डेटा सेंटरों के लिए कुशल तरल शीतलन प्रणालियों का डिज़ाइन

 

I डेटा सेंटर कूलिंग सिस्टम के घटक

 

आईटी उपकरणों द्वारा खपत की जाने वाली अधिकांश विद्युत ऊर्जा अपशिष्ट ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि आईटी उपकरण उचित तापमान सीमा के भीतर काम करते हैं, डेटा सेंटर कूलिंग और हीट डिसिपेशन सिस्टम से लैस होते हैं, जिसमें चिलर, कूलिंग टावर और प्रेसिजन एयर कंडीशनिंग यूनिट शामिल हैं, जो डेटा सेंटर से अपशिष्ट ऊष्मा को हटाते हैं। ऊष्मा हस्तांतरण प्रक्रिया को चित्र 1 में दर्शाया गया है। मुख्य ऊर्जा खपत बिंदुओं में चिलर, कूलिंग टावर, पंप और प्रेसिजन एयर कंडीशनिंग यूनिट शामिल हैं।

 

▲ चित्र 1: डेटा सेंटर में ऊष्मा स्थानांतरण

 

वर्तमान में, डेटा केंद्रों में प्राथमिक ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम वायु या जल है। 1.004 kJ/(KgK) की स्थिर दाब विशिष्ट ऊष्मा क्षमता और 4200 kJ/(KgK) की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता वाले जल की ऊष्मा स्थानांतरण क्षमता वायु से लगभग 1,000 गुना अधिक होती है। इसलिए, शीतलन माध्यम के रूप में जल का उपयोग शीतलन प्रणालियों के डिजाइन में एक प्रभावी ऊर्जा-बचत विधि है। शीतलन प्रणालियों की ऊर्जा दक्षता में सुधार करने के लिए, ऊष्मा को पकड़ने और स्थानांतरित करने के लिए उच्च दक्षता वाले रेडिएटर और सटीक वायु वितरण जैसे उपायों का उपयोग किया जाता है।

 

प्रेसिजन एयर कंडीशनिंग में, कूलिंग रूम-लेवल से मॉड्यूलर डेटा रूम और रैक-लेवल कूलिंग में विकसित हुई है, जो गर्मी स्रोत के करीब पहुंचती है और कूलेंट ट्रांसपोर्ट में ऊर्जा की खपत को कम करती है। कूलिंग स्रोतों की पीढ़ी एयर कूलिंग से वाटर कूलिंग और प्राकृतिक कूलिंग तक आगे बढ़ी है, जिससे बाहरी गर्मी हस्तांतरण दक्षता में वृद्धि हुई है।

 

 

पारंपरिक शीतलन प्रणालियों में सटीक एयर कंडीशनिंग, चिलर और कूलिंग टावरों के लिए स्वतंत्र नियंत्रण प्रणाली और संचालन रणनीतियाँ होती हैं, जो स्थानीय स्तर पर दक्षता को अनुकूलित करती हैं। हालाँकि, समग्र शीतलन दक्षता में अभी भी सुधार की आवश्यकता है।

 

ऊष्मा संग्रहण, शीतलन स्रोत तैयारी और बाह्य ऊष्मा स्थानांतरण के अंत-से-अंत प्रबंधन और सटीक नियंत्रण द्वारा व्यवस्थित सुधार प्राप्त किया जा सकता है, जिससे शीतलन प्रणाली की बिजली खपत कम हो जाती है।

 

 

II एंड-टू-एंड लिक्विड कूलिंग सिस्टम डिज़ाइन

 

1. बोर्ड-स्तरीय लिक्विड कूलिंग डिज़ाइन

कंप्यूटिंग पावर की मांग में तेजी से वृद्धि के साथ, CPU और GPU का एकीकरण और बिजली की खपत में काफी वृद्धि हुई है, जिसमें सिंगल-चिप बिजली की खपत 300W तक पहुंच गई है। पारंपरिक चिप हीट सिंक और एयर कूलिंग समाधानों में कूलिंग की अड़चनें आई हैं। चूंकि चिप ही गर्मी का स्रोत है, इसलिए डेटा सेंटर कूलिंग सिस्टम के लिए प्राथमिक चुनौती चिप के भीतर से गर्मी को कुशलतापूर्वक निकालना है।

 

गर्मी अपव्यय के दृष्टिकोण से, चिप द्वारा उत्पन्न गर्मी को पहले बोर्ड-स्तरीय हीट सिंक में स्थानांतरित किया जाना चाहिए। अधिक कुशल हीट सिंक समाधान बेहतर गर्मी संग्रह की सुविधा प्रदान करेंगे।

 

200W से कम बिजली खपत वाले एकल चिप्स और 20kW प्रति रैक से कम बिजली खपत वाले IT उपकरणों के लिए, हवा को हीट ट्रांसफर माध्यम के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। हीट पाइप हीटसिंक और वाष्प कक्ष (VC) हीटसिंक, उच्च तापीय चालकता TIM सामग्रियों (जैसे ग्रेफाइट शीट/ग्रेफीन) के साथ मिलकर, चिप और हीटसिंक बेस के बीच थर्मल प्रतिरोध को प्रभावी ढंग से कम करते हैं, जिससे हीटसिंक की दक्षता में सुधार होता है।

 

200W से अधिक बिजली खपत वाले एकल चिप्स और 20kW प्रति रैक से अधिक बिजली खपत वाले IT उपकरणों के लिए, गर्मी हस्तांतरण माध्यम के रूप में हवा अब पर्याप्त नहीं है, और ठंडा करने के लिए तरल शीतलक का उपयोग किया जाना चाहिए। लिक्विड-कूल्ड कोल्ड प्लेट तकनीक वर्तमान में बोर्ड-स्तरीय चिप कूलिंग के लिए एक परिपक्व समाधान है। एक लिक्विड-कूल्ड कोल्ड प्लेट में इनलेट और आउटलेट कनेक्टर, एक ऊपरी कवर और एक बेस प्लेट होती है, जो एक सीलबंद लिक्विड हीट एक्सचेंज चैंबर बनाने के लिए वैक्यूम ब्रेज़िंग द्वारा जुड़ी होती हैं। चैंबर में वितरण कक्ष और विभिन्न चौड़ाई के प्रवाह चैनल शामिल हैं, जो द्रव प्रवाह को नियंत्रित करते हैं और अशांति को बढ़ाते हैं, स्थानीय शीतलन क्षमताओं को बढ़ाते हैं और उच्च-शक्ति चिप्स के कारण होने वाले हॉट स्पॉट को खत्म करते हैं। आंतरिक संरचना चित्र 2 में दिखाई गई है।

 

▲ चित्र 2: द्रव-शीतित शीत प्लेट का क्रॉस-सेक्शन

 

एक ही रैक के भीतर विभिन्न प्रकार के बोर्ड में अलग-अलग पावर लेवल और हॉट स्पॉट होते हैं, लेकिन लिक्विड सप्लाई लाइन के इनलेट कनेक्टर पर सप्लाई प्रेशर आम तौर पर एक जैसा होता है, जिसके लिए थ्रॉटलिंग को नियंत्रित करने के लिए कोल्ड प्लेट के डिस्ट्रीब्यूशन चैंबर की आवश्यकता होती है। कम चिप पावर खपत वाले बोर्ड के लिए, थ्रॉटलिंग कूलेंट के प्रवाह को कम करता है। व्यवहार में, लिक्विड-कूल्ड कोल्ड प्लेट सीपीयू, मेमोरी और अन्य उच्च-शक्ति घटकों को कवर करती हैं, लेकिन प्रतिरोधक और कैपेसिटर जैसे घटक, जो कवर नहीं होते हैं, अवशिष्ट गर्मी उत्पन्न करते हैं जिसके लिए पंखे से कूलिंग की आवश्यकता होती है। इसके परिणामस्वरूप सिस्टम के भीतर लिक्विड और एयर कूलिंग का संयोजन होता है, जिससे कूलिंग दक्षता में सुधार की गुंजाइश रहती है।

 

कोल्ड प्लेट डिज़ाइन के दौरान सभी घटकों को कवर करने के लिए TIM सामग्रियों का उपयोग करके, तकनीकी रूप से 100% तरल शीतलन प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन इससे कोल्ड प्लेट की लागत और जटिलता बढ़ जाती है। कुशल शीतलन का पीछा करते समय, प्रारंभिक लागत निवेश पर भी विचार किया जाना चाहिए। यदि नोड बोर्ड के प्रकार एक समान हैं, तो पूरी तरह से कवर किए गए बोर्ड पर विचार किया जा सकता है, जिसमें उत्पादन को बढ़ाकर प्रारंभिक लागतों की भरपाई की जाती है, जिससे ऊर्जा बचत और निवेश के बीच संतुलन प्राप्त होता है।

 

 

विआयनीकृत जल का उपयोग आमतौर पर तरल शीतलन में शीतलक के रूप में किया जाता है, क्योंकि इसकी विशिष्ट ऊष्मा क्षमता अधिक होती है, जिससे यह तेजी से ऊष्मा को अवशोषित करता है और संक्षारक नहीं होता है, जिससे पाइपलाइन की विश्वसनीयता प्रभावित नहीं होती है। कोल्ड प्लेट लिक्विड कूलिंग अप्रत्यक्ष है, जिसमें चिप सीधे लिक्विड कूलेंट से संपर्क नहीं करती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च विश्वसनीयता और परिपक्व तकनीक प्राप्त होती है।

 

हालांकि, चिप और लिक्विड कूलेंट के बीच थर्मल प्रतिरोध मौजूद है, जिसके कारण कुछ निर्माता इमर्शन कूलिंग समाधानों को बढ़ावा दे रहे हैं। इमर्शन कूलिंग में, आईटी उपकरण परिसंचारी तरल में डूबे रहते हैं, चिप सीधे कूलेंट से संपर्क करती है, जिससे थर्मल प्रतिरोध कम हो जाता है जबकि अधिक गर्मी को हटाने के लिए चरण परिवर्तन का लाभ उठाया जाता है, जिससे यह लिक्विड कूलिंग में एक नया हॉटस्पॉट बन जाता है। फ्लोरीनेटेड लिक्विड का इस्तेमाल आम तौर पर इमर्शन कूलिंग में कूलेंट के रूप में किया जाता है, लेकिन उनकी उच्च लागत बड़े पैमाने पर व्यावसायिक उपयोग में बाधा है।

 

2. रैक-स्तर तरल शीतलन

डेटा सेंटर में, आईटी उपकरण रैक द्वारा व्यवस्थित किए जाते हैं, जिसमें सर्वर, स्टोरेज डिवाइस और नेटवर्क स्विच जैसे डेटा सेंटर सूचना उपकरण रखे जाते हैं। जबकि बोर्ड-लेवल कूलिंग व्यक्तिगत आईटी डिवाइस से गर्मी को हटाती है, रैक-लेवल कूलिंग गर्मी को इकट्ठा करती है और बाहर स्थानांतरित करती है। रैक-लेवल लिक्विड कूलिंग में मुख्य घटकों में इनलेट और आउटलेट मैनिफोल्ड, मॉनिटरिंग यूनिट, तापमान सेंसर, सोलनॉइड वाल्व और चेक वाल्व शामिल हैं, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।

 

▲ चित्र 3: रैक-स्तरीय तरल शीतलन विन्यास

 

मैनीफोल्ड बाह्य रूप से कक्ष-स्तरीय द्रव शीतलन वितरण इकाई से जुड़ता है और आंतरिक रूप से त्वरित कनेक्टरों के माध्यम से द्रव-शीतित शीत प्लेट के इनलेट और आउटलेट कनेक्टरों से जुड़ता है, जिससे रैक के बाहर सिस्टम ताप का स्थानांतरण सुगम हो जाता है।

सोलेनोइड वाल्व और चेक वाल्व का मुख्य कार्य तरल के प्रवाह को नियंत्रित करना और रिसाव की स्थिति में विफलता की सीमा को एकल रैक तक सीमित करना है।

 

तापमान सेंसर की प्राथमिक भूमिका इनलेट और आउटलेट पानी के तापमान की निरंतर निगरानी करना है। इनलेट और आउटलेट पानी के बीच तापमान के अंतर का उपयोग करके, यह सोलनॉइड वाल्व के खुलने को नियंत्रित करता है, जिससे पानी के प्रवाह को नियंत्रित किया जाता है और यह सुनिश्चित किया जाता है कि गर्मी और प्रवाह का मिलान हो।

तरल शीतलन प्रणाली कार्यशील तरल पदार्थ के रूप में विआयनीकृत जल का उपयोग करती है, जो सैद्धांतिक रूप से शॉर्ट सर्किट का कारण नहीं बनेगी।

 

हालाँकि, सर्किट बोर्ड या इलेक्ट्रॉनिक घटकों में अक्सर धूल के कण होते हैं, और जब विआयनीकृत पानी सर्किट बोर्ड के संपर्क में आता है, तो यह शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकता है। यह लिक्विड कूलिंग के कार्यान्वयन में प्रमुख बाधाओं और चिंताओं में से एक है। कोल्ड प्लेट लीकेज की समस्या को हल करने के लिए, गुणवत्ता नियंत्रण, माइक्रो-लीकेज मॉनिटरिंग और अचानक बड़े लीक की रोकथाम जैसे उपायों को नियोजित किया जाता है।

 

गुणवत्ता नियंत्रण को उत्पादन और स्थापना अनुप्रयोग चरणों में विभाजित किया जाता है। उत्पादन चरण में, प्रक्रिया विश्वसनीयता सुनिश्चित की जाती है, 100% कोल्ड प्लेट्स दबाव परीक्षण से गुजरती हैं, और यादृच्छिक नमूनाकरण और दोष का पता लगाने के लिए अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया जाता है। प्रभावी सम्मिलन और दीर्घकालिक विश्वसनीयता के लिए त्वरित-कनेक्ट फिटिंग को मान्य किया जाना चाहिए। स्थापना अनुप्रयोग चरण में, त्वरित-कनेक्ट फिटिंग, स्प्रिंग जाम या रबर रिंग विफलताओं में रुकावट पैदा करने वाली अशुद्धियों को रोकने के लिए स्थापना से पहले द्वितीयक पाइपिंग को साफ किया जाना चाहिए, जिससे संचालन के दौरान रिसाव को रोका जा सके। उपरोक्त उपायों का उद्देश्य रिसाव को यथासंभव रोकना है।

 

 

यदि किसी कोल्ड प्लेट में सूक्ष्म रिसाव होता है, तो इसका पता लगाया जाना चाहिए और रखरखाव कर्मियों को इसे तुरंत ठीक करने के लिए संकेत देने के लिए अलार्म बजाना चाहिए। पता लगाने के दो तरीके हैं: एक है पानी के विसर्जन सेंसर का उपयोग करना, जिसे ड्रिप ट्रे पर लगाया जाता है। ड्रिप ट्रे का मुख्य कार्य रिसाव का पता लगाना और तरल को रैक के बाहर लीक होने से रोकना है, जिससे दोषों का प्रसार कम होता है।

 

हालांकि जल विसर्जन सेंसर का पता लगाना परिपक्व और विश्वसनीय है, लेकिन इसके लिए हार्डवेयर बोर्ड और रैक फिटिंग के साथ बहने के बाद ड्रिप ट्रे में लीक होने वाले तरल पदार्थ को जमा करना आवश्यक है, जिस समय तक लीक हुए तरल पदार्थ की कुल मात्रा काफी हो सकती है और प्रवाह के दौरान बोर्ड और घटकों को पहले ही क्षतिग्रस्त कर सकती है।

 

दूसरी विधि वास्तविक समय की निगरानी है। कम क्वथनांक वाला एक ट्रेसर पदार्थ कार्यशील द्रव में मिलाया जाता है, और रिसाव की स्थिति में, बोर्ड में निर्मित एक गैस सेंसर इसका पता लगाता है। बड़े पैमाने पर अचानक रिसाव दुर्लभ है लेकिन अत्यधिक प्रभावशाली है। ऐसी घटनाओं को रोकने के लिए, रैक पर मैनिफोल्ड के इनलेट और आउटलेट पर चेक वाल्व लगाए जाते हैं। जब कोई महत्वपूर्ण दबाव अंतर का पता चलता है तो ये चेक वाल्व स्वचालित रूप से बंद हो जाते हैं।

 

3. कमरे के स्तर पर तरल शीतलन डिजाइन

कमरे के स्तर पर कूलिंग को रैक से निकाली गई गर्मी को बाहर की ओर स्थानांतरित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। कमरे के स्तर पर लिक्विड कूलिंग समाधान में लिक्विड-कूल्ड मॉड्यूलर डेटा रूम, चिलर, वॉटर पंप, कूलिंग टावर, पाइपिंग और बहुत कुछ शामिल है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।

 

▲ चित्र 4: कक्ष-स्तरीय तरल शीतलन विन्यास

 

आमतौर पर, एक लिक्विड-कूल्ड मॉड्यूलर डेटा रूम में दो बैकअप लिक्विड कूलिंग डिस्ट्रीब्यूशन यूनिट (सीडीयू), 10-20 आईटी रैक, 1-2 पंक्ति-स्तरीय एयर कंडीशनर और बिजली आपूर्ति उपकरण होते हैं, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।

 

लिक्विड कूलिंग डिस्ट्रीब्यूशन यूनिट (CDU) IT लिक्विड-कूल्ड रैक के बीच कार्यशील द्रव को वितरित करने, सेकेंडरी-साइड फ्लो डिस्ट्रीब्यूशन, प्रेशर कंट्रोल, फिजिकल आइसोलेशन और एंटी-कंडेनसेशन फंक्शन प्रदान करने के लिए जिम्मेदार है। वास्तविक संचालन के दौरान, CDU IT लिक्विड-कूल्ड रैक को कूलिंग वॉटर का एक निश्चित प्रवाह और तापमान प्रदान करता है, जो मैनिफोल्ड के माध्यम से लिक्विड-कूल्ड कोल्ड प्लेट्स में प्रवेश करता है, प्रोसेसर और प्रमुख घटकों द्वारा उत्पन्न गर्मी को हटाता है, और गर्म कूलिंग वॉटर को CDU की इंटरमीडिएट हीट एक्सचेंज यूनिट में वापस करता है। फिर गर्मी को आउटडोर रिटर्न वॉटर पाइपलाइन में छोड़ा जाता है, और गर्मी के इस हिस्से को चिलर या ड्राई कूलर के माध्यम से बाहरी वातावरण में डिस्चार्ज किया जाता है, जिससे लिक्विड-कूल्ड सर्वर के लिए हीट मैनेजमेंट प्रक्रिया पूरी हो जाती है।

 

CDU तरल-शीतित ठंडी प्लेटों में प्रवेश करने वाले शीतलक के तापमान और प्रवाह को नियंत्रित करता है, जिससे IT रैक को शीतलन प्रदान किया जाता है और शीतलन शक्ति वितरित की जाती है। आंतरिक ताप विनिमय इकाई मॉड्यूलर डेटा रूम और बाहरी वातावरण के बीच तरल आपूर्ति सर्किट को अलग करने में भी भूमिका निभाती है। अपनी महत्वपूर्ण भूमिका के कारण, CDU आमतौर पर 1+1 अतिरेक विन्यास को नियोजित करता है। CDU इनलेट और आउटलेट पानी के तापमान और आपूर्ति दबाव का पता लगाकर और आपूर्ति जल पंप की गति को समायोजित करके तरल शीतलक के प्रवाह को नियंत्रित करता है।

 

 

वर्तमान में, अधिकांश CDU नियंत्रण प्रणालियाँ रैक के भीतर तापमान सेंसर से लिंक नहीं होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अपेक्षाकृत मोटा नियंत्रण होता है। इस समस्या को हल करने के लिए, कुछ अनुप्रयोगों ने केंद्रीकृत CDU को वितरित CDU से बदल दिया है, जिन्हें रैक में एकीकृत किया गया है। इस तरह, CDU प्रवाह समायोजन पूरी तरह से रैक की परिचालन स्थिति और बिजली की खपत में उतार-चढ़ाव पर आधारित होते हैं। केंद्रीकृत CDU बड़ी संख्या में लिक्विड-कूल्ड रैक वाले परिदृश्यों के लिए उपयुक्त हैं जिन्हें मॉड्यूलर डेटा रूम में समेकित किया जा सकता है, जबकि वितरित CDU केवल 2-3 लिक्विड-कूल्ड रैक वाली स्थितियों के लिए बेहतर अनुकूल हैं, जिससे तैनाती आसान हो जाती है।

 

 

तृतीय निष्कर्ष

 

दोहरे कार्बन लक्ष्यों के मार्गदर्शन में, डेटा सेंटर एक दोहरा मिशन निभाते हैं: एक तरफ, गहन और बड़े पैमाने पर संचालन के माध्यम से, वे डिजिटल अर्थव्यवस्था के लिए पर्याप्त कंप्यूटिंग शक्ति प्रदान करते हैं। डेटा सेंटर कंप्यूटिंग पावर की दक्षता से प्रेरित उच्च घनत्व वाले रैक और उच्च शक्ति वाले चिप्स के व्यापक अनुप्रयोग ने पारंपरिक एयर कूलिंग को अड़चनों का सामना करने के लिए मजबूर किया है। दूसरी ओर, उच्च दक्षता वाले हीट एक्सचेंजर्स, लिक्विड कूलिंग और ड्राई कूलर से प्राकृतिक कूलिंग का उपयोग करके, डेटा सेंटर अपनी ऊर्जा खपत को कम कर सकते हैं।

 

लिक्विड कूलिंग अपनाने के बाद, कूलिंग दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है, कूलिंग सिस्टम की ऊर्जा खपत 37% से घटकर लगभग 10% रह जाती है, जिसके परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण ऊर्जा बचत और कार्बन में कमी आती है। अगर देश भर में नवनिर्मित 50% डेटा सेंटर लिक्विड कूलिंग अपनाते हैं, तो सालाना 45 बिलियन kWh बिजली की बचत हो सकती है और 3 मिलियन टन CO की बचत हो सकती है₂ उत्सर्जन को कम किया जा सकता है।