Étant donné que les centres de données ont des équipements densément emballés et sont en activité continue, ils génèrent beaucoup de chaleur (chaque serveur peut avoir une puissance de plusieurs kilowatts à des dizaines de kilowatts). Si la chaleur ne peut pas être dissipée dans le temps, elle entraînera une surchauffe de l'équipement, une dégradation des performances et même une défaillance. Par conséquent, la conception du système de refroidissement affecte directement l'efficacité énergétique, la fiabilité et les coûts d'exploitation du centre de données. Ce qui suit est une introduction détaillée des aspects de la composition du système, des méthodes de refroidissement, des technologies clés et des tendances de développement.
1. composants du niveau du système de refroidissement du centre de données
Le système de refroidissement du centre de données se compose généralement des parties suivantes, qui fonctionnent ensemble pour réaliser un transfert de chaleur et une décharge efficaces:
● Équipement latéral de la source de chaleur
Les composants générateurs de chaleur tels que les serveurs, les dispositifs de stockage, les équipements d'alimentation (tels que les UPS), etc., sont initialement refroidis par des ventilateurs ou des dissipateurs de chaleur passifs.
● Medium de transfert de chaleur
Air: le milieu du système de refroidissement à l'air traditionnel, un faible coût mais une faible efficacité de conduction thermique (la conductivité thermique de l'air est d'environ 0. 026 W \/ M ・ K).
Liquide: Le milieu du système de refroidissement liquide, tel que l'eau ou les liquides de refroidissement tels que l'huile minérale et le liquide fluoré, a une conductivité thermique significativement plus élevée que l'air (la conductivité thermique de l'eau est d'environ {0}}. 6 W \/ M ・ K, le liquide fluorné est à environ 0,05 W \/ M ・ K mais la chaleur latente de la vaporisation est élevée).
● Équipement de réfrigération et de dissipation thermique
Climatisation de précision (CRAC \/ CRAH): fournit une température et une humidité constantes de l'air froid pour contrôler l'environnement du centre de données (température typique 20-24, humidité 40% -60%).
Chiller: élimine la chaleur par la circulation de l'eau, couramment utilisée dans les grands centres de données ou les systèmes de refroidissement liquide.
Tour de refroidissement \/ refroidisseur sec: décharge la chaleur à l'atmosphère extérieure, divisée en refroidissement par eau (nécessite de l'eau) et le refroidissement à sec (refroidissement à l'air, économique d'eau mais moins efficace).
Échangeur de chaleur: comme l'échangeur de chaleur et l'échangeur de chaleur à chaleur, utilisé pour l'échange de chaleur entre différents milieux.
● Composants de gestion du flux d'air \/ liquide
Conduits et conduits: guider le flux d'air pour obtenir un isolement froid et chaud.
Pipeline de refroidissement liquide: y compris les pompes, les vannes, les débitmètres, etc. Pour assurer la circulation du liquide de refroidissement.
Composants au niveau de l'armoire: tels que les ventilateurs de pansements, les assiettes à froid et les dispositifs de pulvérisation (refroidissement en liquide d'immersion).
● Système de contrôle
Les capteurs (température, humidité, pression) et les contrôleurs intelligents ajustent dynamiquement le fonctionnement de l'équipement de réfrigération pour optimiser l'efficacité énergétique.
2. Classification des méthodes de refroidissement du centre de données
Sur la base du moyen de transfert de chaleur et du chemin technique, les méthodes de refroidissement peuvent être divisées en trois catégories: refroidissement par air, refroidissement liquide et refroidissement naturel. Chaque méthode a différentes scénarios et avantages et inconvénients applicables.
● Refroidissement de l'air (refroidissement à l'air)
Principe: La chaleur de l'équipement est retirée par le débit d'air, et l'air chaud est refroidi par le système de climatisation, puis recyclé ou déchargé à l'extérieur.
Technologies typiques:
Refroidissement de l'air au niveau de la salle informatique:
La climatisation de précision fournit directement de l'air dans la salle informatique, et l'air chaud revient à travers le plafond ou sous le sol. Le coût est faible mais l'efficacité énergétique est moyenne (pue est élevée, environ 1. 5-2. 0).
Mesures d'amélioration: isolement des canaux chauds et froids (enfermer les canaux chauds ou les canaux froids pour éviter le mélange de débit d'air), l'alimentation à l'air sous le plancher (en utilisant des planchers élevés pour transporter l'air froid, commun dans les centres de données traditionnels).
Refroidissement à l'air au niveau de l'armoire:
L'armoire dispose de ventilateurs intégrés ou de ventilateurs de pansements pour améliorer la dissipation de chaleur d'une seule armoire (adaptée aux armoires de densité moyenne, puissance inférieure ou égale à 15 kW).
Combiné avec la climatisation inter-Row (la climatisation est déployée entre les rangées d'armoire pour raccourcir le chemin du débit d'air et améliorer l'efficacité).
Avantages: technologie mature, faible coût de déploiement, maintenance facile.
Inconvénients: faible capacité de chaleur de l'air, efficacité insuffisante dans les scénarios de densité de haute puissance (passer au refroidissement liquide en cas de puissance d'armoire unique> 20 kW).
● refroidissement liquide (refroidissement liquide)
Principe: Utilisez un milieu liquide pour contacter directement ou indirectement les composants générateurs de chaleur, retirer la chaleur par la circulation, puis transférer la chaleur vers le système de refroidissement extérieur par l'échangeur de chaleur.
Classification et technologie:
Refroidissement liquide indirect (type de plaque froide):
Les composants générateurs de chaleur (tels que CPU, GPU) sont contactés par la plaque froide métallique, et le liquide de liquide de liquide de refroidissement (eau ou non conducteur) coule dans la plaque froide pour absorber la chaleur sans contacter directement les composants électroniques.
Avantages: Sécurité élevée (liquide non conducteur est facultatif), compatible avec l'architecture du serveur existant et faible difficulté de transformation.
Application: scénarios informatiques à haute densité (tels que les serveurs AI, les grappes HPC), la puissance d'une seule armoire peut atteindre 20-50} KW.
Refroidissement liquide direct (immersion):
Le matériel du serveur est complètement immergé dans du liquide fluoré non conducteur ou de l'huile minérale. Le liquide absorbe la chaleur et se vaporise, et la vapeur se liquéfie et coule à travers le condenseur (refroidissement du changement de phase, efficacité plus élevée).
Avantages: Efficacité de dissipation de chaleur extrêmement élevée (l'énergie unique peut atteindre plus de 100 kW), aucun ventilateur requis, un faible bruit, PUE peut être aussi faible que 1,05 ou moins.
Applications: information à ultra-hautes performances, exploitations minières de blockchain, grappes de formation AI à grande échelle.
Vaporisez le refroidissement du liquide:
Le liquide de refroidissement est pulvérisé sur la surface de l'élément chauffant à travers une buse, combiné à l'évaporation pour absorber la chaleur, qui se situe entre le type de plaque froide et le type d'immersion.
Avantages: Efficacité de dissipation de chaleur élevée, réduisant considérablement le PUe et support pour une densité de puissance ultra-élevée.
Inconvénients: investissement initial élevé (modification des armoires et du pipeline requis), une complexité de maintenance élevée et une gestion professionnelle du liquide de refroidissement requise.
● Refroidissement naturel (refroidissement gratuit)
Principe: Utilisez des sources froides naturelles extérieures (telles que l'air à basse température, les eaux souterraines, les tours de refroidissement) pour remplacer la réfrigération mécanique pour réduire la consommation d'énergie.
Technologies typiques:
Refroidissement naturel côté air:
Refroidissement à l'air frais: l'air à basse température extérieur est directement introduit dans le centre de données après filtration (l'humidité et la poussière doivent être strictement contrôlées) et l'air chaud est déchargé à l'extérieur.
Cliner à chaleur \/ échangeur de chaleur: La chaleur intérieure est transférée à l'extérieur par des tueurs de chaleur ou des échangeurs de chaleur à plaques pour éviter le mélange d'air direct (adapté aux zones à forte humidité).
Refroidissement naturel à l'eau:
Utilisez des tours de refroidissement ou des refroidisseurs secs pour utiliser directement des refroidisseurs pour fournir de l'eau de refroidissement à basse température lorsque la température extérieure est basse, ce qui réduit le temps d'exécution du compresseur.
Combinée à un système de circulation d'eau fermée, la pollution de l'eau est empêchée d'affecter la dissipation de la chaleur.
Source du sol \/ Source d'eau refroidissement:
Utilisez les eaux souterraines, l'eau du lac ou les échangeurs de chaleur du sol pour extraire les sources froides naturelles par le biais de systèmes de pompe à chaleur, qui est respectueuse de l'environnement mais limité par l'emplacement géographique.
Avantages: Réduisez considérablement la consommation d'énergie de refroidissement, PUE peut être aussi faible que 1,1 ou moins, le vert et l'économie d'énergie.
Inconvénients: dépend des conditions climatiques extérieures (avantages évidents dans les zones froides) et nécessite un équipement d'échange de chaleur supplémentaire.
3. Technologies et innovations de refroidissement clés
En plus des méthodes de base ci-dessus, la technologie de refroidissement du centre de données se développe vers une efficacité, une intelligence et une faible carbonisation à haute teneur. Voici les technologies courantes et de pointe actuelles:
● Technologie de réfrigération à haute efficacité
Chiller de lévitation magnétique: en utilisant le compresseur magnétique de lévitation, pas de perte d'huile de lubrification, un rapport d'efficacité énergétique (COP) peut atteindre plus de 10, ce qui est plus de 30% d'économie d'énergie que les refroidisseurs centrifuges traditionnels.
Refroidissement par évaporation: abaisser la température de l'air en absorbant la chaleur par l'évaporation de l'eau (comme l'humidificateur de film humide + ventilateur), adapté aux zones sèches, peut réduire considérablement la demande de réfrigération mécanique.
Refroidissement à débit biphasé: en utilisant un changement de phase liquide (évaporation-condensation) pour un transfert de chaleur efficace, tel que le calculo de la boucle (LHP) et le caloduc pulsante (PHP), pour la dissipation thermique au niveau du puce.
● Optimisation de l'intelligence et de l'efficacité énergétique
IA et apprentissage automatique:
Analyser les données historiques via des algorithmes d'IA, prédire les modifications de charge, ajuster dynamiquement les paramètres de fonctionnement des climatiseurs, des ventilateurs, des pompes à eau et d'autres équipements, et réalisez l'optimisation de l'efficacité énergétique (comme la technologie DeepMind de Google peut réduire la consommation d'énergie de réfrigération de 40%).
Surveillance en temps réel des points chauds, réglage automatique du flux d'air ou de la distribution du débit liquide pour éviter la surchauffe locale.
Twin numérique: construire un modèle virtuel du centre de données, simuler les effets de différentes solutions de refroidissement et optimiser les stratégies de mise en page et de fonctionnement et de maintenance.
● Récupération des déchets de chaleur et neutralité du carbone
Réutilisation de la chaleur des déchets: recycler la chaleur déchargée du système de refroidissement pour le chauffage, l'eau chaude ou les processus industriels (tels que le centre de données nordiques combiné avec le système de chauffage régional) pour améliorer l'utilisation globale de l'énergie.
Synergie d'énergie verte: combiner les énergies renouvelables telles que la photovoltaïque et l'énergie éolienne pour alimenter le système de refroidissement et réduire les émissions de carbone; Certains centres de données utilisent des piles à combustible, dont la chaleur des déchets peut être directement utilisée pour le chauffage ou la production d'énergie.
Réfrigérants de liquide de travail naturel: Utilisez des réfrigérants à faible GWP (potentiel de réchauffement climatique) tels que l'ammoniac (NH3) et le dioxyde de carbone (CO₂) pour remplacer le freon traditionnel, en conformité par les réglementations environnementales (comme les réglementations de l'UE F-GAS).
● Pulpularisation de la technologie de refroidissement des liquides à immersion
Avec l'explosion de l'IA et l'informatique haute performance, les serveurs à haute densité (tels que les grappes GPU) ont favorisé le refroidissement du liquide d'immersion pour devenir un point chaud:
Caractéristiques du liquide fluoré: isolation, faible point d'ébullition (à propos de 50-60 degré), adapté au refroidissement du changement de phase, pas besoin de modifier le matériel du serveur.
Tendance de réduction des coûts: avec une application à grande échelle, le prix du liquide fluoré a progressivement diminué, et il peut être réutilisé (durée de vie de plus de 10 ans), et des avantages à long terme sont évidents.
4. Scénarios de sélection et d'application de la technologie de refroidissement
La sélection des solutions de refroidissement pour les centres de données doit considérer de manière approfondie la densité de puissance, l'emplacement géographique, le budget et les objectifs d'efficacité énergétique:
| Scénario | Méthode de refroidissement recommandée | Pue typique | Armoire unique |
| Faible densité de puissance (<5 kW) | Refroidissement de l'air au niveau de l'ordinateur + isolement de canal froid et chaud | 1.5-1.8 | Moins ou égal à 5 kW |
| Densité de puissance moyenne (5-20 kW) | Refroidissement de l'air au niveau de l'armoire + climatisation de ligne à rang | 1.3-1.5 | 5-20 kW |
| Densité de puissance élevée (20-50 kW) | Refroidissement liquide à la plaque froide + refroidissement naturel | 1.1-1.3 |
20-50 kW |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Refroidissement liquide immergé + récupération de la chaleur des déchets | 1.05-1.1 | 50-100 kw + |
| Zones froides | Refroidissement naturel (côté air \/ eau) + refroidissement auxiliaire | 1.08-1.2 | Flexible |
| Zones arides | Refroidissement par évaporation + refroidissement naturel | 1.1-1.3 | Flexible |
5. Tendances futures de développement
●Centres de données à faible teneur en carbone et en carbone zéro:Poussé par des politiques (telles que les objectifs du «double carbone» de la Chine), le refroidissement naturel, la récupération de la chaleur des déchets et les énergies renouvelables deviendront courant, et la cible PUE va vers 1. 0.
● Échelle de la technologie de refroidissement liquide:L'IA et la demande de calcul de bord Edge Drive haute densité, le refroidissement du liquide d'immersion pénètrent des scénarios haut de gamme aux centres de données généraux, et les normes de l'industrie (telles que les spécifications de refroidissement du liquide OCP) sont progressivement unifiées.
● Dissie de chaleur de précision au niveau des puces:Le refroidissement par microcanal, le refroidissement par pulvérisation et d'autres technologies agissent directement sur la puce pour réduire la perte de trajet de transfert de chaleur.
● Intelligence à pleine chaîne:De la surveillance des équipements à l'optimisation globale, l'IA et l'Internet des objets (IoT) sont profondément intégrés pour réaliser la «maintenance prédictive» et le refroidissement adaptatif.
●Modularisation et préfabrication:Les armoires de refroidissement liquide préfabriquées et les centres de données de type conteneur sont accélérés pour déployer, raccourcir le cycle de construction et réduire les coûts d'exploitation et d'entretien
Le système de refroidissement du centre de données est un lien clé pour équilibrer les performances, le coût et l'efficacité énergétique. La sélection des technologies doit être adaptée aux conditions et besoins locaux. Avec l'explosion de la demande de puissance de calcul et l'avancement de la transformation verte, le refroidissement liquide efficace, le refroidissement naturel et la gestion intelligente deviendront la direction centrale du développement futur, stimulant l'évolution des centres de données vers "à faible lutte contre le carbone, efficace et durable".
