O desempenho da estação de trabalho e a potência do processador aumentam a cada nova geração. Consequentemente, os recursos de refrigeração também devem mudar. Por exemplo, no Intel Xeon E5-2687W (Haswell) v3i de 10 núcleos, o pacote térmico aumentou de 150 para 160 W em comparação com o antecessor de 8 núcleos Intel Xeon E5-2687W v2ii (Ivy Bridge). Esta estação de trabalho está atualmente equipada com processadores de 22 núcleos. O problema é agravado pelo uso do mesmo volume de plataformas e gabinetes de hardware: soluções de engenharia para resfriamento em um formato compacto tornam-se críticas para o desempenho e as características acústicas do produto.
Um nível de desempenho fundamentalmente novo é fornecido pelos dois processadores mais modernos da série Intel Xeon E5-2600 v4, com suporte para até 22 núcleos para cada um. A estação de trabalho
Precision 7910 no gabinete Tower é uma solução para cargas de trabalho que exigem grandes recursos de computação (tarefas de visualização de processos complexos,
ferramentas de modelagem e análise de grandes volumes de dados). O sistema de refrigeração líquida da Dell oferece uma redução de ruído de 38%.
Com demandas crescentes no processo de computação, fica cada vez mais difícil organizar o resfriamento de capacidades cada vez maiores. Para resolver esse problema, a Dell desenvolveu um sistema inovador de refrigeração líquida: seu potencial de dissipação de calor triplicou em comparação com as soluções tradicionais e o nível de ruído foi otimizado.
O resfriamento do ar usando tubos de calor e radiadores de alumínio é bastante confiável, mas requer um fluxo de ar significativo. Para ele, por sua vez, precisa de fãs com alta velocidade de rotação. No entanto, eles criam barulhos fortes.
Para reduzir a velocidade do ventilador e, consequentemente, o nível de ruído, é necessário otimizar o desempenho e minimizar os requisitos de refrigeração. A solução da Dell usa o inovador líquido de refrigeração lateral refrigerado a ar, que redistribui o volume não utilizado do chassi para maximizar o desempenho do cooler e minimizar o ruído.
Refrigeração líquida da estação de trabalho Dell Precision Tower 7910.Física das estações de trabalho com refrigeração líquida
Para apreciar os benefícios do resfriamento de líquidos, é importante entender o básico do que constitui uma solução de alto desempenho nessa área. Qualquer radiador resfriado a ar ou líquido possui uma propriedade básica chamada resistência térmica [R]. É medido em graus por watt e é uma função da temperatura e potência do dispositivo:
Legenda:
Para o nosso caso específico, Tj refere-se à temperatura da CPU e Tamb representa a temperatura ambiente local (na entrada do radiador de resfriamento). Uma boa analogia seria a água fluindo para uma pia. Se a água que entra na pia da torneira é considerada a energia fornecida, o valor de resistência R é determinado pela força com que o plugue é fechado (valores minimamente abertos - altos R, valores minimamente abertos - pequenos R) e o delta T está relacionado ao nível da água na pia .
Como a temperatura está relacionada à resistência térmica. Água na pia representa energia.A segunda relação chave para qualquer dispositivo de resfriamento é determinada pela quantidade de energia no material do dissipador de calor por unidade de tempo. Essa relação transitória é expressa na seguinte equação:
Se o lado esquerdo da equação representa a razão entre a densidade, o volume do radiador e sua capacidade de aquecimento, então o direito é a troca de energia que entra e sai do radiador. Aqui, novamente, você pode fazer uma analogia com as pias grandes e pequenas. Com a mesma quantidade de líquido entrando em cada um deles (potência), em uma pia maior, o nível da água (temperatura) aumentará mais lentamente.
Como a temperatura está relacionada à capacidade de aquecimento.Nas equações 2 e 3, você pode determinar a diferença de eficiência entre duas soluções de refrigeração e ver como o desempenho delas varia com o tempo. Como segue da equação 3, para materiais com alta capacidade de aquecimento (cf), a mudança de temperatura em função do tempo (dT / dt) será pequena para a mesma energia fornecida. Além disso, a partir da equação 2, sabemos que o aumento absoluto da temperatura está diretamente relacionado à resistência térmica.
Dessas duas relações fundamentais, fica claro que baixa resistência térmica e alta capacidade de calor são a chave para a máxima eficiência de resfriamento. Em seguida, considere essas duas propriedades e como elas se relacionam às características medidas do Dell Precision Tower 7910.
Caracterização de uma estação de trabalho de refrigeração líquida
Assim, a eficiência do resfriamento depende da capacidade térmica [cp] e da resistência térmica [R]. Isso pode ser usado para investigar os efeitos do resfriamento líquido em uma estação de trabalho Dell. Como a capacidade de calor de qualquer solução de resfriamento é essencial do ponto de vista da taxa de aquecimento do sistema, para entender a que velocidade os ventiladores devem funcionar, é importante levar em consideração os materiais utilizados na tecnologia de resfriamento. A tabela a seguir ilustra a capacidade de aquecimento de vários materiais - do mais eficaz ao menos:
A tabela confirma o que a maioria das pessoas já sabe: a água tem uma capacidade de calor significativamente maior do que quase todos os outros materiais. De fato, com a mesma massa, a água esquenta quatro vezes mais que o alumínio e dez vezes mais que o cobre.
Como a eficiência depende não apenas do calor específico [cp], também devemos entender a relação entre resistência térmica e desempenho geral. Na maioria dos refrigeradores, a resistência [R] é determinada principalmente pela área da superfície e velocidade do ar acima do radiador de resfriamento. Simplificando, quanto maior a área de superfície e a velocidade do ar do resfriador, melhor a dissipação de calor.
A Dell usou esses dois fenômenos em seu projeto Liquid Cooled Tower 7910 para maximizar a eficiência e minimizar o ruído. Para este estudo específico, foi utilizada uma configuração que incluía dois processadores Xeon E5-2680 V3 de 160 W, uma placa NVidia K6000, módulos de memória Hynix 2 x 8 GB e um disco rígido SATA de 1500 GB.
Para maximizar o potencial de armazenamento de calor e minimizar a resistência térmica, foram utilizados radiadores de 110 x 92 mm com grandes tanques internos. Isso permitiu que os engenheiros aumentassem o volume de fluido no sistema de resfriamento, além de expandir a área de superfície no volume disponível da carcaça.
Além disso, foi utilizada uma abordagem inovadora para a distribuição do fluxo de ar no sistema. A figura abaixo ilustra o layout de uma solução de refrigeração líquida em uma torre de precisão 7910.
Purga de ar através da parede lateral da caixa.Como você pode ver, o ar de refrigeração entra pela parte frontal do sistema e é fornecido aos dois processadores. O fluxo de ar passa através de um radiador, onde a energia é trocada e todo o calor absorvido da CPU é removido do líquido e liberado na sala fora do sistema. Essa estratégia de “exaustão lateral” permite que você use a maneira mais curta para remover o calor gerado e posicionar com mais eficiência os componentes do subsistema de refrigeração, além de reduzir a velocidade dos ventiladores (porque eles não precisam conduzir ar por todo o comprimento do gabinete).
Para um teste adicional, o Dell Tower 7910 comparou os transientes durante o resfriamento a ar e líquido na mesma taxa de fluxo de ar. Para simplificar a relação entre o potencial térmico específico [cp] e a resistência térmica [R] do resfriador, usaremos a constante de tempo térmico:
onde tau é definido como o tempo necessário para atingir 63% da temperatura total subir para um estado estacionário. A constante de tempo permite medir fisicamente as características do calor específico e da resistência térmica do resfriador, de acordo com a metodologia padrão.
As figuras abaixo mostram o tempo de resposta para um sistema de CPU refrigerado a ar e líquido com alto TDP. A diferença de temperatura entre as duas soluções mostra a vantagem da resistência térmica devido ao uso de uma grande área de superfície do radiador no refrigerante. O atraso entre eles mostra a diferença nas constantes de tempo.
Características térmicas do resfriamento líquido em comparação com o ar na estação de trabalho T7910.Como você pode ver, o tempo necessário para o sistema de refrigeração líquida atingir a temperatura da temperatura do ar é de 97 segundos: é mais de 3 vezes maior que o resfriamento tradicional do ar (30 segundos). Como mostra a figura acima, a temperatura absoluta entre o ar e o resfriamento líquido é reduzida em 5 °, indicando um aumento de 12% no desempenho.
O que tudo isso significa para o usuário da estação de trabalho Tower 7910? Um sistema de refrigeração líquida operará a uma velocidade muito menor do ventilador. Além disso, como pode ser visto abaixo, mantendo a carga e a temperatura constante da CPU, a velocidade da ventoinha do processador 1 é superior a 2000 rpm, enquanto a velocidade da ventoinha do processador 2 é ligeiramente superior a 500 rpm.
Os parâmetros de som foram medidos para dois cenários. O primeiro é uma extensão da análise apresentada anteriormente para o TDP, enquanto o segundo caso de teste examinou o cenário específico para usuários de CAD. A resposta acústica do sistema foi determinada na carga máxima (160 watts de potência do processador). A figura mostra a resposta transitória do sistema sob essa carga para resfriamento de líquido e ar. Como pode ser visto, um atraso significativo na resposta acústica é observado entre eles. Para referência, um nível de ruído de 30 dBA é equivalente ao silêncio na biblioteca e 45 dBA a uma sala de conferências completa.
A partir do teste, fica claro que o tempo total para um estado acústico estacionário para o resfriamento do ar é de 40 segundos e para o líquido - mais de 200 segundos. Além disso, por amostragem, as vantagens associadas ao uso de refrigeração líquida podem ser analisadas. A tabela abaixo ilustra uma etapa de amostragem de 25 segundos e características acústicas em cada ponto no tempo. Como pode ser visto pelos dados no intervalo de 50 segundos, a diferença acústica entre o resfriamento por líquido e o ar é de quase 10 dB e, quando se aproxima da marca de 125 segundos - 5 dB. Este resultado indica que a capacidade de calor do fluido oferece uma vantagem acústica ao longo do tempo.
Comparação de sistemas com refrigeração a ar e líquido durante a amostragem.O segundo caso sob investigação é um teste com o popular software CAD (3D CAD). Para esta aplicação, usamos um script de teste que executava ações gerais: deslocar, ampliar, girar, criar peças, montagem etc. A potência e a carga do processador foram medidas em função do tempo. A primeira figura mostra a irregularidade da carga da CPU em relação ao tempo, bem como a% da potência máxima medida. Essa aplicação típica de carga variável mostra o grande potencial de uma solução de refrigeração com alta capacidade de calor, como o resfriamento líquido.
A figura abaixo detalha o intervalo de tempo de 250 a 500 segundos. Nesse intervalo do cenário de teste, pode-se observar que a carga possui um máximo local aproximando-se de 70% da potência máxima medida. Ao mesmo tempo, os mínimos locais estão próximos de 35% da potência máxima medida.
A alta capacidade de calor do resfriamento líquido deve absorver esses picos sem acelerar o ventilador tão rápido quanto com o resfriamento a ar. Para uma análise mais aprofundada da diferença na pressão sonora entre os dois sistemas, os dados acústicos foram determinados em intervalos de tempo discretos.
A figura mostra a dependência da pressão do som no tempo entre o resfriamento do ar e do líquido. Os dados ilustram claramente os benefícios de um LSS para um usuário de estação de trabalho. Nesse caso, o resfriamento por líquido não excede 28 dBA no nível de ruído e um sistema de ar atinge um pico de mais de 40 dBA.
Utilizando os dados da figura, determinou-se que a taxa média de variação do resfriamento por líquido era de 0,054 dBA / s, enquanto para um sistema resfriado a ar esse valor era de 0,38 dBA / s. No LSS, a taxa de variação no intervalo de 250 segundos foi 86% menor.
Conclusões
O estudo demonstra benefícios acústicos significativos para os clientes das estações de trabalho Dell Precision com a solução de refrigeração líquida Dell Precision Tower 7910. Esses benefícios são evidentes tanto em cargas de calor pesadas quanto em operações interativas típicas. Nos dois cenários, a capacidade natural de calor do líquido proporcionou um aumento de três vezes no tempo necessário para atingir a velocidade máxima do ventilador em comparação com o melhor resfriamento a ar da categoria. E para aplicações de carga variável, a resposta acústica transitória ganhou 10 dB.
Portanto,
o resfriamento líquido pode tornar
a estação de trabalho Tower 7910 significativamente mais silenciosa - tanto para engenheiros quanto para usuários tradicionais de CAD, e para aqueles que trabalham com aplicativos de computação intensivos (por exemplo, eles estão envolvidos na modelagem e análise).