Miksi ja milloin datakeskuksessa kannattaa käyttää nestejäähdytystä

Datakeskusten jäähdytyksen uusi todellisuus

Tekoälyn (AI), koneoppimisen ja laajamittaisen datankäsittelyn nopea kasvu muuttaa datakeskusten suunnittelua. Ilmajäähdytys on riittänyt useimpiin datakeskussovelluksiin jo vuosien ajan. Tyypillinen palvelintelineen tehotiheys on ollut 8–20 kW, jolloin perinteisillä jäähdytysjärjestelmillä on voitu ylläpitää luotettavia käyttöolosuhteita ja samalla edistää energiatehokkuustavoitteiden saavuttamista.

Hyperskaalautuvan laskennan yleistyminen nosti tehotiheyksiä noin 30 kilowattiin palvelintelinettä kohden. Joissakin erityisesti tekoälylaskentaan suunnitelluissa ympäristöissä tehotiheys ylittää nykyisin 100 kW palvelintelinettä kohden. Laskentatehon kasvaessa myös syntyvän lämmön määrä lisääntyy yhä pienemmässä fyysisessä tilassa. Tämä asettaa uusia haasteita datakeskusten operaattoreille, joiden on varmistettava suorituskyky, toimintavarmuus ja toiminnan tehokkuus.

Sen ymmärtäminen, milloin nestejäähdytys on tarpeen ja miten se voidaan integroida olemassa olevaan infrastruktuuriin, on yhä tärkeämpi osa datakeskusten suunnittelua.

Keskeiset näkökulmat

Tekoälyn ja suurteholaskennan kasvu nostaa palvelintelineiden tehotiheyksiä joissakin sovelluksissa perinteisen ilmajäähdytyksen käytännön rajojen yli. Nestejäähdytyksen merkitys kasvaa, mutta monissa datakeskuksissa parhaisiin tuloksiin päästään vaiheittain toteutettavalla hybridistrategialla.

Tekoälykuormat kasvattavat palvelintelineiden tehotiheyksiä yli 100 kilowattiin joissakin datakeskuksissa.
Nestejäähdytys siirtää lämpöä huomattavasti tehokkaammin kuin ilma.
Hybridijäähdytys mahdollistaa asteittaisen siirtymän nestejäähdytykseen ilman olemassa olevan infrastruktuurin korvaamista kokonaan.
Suora sirujäähdytys ja takaseinään asennettavat lämmönsiirtimet ovat usein käytännöllisiä lähtökohtia.
Jäähdytysinfrastruktuuri kannattaa suunnitella skaalautuvaksi, jotta se vastaa myös tulevaisuuden kasvaviin laskentatarpeisiin.

Tässä artikkelissa:

Miksi datakeskusten jäähdytys muuttuu

Viime vuosina energiatehokkaan datakeskusjäähdytyksen kysyntä on kasvanut voimakkaasti tekoälyn, pilvipalveluiden ja laajamittaisen datankäsittelyn yleistymisen myötä. Aiemmin siruvalmistajat vastasivat kasvaviin laskentatarpeisiin esimerkiksi siirtymällä yksiytimisistä prosessoreista moniydinprosessoreihin. Näin laskentatehoa voitiin kasvattaa ilman, että lämpökuormat lisääntyivät samassa suhteessa.

Nyt tilanne on toinen.

Nykyaikaiset tekoälykiihdyttimet ja grafiikkaprosessorit (GPU) kuluttavat huomattavasti enemmän tehoa kuin aiempien sukupolvien laitteistot. Tämän seurauksena lämpökuormat kasvavat nopeammin kuin mihin perinteiset ilmajäähdytysjärjestelmät on alun perin suunniteltu.

Miksi kasvavilla lämpökuormilla on merkitystä

Jäähdytysinfrastruktuurilla on keskeinen rooli datakeskuksen suorituskyvyn ja toimintavarmuuden ylläpitämisessä. Jos lämpöä ei saada poistettua tehokkaasti:

Palvelinten suorituskyky voi heikentyä lämpötilan nousun aiheuttaman tehonrajoituksen vuoksi.
Komponenttien käyttöikä voi lyhentyä lämpörasituksen seurauksena.
Toiminnan häiriönsietokyky ja jatkuvuus voivat vaarantua.
Energiankulutus voi kasvaa, kun jäähdytysjärjestelmät joutuvat työskentelemään enemmän tavoiteolosuhteiden ylläpitämiseksi.

Samalla operaattoreihin kohdistuu kasvavaa painetta parantaa rakennusten suorituskykyä ja toiminnan energiatehokkuutta.

Eurooppalainen sääntely, mukaan lukien rakennusten energiatehokkuusdirektiivi (EPBD) sekä rakennusautomaatio- ja ohjausjärjestelmiä (BACS) koskevat vaatimukset, kannustaa yhä älykkäämpään, tehokkaampaan rakennusten käyttöön ja toiminnan seurantaan.

Jäähdytys ei siis ole enää pelkästään toiminnan edellyttämä välttämättömyys. Siitä on tullut strateginen kysymys, joka vaikuttaa kapasiteetin suunnitteluun, infrastruktuuri-investointeihin ja tulevaan kasvuun.

Miten nestejäähdytys toimii

Nestejäähdytyksen käyttö on yleistynyt, koska nesteet siirtävät lämpöä huomattavasti tehokkaammin kuin ilma. Veden tiheys ja ominaislämpökapasiteetti ovat suurempia kuin ilman, ja sen lämpövastus on pienempi. Tämän ansiosta suhteellisen pieni nestemäärä pystyy siirtämään huomattavan määrän lämpöenergiaa. Veden tilavuuskohtainen lämpökapasiteetti onkin noin 3 400 kertaa suurempi kuin ilman.

Palvelintelineiden tehotiheyden kasvaessa riittävän ilmavirran tuottaminen lämmön poistamiseksi käy yhä haastavammaksi. Suuremmat ilmavirrat edellyttävät tehokkaampia puhaltimia, lisää energiankulutusta ja entistä kehittyneempiä ohjausjärjestelmiä.

Nestejäähdytys tarjoaa vaihtoehtoisen lähestymistavan, jossa lämpö poistetaan lähempänä sen syntypaikkaa. Tämä tekee siitä erityisen houkuttelevan vaihtoehdon seuraaviin käyttökohteisiin:

Tekoälykuormat
Suurteholaskenta (HPC)
GPU-pohjaiset laskentasovellukset
Suuren tehotiheyden palvelinympäristöt

Vastuullisuus ja jäähdytysnesteen valinta

Lämmönsiirtokyvyn lisäksi jäähdytysnesteen valinnasta on tullut yhä tärkeämpi kysymys datakeskusten operaattoreille. Eri nestejäähdytysteknologioissa käytetään erilaisia nesteitä, joilla kullakin on omat toiminnalliset ja ympäristöön liittyvät ominaisuutensa.

Jäähdytysmenetelmä	Tyypillinen neste	PFAS-yhdisteisiin liittyvä riski
Suora sirujäähdytys (PG25, vesi/glykoli)	Vesi/glykoli	Erittäin pieni
Yksivaiheinen upotusjäähdytys	Hiilivetypohjainen/synteettinen sähköä eristävä öljy	Yleensä PFAS-vapaa
Kaksivaiheinen upotusjäähdytys	Fluorattu sähköä eristävä neste	Perinteisesti sisältänyt PFAS-yhdisteitä

Suorassa sirujäähdytyksessä käytetään yleisesti vesi-glykoliseoksia, kuten PG25:tä. Nämä seokset ovat tyypillisesti PFAS-yhdisteettömiä ja hiilivetyvapaita. Tämä voi olla tärkeä näkökohta organisaatioille, jotka arvioivat tulevia jäähdytysratkaisujaan ja jäähdytysnesteiden valintaa.

Hybridijäähdytys

Hybridijäähdytyksessä yhdistetään perinteinen ilmajäähdytys ja kohdennettu nestejäähdytys. Kun nykyiset laskentakuormat ja tulevaisuuden tarpeet kartoitetaan, voidaan tunnistaa, missä ilmajäähdytys toimii edelleen tarkoituksenmukaisesti ja missä nestejäähdytys kannattaa ottaa käyttöön. Hybridistrategian avulla voidaan tyypillisesti:

Säilyttää olemassa olevat jäähdytyslaitteet ja -järjestelmät.
Minimoida toiminnalle aiheutuvat häiriöt.
Ottaa nestejäähdytys käyttöön vaiheittain.
Tukea tekoälyn ja suurteholaskennan käyttöönottoa.
Sovittaa investoinnit liiketoiminnan tarpeisiin.

Organisaatio voi esimerkiksi jatkaa vanhempien palvelinten ja verkkolaitteiden ilmajäähdytystä ja toteuttaa samalla erillisiä nestejäähdytteisiä alueita tekoälyklustereille ja GPU-intensiivisille laskentakuormille

Näin toiminnan jatkuvuus säilyy, mutta samalla luodaan edellytykset siirtyä suurempiin palvelintelineiden tehotiheyksiin.

Tekninen katsaus: nestejäähdytteisen alueen toteuttaminen

Kun nestejäähdytys on todettu tarpeelliseksi, seuraava vaihe on sopivimman teknologian valinta. Käytettävissä on useita vaihtoehtoja.

Takaseinään asennettavat lämmönsiirtimet

Takaseinään asennettavat lämmönsiirrin asennetaan palvelintelineen taakse, ja se poistaa poistoilmasta lämpöä veden avulla ennen kuin ilma siirtyy huonetilaan. Tämä lähestymistapa mahdollistaa suuremman laitetiheyden telineessä ilman, että tuttua palvelinarkkitehtuuria tai toimintatapoja tarvitsee muuttaa. Hyötyjä ovat:

Suhteellisen yksinkertainen integrointi
Tutut huoltokäytännöt
Suurempi jäähdytysteho
Vähäiset muutokset IT-laitteistoon.

Suora sirujäähdytys (D2C)

Suora nestejäähdytys (direct-to-chip cooling) johtaa jäähdytysnesteen suoraan prosessorien ja grafiikkaprosessorien (GPU) päälle asennettuihin kylmälevyihin. Lämpö poistetaan suoraan sen syntölähteestä, mikä tekee tästä lähestymistavasta erityisen tehokkakaan tekoäly- (AI) ja suurteholaskentasovelluksissa (HPC). Hyötyjä ovat:

Tehokas prosessorien jäähdytys
Tuki korkean laitetiheyden asennuksille
Vähentynyt riippuvuus suurista ilmavirroista
Erinomainen soveltuvuus tekoälyn työkuormille.

Upotusjäähdytys

Upotusjäähdytyksessä palvelimet upotetaan sähköä johtamattomaan nesteeseen (dielektriseen nesteeseen). Vaikka menetelmä on lämmönhallinnan kannalta erittäin tehokas, se vaatii usein merkittäviä muutoksia tilasuunnitteluun, huoltokäytäntöihin ja toimintatapoihin. Jotkut toimijat voivat myös kohdata haasteita laitteiston yhteensopivuuden ja takuuehtojen kanssa. Tästä syystä upotusjäähdytystä valitaan harvemmin ensimmäiseksi vaiheeksi siirryttäessä uusiin jäähdytysmenetelmiin.

Enemmän laskentakapasiteettia nykyisessä tilassa

Koska nestejäähdytys poistaa lämpöä tehokkaammin kuin ilmajäähdytys, se mahdollistaa suuremmat palvelintelineiden tehotiheydet samassa tilassa. Näin organisaatiot voivat kasvattaa laskentakapasiteettiaan laajentamatta datakeskuksen tiloja, kunhan kohteen infrastruktuuri ja muut tekniset edellytykset sen sallivat.

Mahdollisuudet korkeampiin jäähdytysveden lämpötiloihin

Nestejäähdytysjärjestelmät voivat usein toimia korkeammilla jäähdytysveden lämpötiloilla kuin perinteiset jäähdytettyyn veteen perustuvat järjestelmät. Ilmasto-olosuhteista ja järjestelmän suunnittelusta riippuen tämä voi lisätä vapaajäähdytyksen hyödyntämismahdollisuuksia ja vähentää mekaanisen jäähdytyksen tarvetta.

Varautuminen tulevaan kasvuun

Hybridistrategian merkittävimpiä etuja on sen joustavuus. Useimmat organisaatiot eivät pysty ennustamaan tarkasti, kuinka nopeasti tekoälyn käyttöönotto ja datamäärien kasvu vaikuttavat palvelintelineiden tuleviin tehotiheyksiin. Vaiheittainen lähestymistapa mahdollistaa seuraavan kaltaisen jäähdytysinfrastruktuurin käyttöönoton tarpeen mukaan:

Nestejäähdytyksen jakeluyksiköt (CDU)
Putkistot ja nesteenjakeluverkostot
Lämmönpoistojärjestelmät
Valvonta- ja seurantajärjestelmät

Näin infrastruktuuria voidaan kehittää asiakkaiden ja teknologian muuttuvien tarpeiden mukana ilman laajoja, toiminnalle häiriöitä aiheuttavia uudistuksia koko datakeskuksessa.

FläktGroupin osaaminen datakeskusten jäähdytyksessä

FläktGroup tekee yhteistyötä suunnittelijoiden, urakoitsijoiden ja datakeskusten operaattoreiden kanssa kehittääkseen jäähdytysratkaisuja, jotka vastaavat sekä nykyisiin että tuleviin tarpeisiin. Osaamisemme kattaa mm.:

Tarkkuusjäähdytys
Hybridijäähdytysratkaisut
Nestejäähdytyksen infrastruktuuri
Datakeskusten ohjaus- ja optimointiratkaisut
Suuren tehotiheyden tekoälysovellukset

Uskomme, että nestejäähdytyksen onnistunut käyttöönotto alkaa laskentakuormien, lämmönhallinnan vaatimusten ja kohteen pitkän aikavälin toiminnallisten tavoitteiden ymmärtämisestä.

Monissa datakeskuksissa tehokkain ratkaisu ei ole valinta ilma- ja nestejäähdytyksen välillä, vaan näiden kahden teknologian tarkoituksenmukainen yhdistäminen.

Asiantuntijamme auttavat sinua datakeskuksesi jäähdytysratkaisujen suunnittelussa ja kehittämisessä:

Miksi työskennellä kanssamme

Tekoälyn kasvaviin tarpeisiin kehittyneet nestejäähdytysratkaisut

Vastatakseen nestejäähdytyksen kasvavaan kysyntään FläktGroup on kehittänyt Liquid DENCOn. Se on nestejäähdytyksen jakeluyksikkö (CDU), joka on suunniteltu suuren tehotiheyden datakeskusympäristöihin. Liquid-DENCO mahdollistaa lämmönhallinnan tarkan ohjauksen datakeskuksen jäähdytysinfrastruktuurin ja nestejäähdytteisten IT-laitteiden välillä.

Keskeiset ominaisuudet

Suunniteltu vastaamaan datakeskusten muuttuviin tarpeisiin
Jäähdytysnesteen virtauksen ja lämpötilan tarkka säätö
Joustava integroitavuus nestejäähdytteisiin ympäristöihin
Skaalautuvat käyttöönottovaihtoehdot
Soveltuu suuren tehotiheyden tekoäly- ja HPC-sovelluksiin

Liquid-DENCO on osa laajempaa jäähdytysratkaisua, jonka avulla operaattorit voivat hallita kasvavia lämpökuormia ja varautua samalla tulevaan kasvuun.

Tällä videolla FläktGroupin Chief technology Officer Ömer Tüzer esittelee nestejäähdytyksen hyötyjä sekä Liquid-DENCO-ratkaisun ominaisuuksia nykyaikaisessa datakeskusinfrastruktuurissa.

Datakeskusten jäähdytyksen tulevaisuus on hybridimallinen

Siirtymisen nestejäähdytykseen ei tarvitse olla joko kaikki tai ei mitään -päätös.

Palvelintelineiden tehotiheyden kasvaessa erityisesti tekoäly- ja suurteholaskentaympäristöissä monet organisaatiot joutuvat ottamaan nestejäähdytyksen käyttöön jossakin muodossa. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että nykyinen ilmajäähdytteinen infrastruktuuri pitäisi korvata välittömästi.

Hybridijäähdytys tarjoaa käytännöllisen ja skaalautuvan etenemistavan, jossa ilmajäähdytyksen toimintavarmuus ja tuttu toimintaperiaate yhdistyvät nestejäähdytyksen suorituskykyyn siellä, missä suuremmat lämpökuormat sitä edellyttävät.

Kun laskentakuormat ymmärretään, tulevan kasvun tarpeet arvioidaan ja oikeat teknologiat valitaan, datakeskuksille voidaan kehittää jäähdytysratkaisuja, jotka tukevat sekä nykyistä toimintaa että tulevaisuuden innovaatioita.

Haluatko kuulla lisää? Ota yhteyttä nestejäähdytyksen jakeluyksiköiden (CDU) asiantuntijaan alla olevan lomakkeen kautta:

Ratkaisut FläktGroupilta

FLÄKTGROUP SERVICE (ELINKAARIPALVELUT)

LÄHETÄ VARAOSAKYSELY

Tietoa meistä