Cp ≈ 1.005 kJ/kg·K) برای دفع حرارت بالای ۳۰ کیلووات بر رک.افزایش شتابان پردازشهای مبتنی بر هوش مصنوعی (AI)، یادگیری عمیق و محاسبات با توان بالا (HPC)، معماری فیزیکی و حرارتی مراکز داده را با تحولی بنیادین مواجه کرده است. نسل جدید تراشههای پردازشی به توان مصرفی فراتر از ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ وات به ازای هر سوکت دست یافتهاند. این تراکم حرارتی موجب شده است که توان مصرفی رکهای پردازشی از محدوده سنتی ۱۰ تا ۱۵ کیلووات به بیش از ۵۰ تا ۱۰۰ کیلووات به ازای هر رک افزایش یابد.
در چنین چگالیهای توانی، سیستمهای سرمایش مبتنی بر هوا از جمله واحدهای تهویه مطبوع اتاق سرور (CRAC) و واحدهای جابهجایی هوا (CRAH) به مرزهای فیزیکی و ترمودینامیکی خود میرسند. پایین بودن ظرفیت گرمایی ویژه هوا (Cp ≈ 1.005 kJ/kg·K) و چگالی کم آن (ρ ≈ 1.2 kg/m3) باعث میشود که برای دفع گرما از رکهای بالای ۳۰ کیلووات، حجم زیادی از جریان هوا با سرعت بالا مورد نیاز باشد.
این امر منجر به مصرف انرژی توسط فنهای سرور و زیرساخت، افت فشار در کانالها، نویز صوتی و شکلگیری نقاط داغ (Hotspots) در تراشهها میشود. کمیته فنی ASHRAE TC 9.9 در ویرایش پنجم استاندارد خود (2021 Thermal Guidelines)، کلاس کاری جدید H1 را برای تجهیزات متراکم هوایی معرفی کرده است.
این کلاس، محدوده دمای ورودی توصیه شده را به ۱۵ تا ۲۲ درجه سانتیگراد محدود میکند تا از گلوگاه شدن حرارتی پردازندهها جلوگیری شود. با این حال، در دیتاسنترهای ماژولار کانتینری که با محدودیت فضای فیزیکی (عرض استاندارد کانتینر ISO معادل ۲.۴ متر) مواجه هستند، مدیریت چنین حجم عظیمی از جریان هوا دشوار است.
جابهجایی هوای لازم برای خنکسازی یک کانتینر ۴۰ فوت با توان ۴۰۰ کیلووات، بخش قابل توجهی از فضای داخلی را به کانالکشی اختصاص داده و راندمان فضای سفید (White Space) را کاهش میدهد. راهکار این محدودیت ترمودینامیکی، انتقال از خنکسازی با سیال گازی (هوا) به خنکسازی مستقیم با سیال مایع است.
خنکسازی غوطهوری (Liquid Immersion Cooling - LIC) با بهرهگیری از سیالات دیالکتریک که ظرفیت گرمایی حجمی آنها بیش از ۱۲۰۰ برابر هوا است، امکان جذب و انتقال مستقیم گرما از اجزای سرور را بدون نیاز به واسطههای هوایی فراهم میسازد.
| پارامتر حرارتی / عملیاتی | سرمایش هوایی سنتی (CRAC/CRAH) | خنکسازی غوطهوری (Immersion Cooling) | نسبت برتری مایع به هوا |
|---|---|---|---|
| ظرفیت گرمایی ویژه (Cp) | ≈ 1.005 kJ/kg·K | ≈ 1.80 - 2.20 kJ/kg·K | ≈ ۲ برابر |
| چگالی جرم سیال (ρ) | ≈ 1.20 kg/m3 | ≈ 800 - 1700 kg/m3 | ≈ ۶۶۰ تا ۱۴۰۰ برابر |
| ظرفیت گرمایی حجمی (ρCp) | ≈ 1.21 kJ/m3·K | ≈ 1600 - 2500 kJ/m3·K | ≈ ۱۳۰۰ تا ۲۰۰۰ برابر |
| رسانندگی حرارتی (k) | ≈ 0.026 W/m·K | ≈ 0.11 - 0.14 W/m·K | ≈ ۴.۵ تا ۵.۵ برابر |
| حداکثر تراکم توان قابل پشتیبانی | ۲۵ تا ۳۰ کیلووات بر رک | > ۱۰م کیلووات بر رک | > ۳.۵ برابر |
| سهم توان فنها از کل مصرف IT | ۱۰٪ تا ۱۵٪ | ۰٪ (حذف کامل فنها) | صرفهجویی کامل |
Q = ṁ · Cp · (Tout - Tin)
که در آن Q نرخ انتقال حرارت (وات)، ṁ دبی جرمی سیال، Cp ظرفیت گرمایی ویژه سیال و Tin و Tout دمای ورودی و خروجی سیال دیالکتریک از تانک هستند. سیال دیالکتریک سرد از پایین تانک وارد شده، با عبور مستقیم از روی سطوح داغ اجزا (پردازندهها، ماژولهای حافظه و مدارات تغذیه)، گرم شده و بر اثر جابهجایی شناوری (Natural Convection) یا پمپاژ اجباری (Forced Convection) به بالای تانک حرکت میکند.
سیال گرم سپس توسط پمپهای واحد توزیع سرمایش (CDU) استخراج شده و پس از عبور از مبدل حرارتی صفحهای، مجدداً خنک شده و به تانک بازمیگردد. تانکهای تک فازی به صورت مخازن سرپوشیده باز (Open-Bath) طراحی میشوند که فشار کاری آنها نزدیک به فشار اتمسفر است.
Q = ṁ · Lv + ṁ · Cp · ΔT
Lv گرمای نهان تبخیر سیال است. بخار حاصل از جوشش سیال به سمت بالای مخزن صعود کرده و با کویلهای کندانسور که در سقف مخزن بسته تعبیه شدهاند برخورد میکند. بخار پس از میعان، مجدداً به شکل قطرات مایع به داخل مخزن بازمیگردد. سیستمهای دو فازی به دلیل ضریب انتقال حرارت بالا در حالت جوشش هستهای (Nucleate Boiling)، امکان خنکسازی چگالیهای توانی بسیار بالا را فراهم میسازند، اما نیازمند تانکهای کاملاً آببندیشده هستند.
بزرگترین چالش راهبردی سیستمهای دو فازی، وابستگی به سیالات فلوئوردار است که در گروه مواد پرفلوئوروآلکیل و پلیفلوئوروآلکیل (PFAS) قرار میگیرند. این مواد به دلیل پایداری شیمیایی بالا به "مواد شیمیایی ابدی" (Forever Chemicals) معروف هستند و با نگرانیهای زیستمحیطی و رگولاتوری مواجهاند.
آژانس مواد شیمیایی اروپا (ECHA) تحت مقررات REACH و آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (US EPA)، محدودیتهای سختگیرانهای را برای ترکیبات PFAS تدوین کردهاند. شرکت ۳M نیز توقف تولید سیالات بر پایه PFAS را تا پایان سال ۲۰۲۵ اعلام کرده است. این موضوع برای دیتاسنترهای متکی بر سیستمهای دو فازی، ریسکهای اجرایی و عملیاتی ایجاد میکند:
به همین دلیل، صنعت دیتاسنتر به سمت سیستمهای غوطهوری تک فازی مبتنی بر هیدروکربنهای سنتزی به عنوان راهکاری پایدارتر و عاری از PFAS حرکت کرده است.
| مولفه / شاخص ارزیابی | غوطهوری تک فازی (SPIC) | غوطهوری دو فازی (TPIC) |
|---|---|---|
| مکانیسم ترمودینامیکی | گرمازدایی حسپذیر (Q = ṁ · Cp · ΔT) |
گرمازدایی نهان (Q = ṁ · Lv) |
| پایه شیمیایی سیال | هیدروکربنهای سنتزی / PAO | فلوئوروکربنها / PFAS |
| نقطه جوش سیال | بسیار بالا (> ۲۵۰ درجه سانتیگراد) | پایین (۵۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد) |
| فشار کاری تانک | اتمسفریک (سیستم باز/سرپوشیده) | تحت فشار / آببندی هرمتیک |
| پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) | نزدیک به صفر | بالا (تحت محدودیتهای بینالمللی) |
| وضعیت رگولاتوری (PFAS) | فاقد PFAS | در حال فاز-اوت و محدودیت |
| ریسک تبخیر سیال در نگهداری | ناچیز | بالا (نیاز به سیستم بازیافت بخار) |
| هزینه سیال (به ازای هر لیتر) | اقتصادی (۱۰ تا ۳۰ دلار) | بسیار گران (۱۵۰ تا ۳۰۰ دلار) |
| پیچیدگی مکانیکی زیرساخت | پایین | بسیار بالا |
یکپارچهسازی تانکهای غوطهوری در کانتینرهای ماژولار ISO نیازمند تقویت مکانیکی سازه کف با ورقهای فولادی 3T و تیرهای عرضی برای تحمل بار متمرکز تا ۲.۵ تن به ازای هر تانک، یکپارچهسازی جرثقیل سقفی مونو ریل جهت استخراج عمودی سرورهای سنگین در راهروی ضیق کانتینر، و تفکیک هیدرولیکی چرخه دیالکتریک از چرخه آب تأسیسات توسط CDU است.
توسعه توان پردازشی در قالب دیتاسنترهای ماژولار (Modular Data Centers - MDCs) نیازمند بازطراحی سازه و سیستمهای مکانیکی کانتینرهای ISO مانند کانتینرهای ۲۰ فوت و ۴۰ فوت High Cube است.
چگالی جرم سیالات دیالکتریک پایه هیدروکربنی در محدوده ρ = 0.85 to 0.90 g/cm3 قرار دارد. یک تانک غوطهوری استاندارد با گنجایش ۴۸ یونیت سرور، حاوی حدود ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ لیتر سیال دیالکتریک است. با احتساب وزن بدنه تانک، شاسیهای فولادی، اتصالات هیدرولیک و وزن سرورهای سنگین پردازش هوش مصنوعی، وزن کل هر تانک پر شده به ۱.۵ تا ۲.۵ تن میرسد.
توزیع این جرم متمرکز بر کف کانتینر چالش مهندسی ایجاد میکند. استاندارد سازهای کانتینرهای باربری (ISO 1496-1) برای بارهای گسترده طراحی شده است، در حالی که تانکهای غوطهوری بارهای نقطهای و متمرکزی را به تیرهای عرضی کف وارد میکنند. برای جلوگیری از خمش کف کانتینر، ارزیابی بار بر اساس رابطه زیر انجام میشود:
wfloor = (∑ mtank + ∑ mfluid + ∑ mserver + mCDU) / Acontact ≤ wallowable
استاندارد ASHRAE TC 9.9 در ویرایش پنجم ۲۰۲۱، کلاسهای دمایی جدید W17 تا W+ را برای سرمایش مایع معرفی کرده است. این کلاسها با افزایش دمای آب ورودی تا ۴۵ درجه سانتیگراد، امکان کاهش وابستگی به چیلرهای تراکمی و اتکا به درای کولرهای بیرونی را فراهم میسازند، مشروط بر اینکه تجهیزات IT قابلیت کارکرد کامل و بدون افت فرکانس (Unthrottled Operation) را در آن محدوده دمایی دارا باشند.
طراحی زیرساخت خنکسازی غوطهوری در دیتاسنترهای ماژولار باید مطابق استانداردهای بینالمللی تدوینشده توسط کمیتههای تخصصی باشد.
کمیته فنی ASHRAE TC 9.9 در پنجمین ویرایش Thermal Guidelines (مارس ۲۰۲۱)، مراجع کلاسهای سرمایش مایع (Water-Cooled Classes) را بر اساس حد بالای دمای آب ورودی به تجهیزات (Entering Facility Water Temperature) بهروزرسانی کرده است. هدف اصلی این کلاسبندی، حذف چیلرهای تراکمی پرمصرف و دستیابی به خنکسازی رایگان (Free Cooling) است.
الزام کلیدی انطباق: شرط اصلی انطباق تجهیزات پردازشی با کلاسهای W17 تا W+، عملکرد کامل و بدون افت فرکانس (Unthrottled Operation) پردازندهها در محدوده دمایی تعیینشده برای آن کلاس است.
| کلاس جدید (5th Ed) | کلاس معادل قدیمی | محدوده دمای آب ورودی (C°) | تجهیزات گرمازدایی ثانویه (Heat Rejection) | پتانسیل خنکسازی رایگان (Free Cooling) |
|---|---|---|---|---|
| W17 | W1 | ۲ تا ۱۷ | چیلر تراکمی / برج خنککننده | بسیار محدود |
| W27 | W2 | ۲ تا ۲۷ | چیلر با چرخهساز اکونومایزر | متوسط |
| W32 | W3 | ۲ تا ۳۲ | درای کولر (Dry Cooler) / برج خنککن خشک | بالا (در اکثر اقلیمها) |
| W40 | جدید (فاقد معادل) | ۲ تا ۴۰ | درای کولر بدون نیاز به چیلر | بسیار بالا |
| W45 | W4 | ۲ تا ۴۵ | درای کولر در شدیدترین اقلیمهای گرمسیری | فوقالعاده بالا (۱۰۰٪ سال) |
| W+ | W5 | > ۴۵ | بازیافت حرارت (Heat Reuse) / گرمایش ساختمان | مطلق (کامل) |
غوطهورسازی بردها در سیال دیالکتریک، ثابت دیالکتریک محیط را به εr ≈ 2.1 افزایش داده و میتواند موجب تغییر امپدانس دیفرانسیلی گذرگاههای فرکانس بالا (PCIe Gen 5) شود. همچنین، حل شدن پلاستیکسازهای کابلهای PVC در سیال، موجب شکنندگی کابل و آلودگی سیال شده و استفاده از مواد سازگار مانند PTFE و FKM را ضروری میکند.
غوطهورسازی مستقیم برد سرور و اتصالات الکترونیکی در سیال دیالکتریک، چالشهایی را در حوزه فیزیک حالت جامد، الکترومغناطیس و شیمی مواد ایجاد میکند.
εr ≈ 1.0 است. اما هنگام غوطهورسازی بردها در سیال دیالکتریک هیدروکربنی، این مقدار به εr ≈ 2.1 to 2.3 افزایش مییابد. این تغییر دو اثر مستقیم پر مسیرهای انتقال سیگنال روی PCB و کانکتورها دارد:
Z0 ∝ 1 / √(εr)). غوطهورسازی میتواند امپدانس دیفرانسیلی خطوط طراحیشده برای ۱۰۰ اهم در هوا را به حدود ۷۵ تا ۸۵ اهم کاهش دهد. این ناپیوستگی امپدانس موجب بازتاب سیگنال و افزایش نرخ خطای بیت (Bit Error Rate - BER) میشود.v = c / √(εr). افزایش εr باعث کاهش سرعت انتشار سیگنال و ایجاد تاخیر زمانی (Skew) در مسیرهای موازی میشود.εr = 2.2 تنظیم کنند. همچنین استفاده از کانکتورهای با ساختار هندسی مناسب که از تجمع حبابهای هوا یا نفوذ غیریکنواخت سیال جلوگیری کنند، ضروری است.
سیالات دیالکتریک هیدروکربنی، حلالهای ضعیف آلی هستند. عدم دقت در انتخاب مواد غیرفلزی، کابلها و واشرهای آببندی موجود در سرورها میتواند منجر به پدیده استخراج پلاستیکساز (Plasticizer Leaching) شود. کابلهای شبکه و برق معمولی دارای روکشهای پلیوینیل کلراید (PVC) هستند که حاوی مواد نرمکننده فتالات میباشند.
در صورت غوطهورسازی کابلهای PVC در سیال هیدروکربنی، سیال دیالکتریک مواد پلاستیکساز را از روکش کابل استخراج میکند. در نتیجه روکش کابل به مرور خشک و شکننده میشود. از سوی دیگر، پلاستیکساز حلشده در سیال میتواند تانژانت افت دیالکتریک (tan δ) را افزایش داده و خواص عایقی سیال را تضعیف کند.
| ماده / الاستومر | درجه سازگاری با سیال هیدروکربنی | وضعیت کاربرد در غوطهوری | علت فنی و رفتار شیمیایی |
|---|---|---|---|
| پلیوینیل کلراید (PVC) | غیرسازگار (تخریبکننده) | کاملاً ممنوع | نشت شدید پلاستیکساز، تردی کابل و آلودگی سیال |
| لاستیک طبیعی / NBR | غیرسازگار | ممنوع | تورم شدید (Swelling) و انحلال ساختار الاستومر |
| سیلیکون (Silicone) | سازگاری ضعیف | توصیه نمیشود | جذب سیال، تورم ابعادی و افت خواص مکانیکی |
| فلوروپلیمر (PTFE / Teflon) | پایداری مطلق | کاملاً استاندارد و عالی | بیاثری شیمیایی کامل، عدم انحلال و پایداری دما |
| فلوروالاستومر (FKM / Viton) | پایداری عالی | توصیه شده برای آببندی | مقاومت بالا در برابر حلالهای آلی و حفظ ابعاد |
| پلیاتیلن کراسلینک (XLPE) | پایداری بالا | استاندارد برای روکش کابل | عدم وجود پلاستیکساز آزاد و مقاومت شیمیایی |
PUE = Total Facility Power / IT Equipment Power
در سیستمهای هوایی سنتی، PUE کانتینرها بین ۱.۳۵ تا ۱.۵۰ متغیر است. اما در دیتاسنتر ماژولار غوطهوری تک فازی، با حذف فنهای داخلی سرورها و کاهش نیاز به چیلرهای تراکمی، دستیابی به PUE سالانه در محدوده ۱.۰۳ تا ۱.۰۵ امکانپذیر است.
| آیتم شاخص TCO (دوره ۵ ساله) | دیتاسنتر ماژولار هوایی (تراکم بالا) | دیتاسنتر ماژولار غوطهوری تک فازی | میزان صرفهجویی / تفاوت |
|---|---|---|---|
| توان نامی پردازشی (IT Load) | ۱۰۰۰ کیلووات | ۱۰۰۰ کیلووات | - |
| متوسط PUE عملیاتی | ۱.۴۰ | ۱.۰۴ | ۲۵.۷٪ بهبود راندمان |
| توان مصرفی کل زیرساخت | ۱۴۰۰ کیلووات | ۱۰۴۰ کیلووات | ۳۶۰ کیلووات کاهش بار پیوسته |
| هزینه سرمایهای تجهیزات سرمایش (CapEx) | بالا (چیلرها، CRAH، کانالکشی) | متوسط تا بالا (تجهیزات CDU، تانکها) | CapEx اولیه سیستم مایع ۱۰-۱۵٪ بالاتر |
| هزینه خرید سیال دیالکتریک اولیه | ۰ دلار | ≈ ۱۲۰,۰۰۰ دلار | سرمایهگذاری اولیه سیال |
| مساحت زمین و کانتینر مورد نیاز | ۴ کانتینر ۴۰ فوت (۲۰kW/rack) | ۲ کانتینر ۴۰ فوت (50-100kW/rack) | ۵۰٪ کاهش مساحت فیزیکی (Footprint) |
| مصرف برق سالانه (با کارکرد ۲۴/۷) | ۱۲,۲۶۴,۰۰۰ کیلوواتساعت | ۹,۱۱۰,۴۰۰ کیلوواتساعت | ۳,۱۵۳,۶۰۰ کیلوواتساعت صرفهجویی سالانه |
| هزینه انرژی ۵ ساله (نرخ 0.10$/kWh) | ۶,۱۳۲,۰۰۰ دلار | ۴,۵۵۵,۲۰۰ دلار | ۱,۵۷۶,۸۰۰ دلار صرفهجویی مستقیم OpEx |
| دوره بازگشت سرمایه اولیه (ROI) | مرجع | ۱۲ تا ۱۸ ماه | - |
سیستم خنکسازی غوطهوری تک فازی مبتنی بر هیدروکربنهای سنتزی به دلیل عاری بودن از PFAS، PUE پایین، تعمیر و نگهداری آسان و کاهش نیاز به چیلر، یکی از گزینههای مناسب برای دیتاسنترهای ماژولار متراکم هوش مصنوعی محسوب میشود. برای انتخاب فناوری مناسب سرمایش در دیتاسنترهای ماژولار با تراکم بالا، تصمیمگیرندگان فنی باید ماتریس ارزیابی زیر را مبنای تصمیمگیری قرار دهند:
| معیار تصمیمگیری | غوطهوری تک فازی (SPIC) | غوطهوری دو فازی (TPIC) | خنکسازی مستقیم روی تراشه (Direct-to-Chip) |
|---|---|---|---|
| حداکثر تراکم توان هر رک | تا ۱۰۰ کیلووات | فراتر از ۱۰۰ کیلووات | ۴۰ تا ۸۰ کیلووات |
| ریسک رگولاتوری PFAS | صفر (هیدروکربن سنتزی) | بالا (ممنوعیت جهانی PFAS) | پایین (چرخه آب/گلیکول) |
| پیچیدگی مکانیکی | پایین (تانک اتمسفریک، پمپ استاندارد) | بالا (مخازن هرمتیک تحت فشار) | متوسط (لولهکشی پیچیده داخل سرور) |
| قابلیت دستیابی به PUE | ۱.۰۳ تا ۱.۰۵ | ۱.۰۱ تا ۱.۰۲ | ۱.۱۰ تا ۱.۱۵ |
| پروفایل نگهداری و تعمیرات | ساده (استخراج با جرثقیل مونو ریل) | پیچیده (نیاز به بازیافت بخار) | متوسط (اتصالات کوپلینگ سریع) |
بعد از ورود به حساب کاربری می توانید دیدگاه خود را ثبت کنید
