendinginan dua fase, berbeda dengan minyak mineral, telah digunakan relatif baru-baru ini. Itu juga tidak menghantarkan arus listrik dan memiliki kapasitas panas yang rendah. Anehnya, efek pendinginan dengan bantuannya dicapai dengan merebus. Untuk analisis yang lebih rinci tentang fenomena ini, kita perlu mengingat hukum fisika.
Pemanasan cairan terjadi karena transfer energi dari objek yang lebih hangat ke yang lebih dingin. Jumlah energi, atau jumlah panas, diukur dalam Joule. Satu Joule setara dengan memanaskan tubuh dengan 1 W untuk satu detik.
Dengan demikian, kartu video memancarkan 200 W * 1 s = 200 J panas jika hanya bekerja satu detik. Sebentar, kartu akan mengeluarkan 200 W * 60 dtk = 12 kJ panas. Pertanyaan kedua yang muncul dalam kasus ini adalah suhu. Berapa suhu kartu video akan berubah dengan pemanasan seperti itu? Perubahan suhu akan tergantung pada kapasitas panas dari objek yang kita pemanasan, dan massanya. Jelas sekali bahwa segelas air dalam teko mendidih lebih cepat daripada teko penuh.
Bayangkan kita sedang mencoba memanaskan 1 liter air dengan satu kartu video. Berat 1 liter air adalah sekitar 1 kg. Kapasitas panas air adalah sekitar 3800 J / kg / K. Ini berarti bahwa untuk memanaskan air seberat 1 kg per 1 derajat Celcius, dibutuhkan energi 3800 J. Bandingkan ini dengan kekuatan kartu video kami dan dapatkan 12000/3800 = 3,15 derajat Celcius. Dan itu hanya dalam satu menit! Perhitungan sederhana dapat menetapkan bahwa setelah 10 menit air akan memanas hingga 31 ° C. Secara alami, proses seperti itu tidak akan berlangsung selamanya. Jadi, jika kita mengabaikan konduktivitas termal material, air akan memanas hingga 85-90 derajat, setelah itu kartu video akan terlalu panas dan membeku.
Jika kami memperbaiki percobaan kami dan setelah 10 menit mengganti air yang dipanaskan dengan air dingin, proses pemanasan akan dimulai lagi. Dalam hal ini, kartu tidak akan terlalu panas. Tentu saja, mengganti air setiap 10 menit tidak nyaman, dan muncul pemikiran untuk meregangkan pipa yang melaluinya air dingin akan mengalir, dan air panas akan mengalir keluar. Sistem pendingin cair semacam itu ada dan dijual di banyak toko komputer.
Mari kita kembali ke pendinginan selam dengan minyak mineral. Untuk ini, dalam perhitungan kami, kami perlu mengubah kapasitas panas dan massa zat. Berat 1 liter minyak sedikit kurang dari satu liter air dan 0,85 kg. Kapasitas panas adalah 1800 J / kg / K. Jadi, untuk memanaskan satu liter minyak, diperlukan 0,85 kg * 1C * 1800 J / kg / K = 1,5 kJ energi. Ini berarti bahwa kartu video memanaskan minyak pada 12000/1500 = 8 ° C dalam 1 menit. Ini lebih dari 3.15 ° C. Namun, metode ini memiliki keuntungan besar - tidak memerlukan pipa untuk memasok dan mengeluarkan cairan ke setiap kartu video. Anda cukup menaruh beberapa kartu video dalam satu rendaman dan menuangkannya dengan minyak mineral.
Masalah overheating minyak itu sendiri dalam kasus kami juga tidak kemana-mana. Segera setelah minyak memanas hingga suhu kartu video, itu tidak akan lagi panas dan peralatan akan menjadi terlalu panas. Sekali lagi, Anda harus menyajikan minyak dingin dan mengambil panasnya.
Solusi sederhana dapat digunakan: kapasitas besar minyak dingin dan wadah untuk menyimpan minyak yang sudah dipanaskan. Secara alami, pemasangan tangki besar semacam itu tidak layak secara ekonomi, jadi kami harus memulai minyak dalam sirkuit tertutup dan mendinginkannya di luar bak rendaman. Ini akan membutuhkan instalasi tambahan radiator di luar, di mana udara dingin akan meniupnya. Menyediakan pembersihan udara jalanan cukup alami: ada banyak udara dingin (dibandingkan dengan suhu minyak) di jalan, dan udara panas terbawa oleh angin.
Tetapi berapa banyak radiator akan mendinginkan 1 m3 udara pada 8 derajat yang sama? Lagi pula, setelah melakukan perhitungan, kita akan menemukan bahwa untuk mendinginkan satu kartu video, diperlukan sekitar 1 liter minyak dingin (dingin) per menit; sementara minyak akan punya waktu untuk melakukan pemanasan sebesar 8 derajat. Artinya, radiator harus sedemikian rupa untuk mendinginkan oli hanya 8 derajat dengan udara dingin.
Elemen penting lain yang tetap berada di luar ruang lingkup perhitungan kami adalah pompa. Persyaratannya jauh lebih sederhana - untuk mengedarkan 1 liter minyak per menit. Perhatian khusus harus diberikan pada viskositas minyak. Jelas bahwa karena viskositas yang lebih rendah, 1 liter air akan melewati pipa dan melalui radiator jauh lebih sederhana daripada 1 liter minyak. Artinya, kita membutuhkan pompa yang kuat, atau pipa besar dan radiator.
Mari kita bayangkan sekarang Anda tidak memiliki satu, tetapi setidaknya 100 kartu video. Ini sudah 20 kW panas dan 12.000.000 joule energi per menit. Kemudian, dalam kondisi yang sama, pompa harus memompa 100 liter minyak per menit. Bayangkan kesulitan yang muncul ketika ada 1000 kartu video dalam suatu sistem ...
Kami beralih ke pendinginan dua fase perendaman dengan cairan Novec. Anda sering dapat mendengar bahwa itu mahal, sangat fluktuatif, mudah menguap, dll. Tentu saja demikian, karena prinsip aksinya sangat berbeda. Ketika cairan ini dipanaskan di atas 61 ° C, penguapannya terjadi. Namun, baik pemanasan maupun pendinginan tidak terjadi dengannya. Saat memanaskan seluruh volume cairan setelah start-up ketika mencapai 61 ° C, suhu tidak akan naik. Tampaknya tidak masuk akal. Proses penguapan (boiling) sendiri sangat intensif energi. Mungkin proses ini dapat dibandingkan dengan sensasi seseorang yang mandi di musim panas dan meninggalkan air. Itu hangat di dalam air, dan menjadi dingin di angin. Alasan untuk fenomena ini adalah penguapan air dari permukaan tubuh.
Dengan cara yang sama, Novec menguap dari permukaan chip yang panas dan mengambil sebagian panas darinya. Dibutuhkan sekitar 120 joule untuk menguapkan 1 g Novec. Ini berarti bahwa kartu video 200 W akan menguapkan sekitar 2 g cairan dalam 1 detik. Dan dalam satu menit - hanya 120 g. Efisiensi pemindahan panas karena mendidih sangat tinggi, dan ukuran radiator untuk menghilangkan 200 W panas bisa sekecil 3-4 cm2. Bahkan, radiator praktis tidak diperlukan.
Seperti minyak mineral, sistem ini membutuhkan pendinginan cairan. Untuk melakukan ini, Anda dapat menambahkan 120 g cairan dari tangki besar setiap menit. Di sisi lain, dengan biaya cair sekitar $ 100 per liter, tangki seperti itu keluar dengan solusi yang sangat, sangat mahal. Oleh karena itu, sangat alami untuk pergi ke arah lain - untuk mengatur siklus tertutup dengan pendingin eksternal.
Kondensasi uap cair
Penguapan adalah transisi suatu zat dari cairan ke gas. Artinya, ternyata setelah mendidih, Novec tidak hilang tanpa jejak, tetapi menjadi gas yang terakumulasi di atas permukaan cairan dalam bentuk kabut. Bagaimana jika kabut ini keren? Kami memasang beberapa pipa di dalamnya dan memasukkan air dingin ke dalamnya. Gas akan mulai mengembun di atasnya dan membentuk tetesan yang bergabung menjadi aliran cairan dan mengalir kembali. Dengan demikian, Novec tidak akan pergi ke mana pun dan akan tetap berada di dalam sistem tanpa kehilangan.
Proses kondensasi adalah kebalikan dari penguapan, semuanya terjadi dalam urutan yang berlawanan. Adapun energi, itu harus diambil dari gas dalam volume yang persis sama seperti selama penguapan. Secara alami, pipa dingin akan memanas, dan daya pemanasan akan persis sama dengan yang dikeluarkan oleh kartu video selama mendidih.
Untuk operasi yang efektif dari sistem pendinginan rendam dua fase, kita perlu terus mendinginkan pipa. Solusi paling sederhana dan paling efektif adalah mengalirkan air ke atasnya, yang akan didinginkan oleh radiator yang terletak di jalan. Dibandingkan dengan minyak mineral, itu terlihat jauh lebih mudah. Lagi pula, kapasitas panas air dua kali lipat, dan volume sirkulasi per menit lebih sedikit. Plus, viskositas air jauh lebih rendah, yang berarti bahwa pompa dapat dengan mudah memompa volume air yang lebih besar per satuan waktu. Faktor-faktor ini akan memungkinkan untuk menggunakan radiator yang lebih kecil di jalan, pipa lebih tipis dan pompa yang kurang kuat - dibandingkan dengan minyak mineral yang sama.
Keuntungan dari sistem pendingin pencelupan
Kedua sistem pendingin - dengan oli mineral dan cairan perendaman Novec - memiliki keunggulan penting dibandingkan pendingin udara. Tidak perlu pendingin udara mahal yang mengkonsumsi listrik. Selain itu, tidak ada masalah debu dan kelembaban, seperti pada sistem pendinginan gratis.
Salah satu parameter penting pusat data adalah koefisien PUE (efisiensi energi), yang sama dengan rasio konsumsi daya total pusat data dengan konsumsi daya perangkat komputasi. Untuk sistem pencelupan, koefisien ini mendekati 1, untuk sistem udara dengan AC - sekitar 1,5. Perbedaannya sangat signifikan, terutama ketika Anda mempertimbangkan perbedaan dalam biaya peralatan.
Manfaat Pendinginan Novec dibandingkan Minyak Mineral
Pada tahap ini, kedua sistem tampaknya sama dalam hal karakteristik. Tetapi dalam perhitungan yang dijelaskan, kami tidak memperhitungkan bahwa cairan dalam rendaman rendaman tidak bercampur dengan sendirinya. Bayangkan kami merendam kartu video dalam minyak mineral dan menyalakannya. Lapisan oli tepat di sebelah radiator kartu video akan memanas, tetapi volume oli yang pada jarak tertentu tidak akan memanas. Dalam hal ini, overheating lokal akan terjadi di area kartu video. Maka menjadi jelas kebutuhan untuk memastikan pencampuran minyak yang efektif di dalam bak mandi, baik menggunakan kipas kartu video, atau dengan cara lain. Ini menyulitkan desain dan membutuhkan solusi teknis khusus.
Dalam sistem pendinginan rendam dua fase dengan cairan Novec, masalah ini tidak ada.
Terus mendidih dan mencampur sendiri - terutama di tempat-tempat di mana pemanasan terjadi. Gelembung keluar dari radiator dan cairan baru masuk menggantikannya.
Perbedaan penting kedua antara minyak dan Novec adalah sifat mudah terbakar. Novec tidak pernah terbakar, bahkan digunakan untuk memadamkan api di perpustakaan. Minyak mudah terbakar secara alami, dan, ditambah lagi, tidak dapat dipadamkan dengan air. Ini ditunjukkan dalam spesifikasi teknis minyak apa pun. Suhu timbulnya pembakaran adalah sekitar 200-400 derajat.Kami melakukan serangkaian percobaan untuk memverifikasi kesimpulan yang dijelaskan di bawah ini. Ketika minyak memanas hingga 150 ° C, ia mulai merokok, setelah itu nyala api muncul, menyala dengan percaya diri setiap detik. Selanjutnya, karena pembakaran, suhu minyak mulai naik 2 derajat per detik, dan nyala api menjadi lebih tinggi dan lebih tinggi. Nyala api sudah sulit untuk diturunkan, dan suhunya, sementara itu, terus meningkat.Eksperimen yang serupa dengan Novec menunjukkan bahwa cairan itu diuapkan secara aktif, tetapi tidak mungkin untuk memanaskannya di atas 61 ° C. Dengan membakar asap Novec, mereka juga gagal mencapai pembakaran mereka. Seperti yang tertulis dalam spesifikasi pada Novec - bahan tidak terbakar, tidak menyala.Jadi, mungkinkah menggunakan minyak mineral dan analognya untuk pendinginan elektronik yang efisien? Tentu saja, ya. Apakah berisiko karena biaya peralatan yang sangat tinggi? Tentu saja
Kebakaran dapat terjadi karena berbagai alasan, dan kehadiran sejumlah besar minyak mineral dapat membuat penghilangan api semacam itu menjadi sangat sulit, dan konsekuensinya menjadi bencana.Novec Fluid: Kelemahan
Apa kekurangan cairan Novec yang paling serius? Harga tinggi, peningkatan persyaratan untuk ketatnya rendaman perendaman, terkait dengan volatilitas tinggi cairan Novec, dan kompleksitas desain yang terakhir. Selain itu, orang dapat mencatat perlunya pemantauan cermat terhadap parameter proses pendinginan untuk menghindari mendidihnya cairan. Plus, penggunaan cairan Novec menjadi layak secara ekonomi hanya ketika menggunakan kartu grafis khusus dengan kepadatan pemasangan yang tinggi.Saat merancang sistem pendingin, sekitar 20 karakteristik yang berbeda harus dipertimbangkan. Perhitungan penuh harus dengan mempertimbangkan ketahanan termal dari radiator dan antarmuka termal, serta sifat material dan permukaan penukar panas dan radiator dari peralatan yang digunakan.Kemajuan tidak tinggal diam, sudah jelas bahwa masa depan industri terletak pada pendinginan perendaman yang efektif, dan bukan di udara. Tetap hanya untuk membuat pilihan antara solusi yang kompleks dan aman, atau lebih terjangkau, tetapi berisiko.