Componentes eletrônicos modernos funcionam mais rapidamente a cada ano. As velocidades aumentam, o consumo e a dissipação de calor aumentam. As tendências atuais em refrigeração por imersão de processadores e placas de vídeo estão cada vez mais entrando em nossas vidas.
Existem muitas ofertas de sistemas de refrigeração por imersão no mercado; no entanto, no primeiro contato, suas diferenças fundamentais não são tão fáceis de determinar. Realizamos uma comparação de tecnologias empiricamente e identificamos suas desvantagens e vantagens.
Superaquecimento de equipamentos como flagelo da eletrônica moderna
Todo mundo sabe que a eletrônica moderna é alimentada por energia elétrica. Existe uma bateria nesse dispositivo ou ela precisa estar conectada. E todos eles estão unidos por uma característica mais comum - eles esquentam. Por exemplo, os telefones modernos geram ativamente calor ao executar tarefas com muitos recursos: jogos, gravação de vídeo de alta qualidade etc., e os jogadores sabem que, para o bom funcionamento de seus computadores poderosos, você precisa de refrigeradores grandes e eficientes.
A corrente elétrica da fonte de energia passa por microcircuitos, consistindo principalmente em semicondutores complexos. Um semicondutor é um tipo de material que conduz parcialmente a corrente elétrica, e parcialmente não. Sua condutividade depende da tensão, temperatura e outras condições.
Se você pegar vários semicondutores diferentes e organizá-los em três camadas, poderá obter um resultado inesperado. Se a tensão é aplicada à 1ª e 3ª camada, a corrente não flui através de um “sanduíche”. Mas se você iniciar uma corrente muito pequena ao longo da 2ª camada, entre a 1ª e a 3ª camada, a corrente começará a fluir quase sem obstáculos.
Um dispositivo que opera de acordo com o princípio indicado é chamado de transistor. Agora sua estrutura, é claro, é mais complexa, mas a regra permanece a mesma - controle o fluxo de corrente devido ao obturador de controle. Este efeito pode ser comparado com uma torneira.
É dada especial atenção na operação do transistor ao processo de transição de um estado fechado (a corrente não flui) para um estado aberto (a corrente flui sem impedimentos). O senso comum determina que a transição de um estado para outro não pode ser instantânea e, embora leve um período de tempo muito curto, mas ainda não nulo. É no momento de alternar entre esses estados que a corrente passa mal, o que faz com que o transistor aqueça.
Processadores modernos operam em frequências de até 4 GHz, o que significa que os transistores no processador fazem 4.000.000.000 de operações de comutação por segundo! E cada uma dessas comutações faz com que o dispositivo aqueça.
Por esse motivo, ao fazer um overclock no processador (overclock), o processo de aquecimento se manifesta de maneira especialmente forte.
Para remover o calor da superfície do processador, é usado um radiador com um ventilador. O ventilador sopra as aletas do radiador com ar frio e remove o calor gerado pelo processador. Essa abordagem é a mais fácil de usar, e é por isso que se tornou generalizada.
O desenvolvimento da eletrônica levou ao fato de que a cada ano a velocidade dos processadores e o número de transistores aumentavam rapidamente, e o tamanho do processador, invariavelmente, permanecia no mesmo nível. Compare o processador Intel 486 com uma velocidade de 33 MHz e o moderno Intel I7 com uma velocidade de 3,8 GHz. O tamanho é o mesmo, a velocidade é muito maior, o que significa maior consumo de energia e dissipação de calor.
Deve-se observar que, para que o transistor funcione corretamente, sua temperatura deve permanecer baixa; caso contrário, ele começa a conduzir corrente elétrica mesmo quando não é necessário. Acontece que quanto mais rápido o processador, mais ele aquece e maior a chance de os transistores dentro dele não funcionarem corretamente. Esse efeito é observado, por exemplo, durante o overclock e é expresso na forma da famosa “tela azul da morte”. Quando o processador detecta um mau funcionamento em sua própria operação, o SO interrompe sua operação e o usuário recebe uma tela azul com informações sobre o estado atual. Se você continuar operando nesse modo, é altamente provável que pelo menos um transistor de vários bilhões de unidades se quebre. Isso resultará em avarias regulares e na incapacidade de usar esse processador no futuro.
É por isso que é tão importante usar bons sistemas de refrigeração e operar os eletrônicos em uma determinada faixa de temperatura. A busca pela velocidade pode levar primeiro a congelamentos aleatórios e depois a constantes, com mais danos ao processador.
Este princípio se aplica principalmente às CPUs modernas - e especialmente às GPUs. Devido à diferença na arquitetura desses dois dispositivos de computação, o aquecimento da GPU é mais poderoso - simplesmente porque quase todos os transistores internos são usados durante a operação. A potência média da CPU superior é de 90 watts e a GPU é de 200 watts. Portanto, os radiadores das placas de vídeo modernas são muito maiores em tamanho que os radiadores dos processadores centrais.
Ao resfriar um grande poder computacional, surgem dificuldades adicionais. A potência do equipamento de servidor localizado em um metro quadrado é extremamente alta e atinge dezenas de kW. Além disso, é necessário manter um microclima constante, sem flutuações de temperatura e umidade. Considere cuidadosamente a definição da palavra "umidade": a concentração de moléculas de água por unidade de volume de ar; sob certas circunstâncias, a umidade pode condensar e se transformar em água, o que conduz muito bem a corrente elétrica - o que é muito perigoso para os eletrônicos. As salas dos servidores também têm outro inimigo - poeira, que obstrui os radiadores e reduz significativamente a eficiência de refrigeração.
Sistemas de refrigeração convencionais e alternativos
Apesar de todas essas dificuldades, os fabricantes de equipamentos modernos de servidor continuam a usar o ar para remover o calor. Quase todas as salas de servidores modernas são projetadas para refrigeração a ar, com separação em corredores frios e quentes. Para garantir condições climáticas ao longo do ano, são instalados sistemas climáticos poderosos, que incluem ar condicionado. Tais usinas consomem, por si só, muita eletricidade e, paradoxalmente, elas mesmas geram muito calor. E esta solução, infelizmente, é generalizada.
Tecnologias alternativas de refrigeração do ar são freecooling. O ar entra do lado de fora e limpa a sala do servidor, saindo livremente. Com essa abordagem, os custos com equipamentos são reduzidos, mas essa solução não é adequada para países quentes. Além disso, o ar permanece empoeirado e sua umidade corresponde à umidade da rua, que é acompanhada por flutuações na umidade e na temperatura dentro do objeto.
Sistema de refrigeração por imersão
Mais recentemente, as tecnologias de resfriamento por imersão ganharam popularidade. Os desenvolvimentos sobre esse tema são realizados há muito tempo, uma vez que a tecnologia em si não é mais nova, mas agora sua demanda está crescendo em um ritmo extraordinário.
A palavra "imersão" significa "submersível". Isso significa que todos os componentes eletrônicos, todas as placas de servidor, processador, placas de vídeo, fontes de alimentação e discos rígidos estão completamente imersos em líquidos. Naturalmente, esse fluido é dielétrico e não conduz corrente - caso contrário, o trabalho da eletrônica seria impossível. Após uma análise mais aprofundada das soluções propostas, fica claro que o resfriamento por imersão é diferente, com e sem transição de fase. Esses tipos de resfriamento diferem não apenas em seus princípios físicos, mas também apresentam diferenças significativas na operação.
Portanto, o óleo mineral tem sido usado para resfriar transformadores de potência em subestações por um longo tempo. Esta substância é caracterizada pela ausência de condutividade elétrica e capacidade de calor suficiente. Você também pode observar seu baixo custo.
O líquido 3M Novec para resfriamento bifásico, em oposição ao óleo mineral, foi usado relativamente recentemente. Também não conduz corrente elétrica e possui baixa capacidade de aquecimento. Surpreendentemente, o efeito de resfriamento com sua ajuda é alcançado fervendo. Para uma análise mais detalhada desse fenômeno, precisamos lembrar as leis da física.
O aquecimento do líquido ocorre devido à transferência de energia de um objeto mais quente para outro mais frio. A quantidade de energia, ou a quantidade de calor, é medida em Joules. Um Joule é o equivalente a aquecer o corpo com 1 W por um segundo.
Portanto, a placa de vídeo emite 200 W * 1 s = 200 J de calor se funcionar por apenas um segundo. Por um minuto, o cartão emitirá 200 W * 60 s = 12 kJ de calor. A segunda pergunta que surge neste caso é a temperatura. Quanto a temperatura da placa de vídeo muda com esse aquecimento? A mudança de temperatura dependerá da capacidade de calor do objeto que estamos aquecendo e de sua massa. É bastante óbvio que um copo de água em um bule ferve muito mais rápido que um bule cheio.
Imagine que estamos tentando aquecer 1 litro de água com uma placa de vídeo. O peso de 1 litro de água é de aproximadamente 1 kg. A capacidade térmica da água é de aproximadamente 3800 J / kg / K. Isso significa que, para aquecer água pesando 1 kg por 1 grau Celsius, serão necessários 3800 J de energia. Compare isso com a potência da nossa placa de vídeo e obtenha 12000/3800 = 3,15 graus Celsius. E isso é só um minuto! Cálculos simples podem estabelecer que após 10 minutos a água aqueça até 31 ° C. Naturalmente, esse processo não continuará para sempre. Portanto, se negligenciarmos a condutividade térmica dos materiais, a água aquecerá de 85 a 90 graus, após o que a placa de vídeo superaquecerá e congelará.
Se refinarmos nosso experimento e após 10 minutos substituir a água aquecida por água fria, o processo de aquecimento começará novamente. Nesse caso, o cartão não superaquecerá. Evidentemente, trocar água a cada 10 minutos é inconveniente, e a idéia é esticar os canos através dos quais a água fria fluirá e a água aquecida fluirá. Tais sistemas de refrigeração líquida existem e são vendidos em muitas lojas de informática.
Vamos voltar ao resfriamento por imersão com óleo mineral. Para isso, em nossos cálculos, precisamos alterar a capacidade de calor e a massa da substância. O peso de 1 litro de óleo é um pouco menor que um litro de água e é de 0,85 kg. A capacidade de aquecimento é de 1800 J / kg / K. Portanto, para aquecer um litro de óleo, são necessários 0,85 kg * 1C * 1800 J / kg / K = 1,5 kJ de energia. Isso significa que a placa de vídeo aquece o óleo a 12000/1500 = 8 ° C em 1 minuto. Isso é muito mais que 3,15 ° C. No entanto, esse método tem uma grande vantagem - ele não precisa de tubos para fornecer e descarregar líquidos para cada placa de vídeo. Você pode simplesmente colocar várias placas de vídeo em um banho e despejá-las com óleo mineral.
O problema do superaquecimento do próprio óleo no nosso caso também não vai a lugar algum. Assim que o óleo aquecer até a temperatura da placa de vídeo, ele não terá mais calor e o equipamento superaquecerá. Mais uma vez, você precisa de alguma forma servir o óleo frio e tomar o quente.
Uma solução simples poderia ser usada: uma grande capacidade de óleo frio e um recipiente para armazenar óleo já aquecido. Naturalmente, a instalação de tais tanques enormes não é economicamente viável, por isso temos que iniciar o óleo em um circuito fechado e resfriá-lo fora do banho de imersão. Isso exigirá a instalação adicional do radiador do lado de fora, onde o ar mais frio irá soprá-lo. Fornecer uma purga de ar da rua é bastante natural: há muito ar frio (comparado à temperatura do óleo) na rua, e o ar quente é levado pelo vento.
Mas quanto o radiador esfria 1 m3 de ar nos mesmos 8 graus? Afinal, depois de fazer os cálculos, descobriremos que para resfriar uma placa de vídeo, são necessários cerca de 1 litro de óleo frio (resfriado) por minuto; enquanto o óleo terá tempo para aquecer 8 graus. Ou seja, o radiador deve resfriar o óleo em apenas 8 graus com ar frio.
Outro elemento importante que permaneceu fora do escopo de nossos cálculos é a bomba. Os requisitos para isso são muito mais simples - circular 1 litro de óleo por minuto. Atenção especial deve ser dada à viscosidade do óleo. É claro que, devido à menor viscosidade, 1 litro de água passará pelos tubos e pelo radiador é muito mais simples que 1 litro de óleo. Ou seja, precisamos de uma bomba potente ou de tubos grandes e de um radiador.
Vamos agora imaginar que agora você não possui uma, mas pelo menos 100 placas de vídeo. Já são 20 kW de calor e 12.000.000 joules de energia por minuto. Então, em igualdade de condições, a bomba já deve bombear 100 litros de óleo por minuto. Imagine as dificuldades que surgem quando existem 1000 placas de vídeo em um sistema ...
Passamos ao resfriamento por imersão em duas fases com o líquido da Novec. Você pode ouvir muitas vezes que é caro, muito volátil, evapora facilmente etc. Claro que é assim, porque o princípio de sua ação é completamente diferente. Quando este líquido é aquecido acima de 61 ° C, ocorre a evaporação. No entanto, nem aquecimento nem resfriamento ocorrem com ele. Ao aquecer todo o volume de líquido após a inicialização, quando atingir 61 ° C, a temperatura simplesmente não aumenta. Parece absurdo, no entanto, é. O processo de evaporação (fervura) por si só consome muita energia. Talvez esse processo possa ser comparado às sensações de uma pessoa que toma banho no verão e sai da água. Está quente na água e fica frio ao vento. A razão para esse fenômeno é a evaporação da água da superfície do corpo.
De maneira semelhante, a Novec evapora das superfícies quentes dos chips e absorve parte do calor. São necessários cerca de 120 joules para vaporizar 1 g de Novec. Isso significa que uma placa de vídeo de 200 W vaporiza cerca de 2 g de líquido em 1 segundo. E em um minuto - apenas 120 g. A eficiência da remoção de calor devido à ebulição é extremamente alta e o tamanho do radiador para remover 200 W de calor pode ser de apenas 3-4 cm2. De fato, praticamente não é necessário um radiador.
Como o óleo mineral, esse sistema requer refrigeração líquida. Para fazer isso, você pode adicionar 120 g de líquido de um tanque enorme a cada minuto. Por outro lado, com um custo líquido de cerca de US $ 100 por litro, esse tanque sai com uma solução muito, muito cara. Portanto, é completamente natural seguir o caminho inverso - organizar um ciclo fechado com um refrigerador externo.
Condensação a vapor líquido
A evaporação é a transição de uma substância de um líquido para um estado gasoso. Ou seja, após a fervura, a Novec não desaparece sem deixar vestígios, mas se torna um gás que se acumula acima da superfície do líquido na forma de neblina. E se esse nevoeiro esfriar? Instalamos vários canos dentro e colocamos água fria neles. O gás começará a condensar-se sobre eles e formar gotículas que se combinam em um fluxo de líquido e retornam. Assim, a Novec não irá a lugar algum e permanecerá dentro do sistema sem nenhuma perda.
O processo de condensação é exatamente o oposto da evaporação; tudo acontece na ordem oposta. Quanto à energia, ela deve ser retirada do gás exatamente no mesmo volume que durante a evaporação. Naturalmente, os tubos frios esquentam e a energia de aquecimento será exatamente a mesma liberada pelas placas de vídeo durante a fervura.
Para a operação eficaz do sistema de resfriamento por imersão bifásico, precisamos esfriar constantemente os tubos. A solução mais simples e eficaz é correr água sobre eles, que será resfriada por um radiador localizado na rua. Comparado ao óleo mineral, parece muito mais fácil. Afinal, a capacidade térmica da água é duas vezes maior e o volume de circulação por minuto é menor. Além disso, a viscosidade da água é significativamente menor, o que significa que a bomba pode bombear facilmente um volume maior de água por unidade de tempo. Esses fatores possibilitarão o uso de um radiador menor na rua, tubos mais finos e uma bomba menos potente - em comparação com o mesmo óleo mineral.
Vantagens do sistema de refrigeração por imersão
Os dois sistemas de resfriamento - com óleo mineral e fluido de imersão da Novec - têm uma vantagem importante sobre o resfriamento do ar. Não há necessidade de aparelhos de ar condicionado caros que consomem eletricidade. Além disso, não há problema de poeira e umidade, como nos sistemas de freecooling.
Um dos parâmetros importantes dos datacenters é o coeficiente PUE (eficiência energética), que é igual à razão entre o consumo total de energia do datacenter e o consumo de energia dos dispositivos de computação. Para sistemas de imersão, esse coeficiente se aproxima de 1, para sistemas de ar com condicionadores de ar - cerca de 1,5. As diferenças são muito significativas, especialmente quando você considera a diferença no custo do equipamento.
Benefícios do resfriamento da Novec sobre o óleo mineral
Nesta fase, ambos os sistemas parecem ser os mesmos em termos de características. Mas nos cálculos descritos, não levamos em conta que os líquidos no banho de imersão não se misturam por si mesmos. Imagine que imergimos a placa de vídeo em óleo mineral e a ligamos. A camada de óleo imediatamente ao lado do radiador da placa de vídeo aquecerá, mas os volumes de óleo que estão a uma certa distância não. Nesse caso, o superaquecimento local ocorrerá na área da placa de vídeo. Torna-se óbvia a necessidade de garantir uma mistura eficaz do óleo dentro do banho, usando os ventiladores da placa de vídeo ou de alguma outra maneira. Isso complica o design e requer soluções técnicas especiais.
Nos sistemas de refrigeração por imersão bifásica com líquido Novec, esse problema está ausente.
Ele constantemente ferve e se mistura - especialmente nos locais onde ocorre aquecimento. Bolhas saem do radiador e um novo fluido entra em seu lugar.
A segunda diferença importante entre o petróleo e a Novec é a inflamabilidade. A Novec nunca queima, é usada até para apagar incêndios em bibliotecas. O óleo queima facilmente por natureza e, além disso, não pode ser extinto com água. Isso é indicado nas especificações técnicas de qualquer óleo. A temperatura do início da combustão é de cerca de 200 a 400 graus.Realizamos uma série de experimentos para verificar as conclusões descritas abaixo. Quando o óleo aqueceu até 150 ° C, começou a fumar, após o que uma chama apareceu, queimando com confiança a cada segundo. Além disso, devido à combustão, a temperatura do óleo começou a subir 2 graus por segundo e as chamas ficaram cada vez mais altas. A chama já era difícil de apagar e, enquanto isso, a temperatura continuava subindo.Um experimento semelhante com a Novec mostrou que o líquido foi evaporado ativamente, mas não foi possível aquecê-lo acima de 61 ° C. Ao incendiar os vapores da Novec, eles também não conseguiram queimar. Conforme escrito na especificação da Novec - o material não queima, não acende.Então, é possível usar o óleo mineral e seus análogos para um resfriamento eficiente da eletrônica? Seria arriscado, dado o custo extremamente alto do equipamento? Claro.
Um incêndio pode ocorrer por várias razões, e a presença de grandes quantidades de óleo mineral pode tornar a eliminação de um incêndio extremamente difícil e as conseqüências catastróficas.Novec Fluid: Fraquezas
Quais são as deficiências mais graves de líquidos da Novec? O alto preço, o aumento dos requisitos para a estanqueidade do banho de imersão, associado à alta volatilidade do fluido Novec e à complexidade do design deste último. Além disso, nota-se a necessidade de um monitoramento cuidadoso dos parâmetros do processo de resfriamento, a fim de evitar a ebulição do líquido. Além disso, o uso do fluido Novec se torna economicamente viável somente ao usar placas gráficas especializadas com alta densidade de instalação.Ao projetar um sistema de refrigeração, cerca de 20 características diferentes devem ser consideradas. Os cálculos completos devem necessariamente levar em consideração a resistência térmica dos radiadores e interfaces térmicas, bem como as propriedades do material e das superfícies dos trocadores de calor e radiadores dos equipamentos utilizados.O progresso não pára, já é óbvio que o futuro da indústria está no resfriamento por imersão eficaz, e não no ar. Resta apenas fazer uma escolha entre uma solução complexa e segura, ou mais acessível, mas arriscada.