Современные датацентры потребляют мегаватты и даже десятки мегаватт электроэнергии, причём до 50% от этой цифры приходится на воздушное охлаждение оборудования. Огромные объёмы электричества тратятся фактически впустую — горячий воздух ЦОДов просто выбрасывается в атмосферу.
Как известно, в 2008 году американская организация ASHRAE, которая устанавливает стандарты температуры и влажности для центров обработки данных, подняла допустимый температурный лимит до 27°С при условии охлаждения воздушными потоками. Это означает, что температура в горячем коридоре составляет порядка 35…40°С выше нуля. Такие воздушные потоки в лучшем случае можно использовать для обогрева офисных помещений возле ЦОД, ведь они не обладают достаточной температурой для более масштабного и полезного применения.
Ситуацию может кардинально изменить жидкостное охлаждение оборудования. Технология отвода тепла от процессоров с помощью горячей воды была известна уже давно, со времен мэйнфреймов. Водяной радиатор работает более эффективно, ведь теплоёмкость воды почти в 3500 раз больше, чем воздуха. Благодаря этому схема водяного охлаждения имеет сразу несколько преимуществ.
Кремниевый процессор нормально работает при температуре до 105°С, поэтому для охлаждения можно использовать не просто горячий, а очень горячий теплоноситель. Таким образом, на греющиеся узлы можно подавать воду температурой 60~65°С. На выходе же она будет нагреваться до 65~70°С. Это позволяет её использовать для эффективной рекуперации тепла, например, обогрева жилых домов, расположенных рядом с ЦОДом, или подогрева бойлера горячей водой, опять же — для бытовых нужд.
Кроме того, в разы уменьшаются затраты на электроэнергию, которая расходуется на охлаждение датацентра. Например, суперкомпьютерному центру Лейбниц удалось добиться снижения общих затрат на электроэнергию на 40%.
Далее, благодаря жидкостному охлаждению можно «набивать» стойки с рекордной ёмкостью. Напомним, что в случае воздушного охлаждения плотная установка компьютерных компонентов исключена, поскольку воздушные потоки должны свободно проходить вдоль корпуса сервера.
И, наконец, «холодные» процессоры, температура которых не превышает 60-65°С, могут постоянно работать в ускоренном режиме Turbo Boost без всякого ущерба, то есть частота работы может быть повышена более чем на 10%. При воздушном охлаждении турбирование допустимо только на короткий промежуток времени, до исчерпания температурной инерции радиаторов, иначе возможен перегрев чипа.
Отметим, что в штатном режиме (без «разгона») процессор может вполне нормально работать и при более высокой температуре (как упоминалось выше — до 105°С). Но чем выше температура работы чипа, тем больше сокращается срок его гарантированной службы. Производители компьютерных компонентов обычно афиширует эти данные, но в среднем процессор рассчитан на 7 лет непрерывной работы. Слишком высокая температура может сократить этот срок.
С другой стороны, технология жидкостного охлаждения обладает определенными недостатками. Во-первых, эта система намного сложнее в монтаже внутри сервера и серверного шкафа. Во-вторых, в случае разгерметизации системы вода может залить элементную базу и привести к повреждению оборудования. Правда, подобную угрозу можно минимизировать за счет применения дистиллированной воды или других токонепроводящих жидкостей. Кроме того, водяное охлаждение жёстких дисков вряд ли можно назвать эффективным, поскольку поверхность винчестера, которая соприкасается с радиатором, не контактирует в полной мере с механизмами внутри.
И, тем не менее, технология жидкостного охлаждения все чаще используется в современных датацентрах. Например, российская компания РСК заявила о выпуске «РСК Торнадо» — энергоэффективного решения с жидкостным охлаждением для стандартных серверных плат на базе процессоров Intel Xeon, изначально создававшихся для традиционных систем с воздушным обдувом. По словам представителей РСК, новая система позволят расходовать на охлаждение не более 5,7% от общего энергопотребления. Кроме того, инновационная технология позволила добиться высокой вычислительной плотности — более 35 TFLOPS на базе архитектуры Intel х86 в одной стойке 42U.
Стоит упомянуть и суперкомпьютер Aquasar (см. видео), детище европейского исследовательского отделения IBM и швейцарского федерального технического университета (ETH Zürich). Аппарат размером с крупный холодильник представляет собой кластер из 42 серверов. 28 из них оборудованы инновационным водяным охлаждением. Технология охлаждения Aquasar масштабируется до машин петафлопного класса.
Но для IBM это только исследовательский полигон. Испытания компьютера помогут инженерам и учёным в разработке ещё более «уплотнённых» машин. IBM намерена создать чипы, в которых сразу несколько процессоров сложены один на другой практически без зазора. Между такими схемами будут проложены разветвлённые сети водяных каналов толщиной с человеческий волос.
Некоторые время назад компания CoolIT Systems выпустила систему Workstation Cooler (на фото), предназначенную для охлаждения серверных центральных процессоров. Главной особенностью кулера Workstation Cooler является комбинация водяного и термоэлектрического охлаждения. Подобное инженерное решение позволяет добиться высочайшей эффективности, снижая температуру работы процессора на 40%, и при этом обладая невысоким уровнем шума. В случае серверных систем использование эффективной и тихой системы охлаждения Workstation Cooler позволяет не выделять под серверы отдельного помещения. При этом стоимость кулера относительно невысока – около $450 за устройство.
Конечно, пока что можно назвать только единичные случаи применения жидкостного охлаждения. Однако потребности в вычислительных мощностях растут год от года, ЦОДы становятся все больше по размеру и излучают все больше тепла. В этих условиях теплоотвод с помощью воды становится пожалуй наиболее оптимальным вариантом снижения пресловутого углеродного следа и затрат на электроэнергию.