Prema studiji Američkog udruženja podatkovnih centara (AFCOM) iz 2024. godine, 35% takvih centara koji koriste hlađenje zrakom već je dosegnulo granice odvođenja topline koja nastaje pri njihovom radu. Naime, dok uobičajeni poslužiteljski ormari (tzv. rackovi) imaju energetsku gustoću u rasponu 5 - 15 kW, kod onih koji pokreću umjetnu inteligenciju (AI) ona već doseže 100 kW, uz trend neprestanog rasta. To postavlja nove zahtjeve pred vlasnike i operatore podatkovnih centara, osobito zbog toga što na energiju potrebnu za njihovo hlađenje, prema podacima konzultantske tvrtke Deloitte, otpada čak 50% njihove ukupne potrošnje energije.
Jedno od rješenja za taj problem je veća primjena izravnog tekućinskog hlađenja (eng. DLC, direct liquid cooling). U vezi s time treba reći da se predviđa kako će vrijednost svjetskog tržišta takvih rješenja za hlađenje podatkovnih centara porasti s 5,65 milijardi dolara, kolika je bila 2024., na 48,42 mlrd. dolara do 2034. godine, što odgovara godišnjoj stopi rasta od golemih 23,96%.
Termodinamičke osnove
Jedan od glavnih razloga za primjenu DLC-ja je termodinamička činjenica da voda prenosi toplinu mnogo učinkovitije od zraka, točnije čak 3500 puta bolje. Dok specifični toplinski kapacitet zraka iznosi 1,01 kJ/(kg K), za vodu je on 4,19 kJ/(kg K). Istodobno, zrak ima prosječnu gustoću 1,2 kg/m3, a voda oko 1000 kg/m3.
Uobičajeni rashladni sustavi podatkovnih centara osnivaju se na primjeni zraka kao prijenosnika energije i načelu konvekcije. Pri tome se hladan zrak dovodi u podnožje poslužiteljskih ormara, pri čemu se zagrijava radom informatičke opreme i podiže prema stropu, odakle se odvodi do odgovarajućih rashladnih uređaja i tako ohlađen vraća do poslužitelja.
Takva rješenja prikladna su za male vrijednosti gustoće snaga poslužiteljskih ormara, no čim ona poraste na više od 20 - 30 kW, hlađenje zrakom doseže fizičke granice. Hladan zrak koji struji tada više ne može preuzeti i odvesti svu toplinu koja nastaje radom informatičke opreme.
Hlađenje izravno na izvoru
Tekućinsko hlađenje izravno na čipu (eng. direct to chip liquid cooling) unosi pravu revoluciju u rashladne sustave podatkovnih centara jer odvodi toplinu upravo s mjesta gdje ona nastaje. Takva se rješenja osnivaju na precizno izrađenim rashladnim tijelima s unutarnjim kanalićima koja se postavljaju izravno na središnje procesorske jedinice (CPU) ili na grafičke procesorske jedinice (GPU). Kao rashladni medij, odnosno prijenosnik energije pri tome se ne koristi zrak, već tekućina (kapljevina). Najčešće se radi o posebno obrađenoj vodi koja u zatvorenom krugu struji kroz rashladne plohe i prenosi toplinu do rashladnih jedinica (CDU). Ovisno o izvedbi, vrsti medija i arhitekturi podatkovnog centra, medij u rashladna tijela unutar poslužitelja ulazi s temperaturom na razini 20 - 60 °C i nakon preuzimanja topline izlazi s temperaturom koja je viša za oko 10 °C.
Kao što je spomenuto, primarni rashladni krug još čini rashladna jedinica, gdje se medij hladi na ulaznu temperaturu. Time se omogućava izravno preuzimanje 70 - 80% topline koja nastaje pri radu poslužiteljskih ormara i opreme u njima, dok preostalih ionako 20 - 30% otpada na periferne elemente kao što su napajanje, radne memorije i mrežna sučelja, koji se i dalje mogu hladiti zrakom.
Tablica 1
Usporedba hlađenja zrakom i izravnog tekućinskog hlađenja podatkovnih centara
| parametri | hlađenje zrakom | izravno tekućinsko hlađenje |
|---|---|---|
| kapacitet prijenosa topline, J/(m2 K) | 1206 | 4 200 000 |
| energetska gustoća poslužiteljskog ormara, kW | do oko 20 | do 100 i više |
| energetska učinkovitost (PUE) | 1,3 - 1,6 | 1,03 - 1,1 |
| razina buke, dB (A) | 70 - 80 | 40 - 50 |
| udio površine podatkovnog centra za smještaj rashladne opreme, % | 30 - 40 | 5 - 10 |
Osnovne izvedbe
Izravno tekućinsko hlađenje danas se pojavljuje u tri osnovne izvedbe:
• jednofazno
• dvofazno
• uranjanjem.
Jednofazno izravno tekućinsko hlađenje u primjeni je najčešće, a kao rashladni medij (prijenosnik energije) koriste se tekućine koje ostaju u tekućoj fazi u cijelom rashladnom ciklusu. Radi se o robusnom rješenju koje ne zahtijeva složeno održavanje i zadovoljava u većini slučajeva.
Kod dvofaznog izravnog tekućinskog hlađenja najprije dolazi do isparavanja rashladnog medija pri preuzimanju topline s ugrijane informatičke opreme, a zatim, s s padom temperature, do njegove kondenzacije. Time se omogućavaju prilično veliki rashladni učini, što je osobito prikladno za snage veće od 1000 W po čipu.
U slučaju hlađenja uranjanjem ili tzv. imerzijskog hlađenja cijeli je poslužitelj uronjen u nevodljivu tekućinu, čime se u odnosu na hlađenje zrakom potrošnja energije smanjuje za čak 40 - 50%. Ako se pak sustav izvodi kao dvofazni, moguće je odvođenje čak 98% topline sa samog izvora. Ipak, primjena takvih rješenja tehnički su vrlo složena.
Izazovi
Najveća prepreka većoj primjeni DLC-ja su visoki početni, tj. troškovi ulaganja. Naime, takvi su rashladni sustavi značajno skuplji od onih koji se osnivaju na hlađenju zrakom i zahtijevaju posebne rashladne jedinice. To znači da su kod postojećih podatkovnih centara nerijetko potrebne opsežne nadogradnje i proširenja. Osim samog rashladnog sustava, to uključuje i nove cijevne instalacije i ojačavanje podne konstrukcije, tako da može podnijeti dodatno opterećenje, ali i prilagodbu električnih instalacija za napajanje opreme. Uz to, za održavanje takvih sustava potrebna su dodatna znanja i vještine koje informatičkom osoblju uglavnom nisu poznate. Održavanje najčešće obuhvaća redovitu provjeru razine rashladnog medija, praćenje njegove kvalitete i pH vrijednosti, stalne provjere propuštanja i pojave korozije i funkcionalna ispitivanja crpki i osjetnika.
Što u slučaju propuštanja?
Stara izreka o tome da su elektronički elementi u kombinaciji s bilo kakvim tekućinama put u katastrofu kod primjene DLC-ja zapravo i nema osnove. Naime, takvi sustavi kao rashladni medij u pravilu koriste posebno obrađenu vodu koja ne uzrokuje oštećenja pri doticaju s elektroničkim elementima. Uz to, redovito se koriste sigurnosni mehanizmi i elementi kao što su:
• optički i elektronički osjetnici propuštanja koji otkrivaju i najmanji trag tekućine
• kontinuirano praćenje tlaka u sustavu
• automatsko isključivanje, što znači da se u slučaju bilo kakvih poremećaja zahvaćeni dijelovi odmah odvajaju od ostalih
• redundantne brtve, tj. višestruki nepropusni spojevi od različitih materijala.
Rješenja za hlađenje nove generacije
Vodeći svjetski proizvođači opreme i istraživači već rade na sljedećim generacijama rješenja za hlađenje podatkovnih centara, za koje se očekuje da će biti još učinkovitije i prikladnije za primjenu od danas dostupnih sustava DLC-ja. Neka od tih rješenja su:
• druga generacija dvofaznog hlađenja
• mikrokonvekcijsko hlađenje
• rashladni sustavi optimirani AI-jem
• optimiranje smjese vode i glikola.
Druga generacija dvofaznog hlađenja također koristi rashladne medije, ali ima mnogo veću učinkovitost. Takva rješenja dodatno smanjuju potrošnju energije, što znači još niže ukupne troškove u usporedbi s dosadašnjim sustavima tekućinskog hlađenja.
Rješenje za mikrokonvekcijsko hlađenje razvijeno je u Sjedinjenim Američkim Državama, a osniva se na primjeni brojnih malih mlazova tekućine koji su precizno usmjereni na izvore topline. To omogućava hlađenje čipova vrlo velikih snaga.
Rashladni sustavi koji su optimirani AI-jem koriste algoritme koji konstantno nadziru temperature, protok rashladnog medija i rashladni učin, čime se precizno optimira učinkovitost. Uz to, takvi sustavi mogu predvidjeti ispade i kvarove i naložiti preventivno održavanje.
Optimirane smjese vode i glikola razvilo je nekoliko vodećih svjetskih proizvođača. Riječ je o posebnim smjesama propilen-glikola za sustave za brzo hlađenje čipova, koja pružaju poboljšanu zaštitu od korozije i razvoja mikroorganizama i produljene rokove održavanja.
Nekoliko preporuka za odabir rješenja za hlađenje
O uvođenju DLC-ja u primjenu ne može se odlučiti preko noći, već je nužan dobro promišljen pristup. Iako takva rješenja imaju mnoge tehničke prednosti, uspješnost njihove primjene itekako ovisi o pravoj strategiji i prikladnom vremenskom okviru.
Najprije bi, u kratkom roku, do godine dana, trebalo procijeniti mogućnosti za primjenu DLC-ja i napraviti plan, pokrenuti pilot-projekt i odabrati isporučitelja oprema. Prvi korak je, dakako, sveobuhvatna procjena rješenja za hlađenje podatkovnog centra. Pri tome treba odrediti područja s velikom energetskom gustoćom poslužiteljskih ormara i razmotriti proširivanje samog centra jer je tekućinsko hlađenje mnogo jednostavnije uvoditi iz početka, a ne nadograđivati ga na postojeći sustav. Uz to, kao općenito pravilo vrijedi da je DLC ekonomski isplativ kada je energetska gustoća poslužiteljskih ormara veća od 15 kW. Sljedeći korak je pilot-projekt, pri čemu je najbolje započeti s do pet poslužiteljskih ormara velike snage, npr. s onima za AI ili visokoučinkovito računarstvo (HPC). Time se smanjuje rizik, ali dobivaju važna iskustva, a ne mora se zahvatiti cijeli postojeći podatkovni centar. Završni korak u toj fazi je odabir isporučitelja opreme. U obzir se uzima najmanje tri isporučitelja i to na temelju tehničke zrelosti, referenci i kvalitete usluge, a posebnu pozornost treba obratiti na mogućnosti održavanja i dostupnost nadoknadnih dijelova.
U srednjem roku, koji traje 1 - 3 godine, provodi se tzv. hibridizacija rashladnog sustava, obuka osoblja i osuvremenjavanje infrastrukture podatkovnog centra. Hibridizacija rashladnog sustava podrazumijeva fazni pristup pri uvođenju tekućinskog hlađenja, odnosno za početak se treba ograničiti na 70 - 75% centra, odnosno na poslužiteljske ormare s velikom energetskom gustoćom, dok se za postojeću opremu može zadržati postojeće hlađenje. Time se također smanjuje rizik i snižavaju troškovi, a povećava učinkovitost. Istodobno se provodi obuka osoblja koje će održavati sustav, za što se ulaganja isplate za 6 - 18 mjeseci jer kasnije nije potrebno vanjsko osoblje za održavanje. Konačni korak je osuvremenjavanje cjelokupnog podatkovnog centra, što podrazumijeva i preinake na samoj zgradi (npr. ojačavanje konstrukcijskih elemenata, tako da mogu podnijeti dodatna opterećenja, izvođenje novih instalacija: vodova za rashladni sustav i napajanja). Ako se pak radi o posve novoj zgradi, o primjeni DLC-ja treba razmišljati već od početka.
U dugom roku, za 3 - 10 godina, provodi se cjelokupna integracija novog rješenja za hlađenje u poslovnu strategiju i razrađuju se strategije održivosti. Naime, DLC sve više postaje osnovni preduvjet za podnošenje povećanih opterećenja koje uzrokuje AI i rubno ('edge') računarstvo. U skladu s time razvijaju se daljnji poslovni planovi. Konačno, novi rashladni sustav postaje nezamjenjivi čimbenik povrata topline i smanjenja potrošnje energije, a postignuta energetska učinkovitost doprinosi povećanju konkurentnosti.
Kako prevladati tehničke rizike?
Unatoč svim očitim prednostima, primjena DLC-ja za hlađenje podatkovnih centara nosi i neke tehničke izazove i rizike čije rješavanje zahtijeva stručan pristup.
Jedan od tih rizika odnosi na koroziju i postojanost materijala. No, treba reći da su istraživanja pokazala da se korozija u sustavima tekućinskog hlađenja ponajviše pojavljuje zbog nedovoljne kvalitete rashladnog medija (vode) i neodgovarajuće kombinacija metalnih materijala. U suvremenim rješenjima takvih sustava koriste se posebni materijali i aditivi za vodu koji smanjuju vjerojatnost pojave korozije. Uz to, svakih 3 - 6 mjeseci trebalo bi provoditi analizu rashladnog medija.
Kada je riječ o sigurnosti u slučaju ispada i redundanciji, kritični podatkovni centri uvijek zahtijevaju pričuvne rashladne krugove. Pri tome za rashladne jedinice vrijedi pravilo redundantnosti N+1, a potrebni su i dvostruki vodovi i drugi elementi hidrauličkog kruga. Iako to znači za 20 - 30% više troškove ulaganja, time se značajno povećava pouzdanost rashladnog sustava.
Ako se pak promatra vijek trajanja i održavanje, treba reći da rashladne plohe za DLC u pravilu mogu izdržati 10- 15 godina, rashladne jedinice 7 - 10 godina, a cijevi razvoda rashladnog medija 15 - 20 godina. Naravno, za dugoročnu učinkovitost i pouzdanost ključno je odgovarajuće održavanje.
Scenariji bliske budućnosti
Nekoliko je osnovnih scenarija koji se razmatraju u vezi s razvojem rješenja za hlađenje podatkovnih centara u narednih desetak godina.
U prvome takvome scenariju, koji se smatra najvjerojatnijim, DLC je postao standard i takvim je rashladnim sustavima već 2030. godine opremljeno više od 70% novih podatkovnih centara snage veće od 1 MW. Vrijednosti energetske učinkovitosti (PUE) manje od 1,05 također su standardne, a sustavi hlađenja zrakom koriste se još samo za manje i starije podatkovne centre.
Drugi razmatrani scenarij razmatra sve veću primjenu hlađenja uranjanjem. Pri tome se pretpostavlja da su prevladani svi njegovi trenutačni nedostaci (složeno održavanje, specijalizirani hardver).
Konačno, u trećem scenariju predviđa se integracija hibridnog hlađenja i računarstva u 'oblaku', što znači inteligentnu raspodjelu radnog opterećenja podatkovnih centara prema učinkovitosti hlađenja. Računalno intenzivni zadaci tada se automatski prebacuju u najučinkovitije podatkovne centre, a oni koji koriste DLC postali su čvorovi kojima se daje prednost u globalnim 'oblakovnim' mrežama.
Zaključno
Rješenja za izravno tekućinsko hlađenje smanjuju potrošnju energije i omogućavaju učinkovitiji povrat topline, čime se ujedno smanjuju emisije stakleničkih plinova. Uz to, potrošnja vode takvih rješenja mnogo manja nego kod uobičajenih rashladnih sustava podatkovnih centara, što je svakim danom sve veća prednost.
Oni koji već danas ne samo što razmatraju DLC kao rješenje za hlađenje podatkovnog centra, već i ulažu u takva rješenja itekako se spremaju za budućnost. Naime, podatkovni centri više moraju biti samo snažniji i održiviji, već i ekonomičniji i učinkovitiji. Revolucija njihovog hlađenja već je započela i nikoga ne čeka.
