أنواع أنظمة تبريد مراكز البيانات: كيفية الاختيار وفقًا لكثافة الحوامل وأحمال الذكاء الاصطناعي

مركز بيانات حديث مزود بأنظمة تبريد هوائية وسائلة

لا ينبغي اختيار نظام تبريد مركز البيانات بناءً على كتالوج المنتجات وحده. السؤال الأول هو: أين يجب التقاط الحرارة؟ هل في الغرفة، أم عند الصف، أم في الجزء الخلفي من الحامل، أم مباشرة على المعالج، أم حول الخادم بأكمله؟ يؤثر هذا القرار على كثافة الحامل، والأنابيب، وأجهزة التحكم، وحجم المضخات، وإجراءات الصيانة، وكمية التبريد الهوائي التي تظل ضرورية.

لا يزال التبريد الهوائي التقليدي يعمل بشكل جيد في العديد من بيئات المؤسسات ومرافق الاستضافة المشتركة. ومع ذلك، فإن مجموعات تدريب الذكاء الاصطناعي وأحمال العمل الحاسوبية الأخرى عالية الأداء يمكن أن تؤدي إلى تركيز الحرارة في مساحة أصغر بكثير. وفي هذه المرافق، غالبًا ما تكون الحل العملي هو اعتماد بنية هجينة بدلاً من تقنية واحدة.

يشرح هذا الدليل الأنواع الرئيسية لأنظمة تبريد مراكز البيانات والشروط التي ينبغي أن تحدد اختيار النظام المناسب.

الوجبات الرئيسية

• يظل تبريد الهواء على مستوى الغرفة خيارًا عمليًّا بالنسبة لكثافات الحوامل التقليدية وأحمال تكنولوجيا المعلومات التي يمكن التنبؤ بها.
• تعمل المبادلات الحرارية المثبتة في الباب الخلفي والأنظمة المترابطة عن قرب على زيادة السعة دون الحاجة إلى إعادة تصميم المساحة البيضاء بأكملها على الفور.
• يعمل التبريد السائل المباشر على الرقاقة على امتصاص الحرارة من وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) والمكونات الأخرى التي تولد حرارة عالية، لكن عادةً ما يظل التبريد الهوائي التكميلي ضروريًا.
• يعمل التبريد بالغمر على إزالة الحرارة من خوادم كاملة موضوعة في سائل عازل كهربائي، ويتطلب نموذج خدمة مختلفًا.
• ينبغي تصميم مضخات المياه المبردة، ومضخات الدائرة الثانوية، وأنظمة التحكم، وأنظمة التكرار كجزء من بنية نظام التبريد، وليس إضافتها بعد اختيار معدات تكنولوجيا المعلومات.

ابدأ بمسار إزالة الحرارة

يصبح من الأسهل مقارنة أنظمة التبريد عندما يتم تجميعها حسب نقطة التقاط الحرارة.

طريقة التبريد	الموقع الرئيسي لالتقاط الحرارة	التأثيرات النموذجية على البنية التحتية	الخيار الأنسب
تبريد الهواء على مستوى الغرفة	تهوية قاعة البيانات	منخفض إلى متوسط	حاملات المعدات التقليدية الخاصة بالمؤسسات وحاملات خدمات الاستضافة المشتركة
التبريد المدمج	صف أو رف	معتدل	المناطق الساخنة المحددة ومشاريع التحديث
المبادل الحراري للباب الخلفي	نظام العادم المثبت على حامل	معتدل	رفوف ذات كثافة أعلى حيث يكون الوصول من الخلف وتوزيع المياه ممكنين
التبريد السائل المباشر على الرقاقة	ألواح التبريد الخاصة بوحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة معالجة الرسومات (GPU) والمسرعات	متوسطة إلى عالية	الذكاء الاصطناعي، والحوسبة عالية الأداء (HPC)، ومجموعات الحوسبة الكثيفة
التبريد بالغمر	هيكل الخادم بالكامل	عالية	بيئات عالية الكثافة مصممة خصيصًا لهذا الغرض
التبريد الهجين	مواقع متعددة	خاص بالمشروع	المنشآت ذات الكثافة المختلطة والتحديثات المرحلية

تعد نقطة التقاط الحرارة مجرد جزء من التصميم. فلا يزال يتعين على الحرارة المرفوضة أن تمر عبر المبادلات الحرارية، ووحدات توزيع سائل التبريد، والمضخات، والمبردات الجافة، ووحدات التبريد، وأبراج التبريد، أو أي معدات أخرى لتصريف الحرارة. وأفضل نظام هو ذلك الذي يربط بين هذه المراحل دون إحداث تعقيدات تشغيلية يمكن تجنبها.

1. تبريد الهواء على مستوى الغرفة

يُعد تبريد الهواء على مستوى الغرفة المعيار الأساسي المعمول به في مراكز البيانات. وعادةً ما تستخدم وحدات معالجة الهواء في غرف الحواسيب (CRAHs) الماء المبرد، في حين تستخدم مكيفات الهواء في غرف الحواسيب (CRACs) عادةً دورة تبريد تعتمد على المبردات. وكلاهما يعمل على تدوير الهواء المكيف عبر قاعة البيانات.

تعد استراتيجية تدفق الهواء ذات أهمية لا تقل عن وحدة التبريد. حيث يقلل نظام احتواء الممر الساخن أو الممر البارد من الاختلاط بين الهواء الداخل والهواء الخارج. كما تساهم الألواح المغلقة وفتحات الكابلات المحكمة الإغلاق وسرعات المراوح الخاضعة للتحكم في تحسين الأداء.

وحيثما سمحت الظروف المناخية وظروف المياه بذلك، يمكن لأجهزة التوفير أو الأنظمة التبخيرية أن تقلل من مدة تشغيل الضاغط.

يُعد التبريد الهوائي نظامًا مألوفًا وسهل الصيانة ومتوافقًا مع معدات تكنولوجيا المعلومات القياسية. وتظهر محدودية هذا النظام عندما ترتفع كثافة الحرارة بوتيرة أسرع من قدرة تدفق الهواء على التبريد بكفاءة. كما أن زيادة سرعة المروحة إلى ما لا نهاية تؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة، وقد لا تزال هناك نقاط ساخنة حول حوامل وحدات معالجة الرسومات (GPU) عالية الكثافة.

2. التبريد المدمج

تعمل تقنية التبريد المقترن عن قرب على تقريب سعة التبريد من مصدر الحرارة. وتشمل الأنماط الشائعة الوحدات المثبتة داخل الصفوف، والوحدات المعلقة، والوحدات المجاورة للحامل. وتؤدي مسارات تدفق الهواء الأقصر إلى تقليل مخاطر إعادة تدوير الهواء، وتسهل استهداف منطقة ذات كثافة عالية دون الإفراط في تبريد بقية الغرفة.

يُعد هذا النهج مفيدًا عندما يكون الحمل الحراري المرتفع مقتصرًا على جزء فقط من قاعة البيانات. ويمكن أن يطيل عمر المنشأة الحالية مع تجنب التحول الفوري إلى استخدام معدات تكنولوجيا المعلومات المبردة بالسائل.

لا تزال الأنظمة المترابطة تعتمد على التصميم الدقيق للنظام الهيدروليكي وتدفق الهواء. وقد تتطلب الوحدة الجديدة المثبتة داخل الصف أنابيب فرعية للمياه المبردة، وصمامات عزل، ونظام موازنة، ونظام إدارة المكثفات، وتكامل أنظمة التحكم. وينبغي لفريق التصميم التأكد مما إذا كانت مضخات المياه المبردة الحالية قادرة على تلبية متطلبات التدفق والارتفاع المعدلة.

3. المبادلات الحرارية للباب الخلفي

يحل المبادل الحراري للباب الخلفي (RDHx) محل الباب الخلفي لحامل تكنولوجيا المعلومات أو يُكمله. ويمر الهواء المنبعث من الخادم عبر ملف مبرد بالسائل قبل أن يعود إلى قاعة البيانات. وتعتمد التصميمات السلبية على مراوح الخادم.

تُضاف المراوح إلى التصميمات النشطة لتعزيز التحكم في تدفق الهواء.

غالبًا ما تُعد أنظمة RDHx حلاً عمليًّا للتحديث اللاحق، لأنها تعمل على استخلاص الحرارة من الحامل دون الحاجة إلى تركيب لوحات تبريد داخل كل خادم. ويمكنها تخفيف العبء على نظام التبريد على مستوى الغرفة، كما تدعم الزيادات الموضعية في الكثافة.

تتمثل المفاضلة في الجانب التشغيلي. فيجب توزيع المياه أو سائل التبريد الآخر بالقرب من الحوامل، كما يجب التخطيط لإدارة التسربات، ويجب أن تظل المسافات الخلفية للوصول ملائمة للعمل. كما يؤثر انخفاض الضغط في الملفات وموازنة الفروع على اختيار المضخة.

4. التبريد السائل المباشر على الرقاقة

يعتمد نظام التبريد السائل المباشر على الرقاقة (D2C) على وضع ألواح تبريد على المكونات التي تولد حرارة عالية، مثل وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) والمسرعات. يقوم سائل التبريد بامتصاص الحرارة بالقرب من مصدرها ونقلها عبر حلقة ثانوية. وعادةً ما تعمل وحدة توزيع سائل التبريد (CDU) على فصل نظام التبريد التكنولوجي عن نظام المياه في المنشأة، كما توفر وظائف الضخ والتبادل الحراري والمراقبة والتحكم.

مجموعة منتجات CoolChip CDU من شركة Vertiv يدعم تطبيقات التبريد المباشر على الرقاقة والتبريد من الخلف في أنظمة الحوسبة عالية الكثافة. إن إرشادات ASHRAE بشأن التبريد السائل كما أنه مفيد عند تحديد متطلبات درجة الحرارة وجودة المياه وواجهة المنشأة.

يمكن لنظام التبريد المباشر (D2C) إزالة جزء كبير من حرارة الخادم بكفاءة أكبر مقارنة بالهواء وحده. إلا أنه لا يلغي تلقائيًا الحاجة إلى المراوح أو تبريد الغرفة. فقد تستمر ذاكرة الخادم ومصادر الطاقة وأجهزة التخزين والمكونات الأخرى في إطلاق الحرارة في الهواء ما لم يتم تصميم منصة الخادم بطريقة مختلفة.

عند تصميم الدائرة السائلة، يجب تحديد ما يلي:

• تدفق سائل التبريد المطلوب لكل رف وفرع
• القيم المستهدفة لدرجة حرارة الإمداد والعودة
• درجة حرارة المدخل للمبادل الحراري في وحدة CDU
• رأس المضخة عبر الألواح المبردة، والخراطيم، والمشعبات، والمرشحات، والصمامات
• استراتيجية التكرار للمضخات ووحدات التحكم الرقمية (CDUs)
• متطلبات جودة المياه والترشيح وتوافق المواد
• إجراءات الكشف عن التسربات وعزلها

5. التبريد بالغمر

في نظام التبريد بالغمر، تُوضع الخوادم في خزان مملوء بسائل عازل كهربائي. ويقوم هذا السائل بامتصاص الحرارة من مكونات الخادم مباشرةً. أما الأنظمة أحادية الطور، فتعمل على تدوير السائل عبر مبادل حراري.

تستخدم الأنظمة ثنائية الطور سائلًا يغلي عند درجة حرارة محددة ويتكثف مع التخلص من الحرارة.

يمكن لتقنية الغمر أن تتحمل أحمال حرارية عالية مع تقليل الاعتماد على مراوح الخوادم. كما أنها تغير النموذج المادي والتشغيلي لمركز البيانات. ومن الضروري إعادة النظر في إجراءات صيانة الخوادم، وتصميم الرفوف، ومعدات الرفع، ومعالجة السوائل، وتوافق الأجهزة، وتدريب الفنيين.

غمر و LiquidStack قدم أمثلة على منصات التبريد بالغمر المتوفرة تجاريًا. يُفضل تقييم هذه الأنظمة باعتبارها بيئات تشغيل كاملة، وليس كبديل لوحدات تكييف الهواء الفردية.

أين يمكن استخدام التبريد الحر والتبريد التبخيري والمبردات

لا تشير جميع مصطلحات التبريد إلى نفس الطبقة في النظام. فمصطلحا «التبريد المباشر للرقاقة» و«التبريد بالغمر» يصفان كيفية تجميع الحرارة من معدات تكنولوجيا المعلومات، بينما تصف مصطلحات «المبردات» و«المبردات الجافة» و«أبراج التبريد» و«الموفرات الحرارية» كيفية التخلص من الحرارة خارج المنشأة.

قد تعمل محطة المياه المبردة على تزويد وحدات التكييف المركزي (CRAHs) أو الوحدات المثبتة في الصفوف أو وحدات التبريد المركزية (CDUs) أو المبادلات الحرارية المثبتة على الباب الخلفي. في المناخات الأكثر برودة، يمكن للموفّر الحراري المائي أو المبرد الجاف التخلص من الحرارة دون تشغيل الضواغط خلال جزء من السنة. يمكن للمعدات التبخيرية أو الأدياباتيكية أن تقلل من استهلاك الطاقة، لكنها تثير اعتبارات تتعلق باستهلاك المياه ومعالجتها.

هذا التمييز مهم أثناء عملية الشراء. فقد يستخدم المشروع التبريد السائل على مستوى الرف، مع الاستمرار في الاعتماد على محطة مياه مبردة تقليدية تقع خارج قاعة البيانات.

كيفية اختيار البنية المناسبة

ابدأ بالأحمال الحرارية المقاسة والمتوقعة للرفوف، لا بالمتوسط المفترض للمبنى بأكمله. حدد مواقع الرفوف التي ستستضيف مسرعات الذكاء الاصطناعي، والجدول الزمني للنمو المتوقع، ومتطلبات التكرار لكل منطقة تبريد.

ثم راجع قيود المنشأة:

1. التأكد من السعة الكهربائية المتاحة، وسعة الماء المبرد، وسعة التخلص من الحرارة.
2. تحديد ما إذا كان من الممكن توجيه أنابيب السوائل بأمان إلى المساحة البيضاء.
3. تحقق من درجات حرارة المياه ومعدلات التدفق المطلوبة من قبل مورد المعدات التقنية أو وحدة توزيع الطاقة (CDU).
4. احسب انخفاض الضغط عبر الدائرة الهيدروليكية بأكملها.
5. تحديد إجراءات الوصول لأغراض الصيانة، والعزل، والترشيح، والاستجابة للتسربات.
6. حدد الأحمال الهوائية المتبقية بعد تركيب نظام التبريد السائل.

في حالة البيئات المختلطة، غالبًا ما يكون التصميم الهجين هو الحل الأكثر عملية. يمكن أن تظل الحوامل التقليدية تعمل بنظام التبريد الهوائي على مستوى الغرفة، بينما تستخدم حوامل الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة نظام التبريد المباشر (D2C) ووحدات توزيع التبريد (CDUs). ويمكن استخدام وحدات RDHx في مناطق محددة خاضعة للتحديث.

يتجنب هذا النهج التدريجي فرض نموذج تشغيل واحد على جميع الحوامل.

اعتبارات تتعلق بالمضخات في مراكز البيانات المبردة بالسوائل

تُعد المضخات حلقة الوصل بين استراتيجية التبريد والأداء الفعلي. وقد تعمل مضخات مياه المنشأة على تغذية فروع المياه المبردة أو وحدات التبريد المركزية (CDUs). أما المضخات الثانوية، فقد تعمل على تدوير سائل التبريد عبر الألواح الباردة والمشعبات والمبادلات الحرارية.

ينبغي حساب نقاط التشغيل الخاصة بها استنادًا إلى الطلب الفعلي على التدفق والارتفاع الديناميكي الإجمالي.

لضمان التشغيل المستقر، يجب مراجعة نظام التكرار في المضخات، والتحكم في السرعة المتغيرة، وحدود التدفق الأدنى، وهامش NPSH، وتوافق المواد ومواد الإحكام، والترشيح، وإمكانية الوصول للصيانة. يمكن أن تساعد محركات التردد المتغير في مواءمة التدفق مع الأحمال المتغيرة لأنظمة تكنولوجيا المعلومات، ولكن يجب أن يمنع تسلسل التحكم حدوث حالات انخفاض التدفق في الفروع الحيوية.

الأسئلة الشائعة

ما هو النوع الأكثر شيوعًا من أنظمة تبريد مراكز البيانات؟

لا يزال التبريد الهوائي على مستوى الغرفة باستخدام وحدات CRAC أو CRAH شائعًا لأنه يدعم أجهزة الخوادم القياسية وممارسات الصيانة المتبعة. وتستخدم المناطق ذات الكثافة العالية بشكل متزايد أنظمة التبريد المقترنة أو أنظمة التبريد السائل جنبًا إلى جنب مع ذلك.

هل التبريد السائل أفضل دائمًا من التبريد الهوائي؟

لا. يُعد التبريد السائل خيارًا مفيدًا عندما تبرر الكثافة الحرارية أو كفاءة الطاقة أو قيود المساحة المطلوبة استخدام الأنابيب وأجهزة التحكم الإضافية. وقد يظل التبريد الهوائي هو الخيار الأبسط والأكثر اقتصادية بالنسبة للحوامل التقليدية.

هل يؤدي التبريد المباشر على الرقاقة إلى الاستغناء عن تكييف الهواء؟

عادةً لا. فاللوحات المبردة تستهدف المكونات الأكثر سخونة، في حين أن مكونات الخادم الأخرى لا تزال قادرة على التخلص من الحرارة في الهواء. وينبغي حساب الاحتياجات المتبقية من التبريد الهوائي وفقًا للأجهزة المختارة.

ما الفرق بين وحدة CDU ووحدة التبريد؟

تقوم وحدة التبريد المركزية (CDU) بنقل الحرارة بين دائرة التبريد التقنية ودائرة مياه المنشأة، مع التحكم في تدفق سائل التبريد وظروفه. أما المبرد فيقوم بإزالة الحرارة من الماء من خلال دورة التبريد. وتستخدم بعض التصاميم وحدات التبريد المركزية (CDU) دون الاعتماد على التبريد القائم على الضاغط على مدار العام.

هل يمكن ترقية مركز بيانات قائم ليتوافق مع نظام التبريد السائل؟

نعم، ولكن يجب تقييم عملية التحديث بعناية. يجب مراجعة مسارات الأنابيب، وأحمال الأرضيات، ودرجات حرارة المياه، وقدرة التخلص من الحرارة، وأداء المضخات، وأنظمة التحكم، والتكرار، وإجراءات الصيانة قبل اختيار المعدات.

الخاتمة

الأنواع الرئيسية لأنظمة تبريد مراكز البيانات لا تستبعد بعضها بعضًا. فالتبريد الهوائي، والتبريد المقترن عن قرب، والمبادلات الحرارية ذات الباب الخلفي، ودورات التبريد المباشرة إلى الرقاقة، ومنصات الغمر، كلها حلول لمشاكل مختلفة تتعلق بكثافة الحرارة والتشغيل.

يبدأ التصميم الأمثل بمسار إزالة الحرارة، وتوقعات الحمل على مستوى الرفوف، والقيود المفروضة على المنشأة. وبمجرد تحديد البنية، يتم تحديد أحجام المضخات ووحدات توزيع التبريد (CDUs) والأنابيب وأجهزة التحكم باعتبارها نظامًا هيدروليكيًا واحدًا. ويؤدي هذا التسلسل إلى وضع استراتيجية تبريد قادرة على التوسع بما يتناسب مع أحمال عمل الذكاء الاصطناعي دون إضافة تعقيدات غير ضرورية إلى كل رف.