ศูนย์ข้อมูลทําให้โปรเซสเซอร์เย็นลงที่อุณหภูมิสูงมากได้อย่างไร

บทนํา: เหตุใดการทําความเย็นจึงมีความสําคัญในศูนย์ข้อมูล

ศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่ทําหน้าที่เป็นหัวใจสําคัญของโครงสร้างพื้นฐานดิจิทัลทั่วโลก โดยประมวลผลคําขอนับพันล้านคําขอต่อวินาที โปรเซสเซอร์แต่ละตัวสร้างความร้อนสูงระหว่างการทํางาน และการสะสมที่ไม่สามารถควบคุมได้สามารถลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้มากถึง 50% และทําให้เกิดความล้มเหลวร้ายแรง

การระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของความสะดวกสบายแต่ก็เป็นสิ่งสําคัญในการรักษาความพร้อมในการให้บริการ ความล้มเหลวของความร้อนเพียงครั้งเดียวสามารถล้มเซิร์ฟเวอร์ทั้งหมดทําให้เกิดการสูญเสียหลายล้านดอลลาร์

ความท้าทายด้านความร้อน: ความหนาแน่นของพลังงานและการกระจายความร้อน

ศูนย์ข้อมูลทั่วไปจะรวมเซิร์ฟเวอร์หลายร้อยหรือหลายพันเครื่องไว้ในพื้นที่ที่ลดลง เซิร์ฟเวอร์ประสิทธิภาพสูงสามารถสร้างความร้อนได้ระหว่าง 500 ถึง 1,500 วัตต์ ในขณะที่ทั้งห้องสามารถเข้าถึงความหนาแน่น 10 ถึง 20 กิโลวัตต์ต่อตารางเมตร

โปรเซสเซอร์สมัยใหม่เช่น Intel Xeon และ AMD EPYC จําเป็นต้องทํางานระหว่าง 60 °C ถึง 80 °C เพื่อรักษาประสิทธิภาพสูงสุด การเอาชนะ 90 °C จะเปิดใช้งานกลไกการควบคุมปริมาณ ลดความเร็วของโปรเซสเซอร์ และส่งผลกระทบต่อปริมาณงานของศูนย์ข้อมูลทั้งหมด ในกรณีที่รุนแรง สูงกว่า 100 °C การปิดเครื่องอัตโนมัติเกิดขึ้นเพื่อป้องกัน

การกระจายที่ไม่เหมาะสมยังทําให้ต้นทุนการดําเนินงานเพิ่มขึ้นอุณหภูมิโดยรอบที่เพิ่มขึ้น 5 °Cแต่ละครั้งจะเพิ่มการใช้พลังงานในการทําความเย็นประมาณ 10% ทําให้เกิดวงจรอุบาทว์ที่ส่งผลต่ออัตรากําไรของผู้ให้บริการ

ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิม (CRAC/CRAH)

CRAC (เครื่องปรับอากาศห้องคอมพิวเตอร์) e CRAH (เครื่องจัดการอากาศในห้องคอมพิวเตอร์) ทํางานโดยการสร้างการแยกทางกายภาพระหว่างกระแสลมร้อนและลมเย็น โดยใช้การตั้งค่า เช่น ทางเดินร้อน/ทางเดินเย็น

ในโครงสร้างทางเดินร้อน/ทางเดินเย็นเซิร์ฟเวอร์จะถูกจัดเรียงเป็นแถวสลับกัน: แถวที่มีด้านหน้าหันหน้าไปทางทางเดินเย็น (ที่อากาศเย็นไหลเวียน) และแถวถัดไปที่ด้านหลังไปยังทางเดินร้อน (ที่อากาศร้อนถูกจับ) สิ่งนี้จะช่วยลดการผสมอากาศและเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด

อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้มีข้อจํากัด พวกเขาใช้พลังงานจํานวนมาก 40% ถึง 50% ของพลังงานทั้งหมดของศูนย์ข้อมูล และมีปัญหาในการจัดการกับความหนาแน่นของโปรเซสเซอร์ที่สูงเป็นพิเศษ

การระบายความร้อนด้วยของเหลว: โซลูชันประสิทธิภาพสูง

การระบายความร้อนด้วยของเหลว แทนที่จะเป็นอากาศ ของเหลว (น้ํากลั่น สารหล่อเย็นเฉพาะทาง หรือน้ํามันที่มีความหนืดต่ํา) จะไหลเวียนโดยตรงผ่านท่อที่ติดอยู่กับโปรเซสเซอร์ เพื่อดูดซับความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

มีสองแนวทางหลัก:

• การระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรง (Direct-to-Chip): ท่อเชื่อมต่อโดยตรงกับโปรเซสเซอร์ความร้อนจากระยะไกลที่จุดกําเนิดลดอุณหภูมิลง 10 ถึง 20 °Cเมื่อเทียบกับอากาศ
• การแช่: เซิร์ฟเวอร์ทั้งเครื่องจมอยู่ในของเหลวที่ไม่นําไฟฟ้า ทําให้มีความหนาแน่นสูงถึง 50 กิโลวัตต์ต่อตารางเมตร สูงกว่าอากาศแบบเดิม 3 ถึง 5 เท่า

บริษัทยักษ์ใหญ่ เช่น Meta, Google และ Microsoft ได้ใช้การทําความเย็นแบบจุ่มในพอร์ตการลงทุนของศูนย์ข้อมูลแล้ว ของเหลวจะดูดซับความร้อนทั้งหมดจากฮาร์ดแวร์ 'โปรเซสเซอร์, GPU, หน่วยความจํา, แหล่งจ่ายไฟ และ 'DO ช่วยลดความจําเป็นในการใช้พัดลมภายในและลดการใช้พลังงานลง มากถึง 40%

เทคนิคการกระจายความร้อนขั้นสูง

โรงแรมท่อความร้อน e เครื่องกระจายความร้อน ท่อความร้อนเป็นท่อทองแดงที่ปิดสนิทซึ่งมีของเหลวพิเศษที่เปลี่ยนแปลงระหว่างเฟสของเหลวและไอ ทําให้ขนส่งความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพอย่างยิ่ง

เดอะ เครื่องกระจายทองแดงและอลูมิเนียม พวกเขาเพิ่มพื้นที่สัมผัสของโปรเซสเซอร์กระจายความร้อนในปริมาณที่มากขึ้น โปรเซสเซอร์สมัยใหม่ใช้ความร้อนเพสต์นําไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง (ที่มีอนุภาคเงินหรือกราฟีน) ใช้ระหว่างชิปและเครื่องกระจายเพื่อให้มั่นใจว่าการถ่ายเทความร้อนสูงสุด

เครื่องทําความเย็น ฟรีคูลลิ่ง เป็นอีกกลยุทธ์หนึ่ง: ในช่วงที่มีอุณหภูมิแวดล้อมต่ํา (กลางคืน ฤดูหนาว) อากาศภายนอกตามธรรมชาติจะป้อนหม้อน้ําโดยไม่ต้องใช้คอมเพรสเซอร์เครื่องปรับอากาศ ศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ในเขตหนาว (ฟินแลนด์ ไอซ์แลนด์ นอร์เวย์) ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้เพื่อลดต้นทุน 60% ถึง 80% สําหรับส่วนใหญ่ของปี

การตรวจสอบแบบเรียลไทม์และระบบอัตโนมัติ

ระบบการจัดการความร้อนสมัยใหม่ใช้เซ็นเซอร์หลายร้อยตัวที่กระจายอยู่ทั่วแต่ละเซิร์ฟเวอร์และทางเดิน เซ็นเซอร์เหล่านี้จะวัดอุณหภูมิความชื้นสัมพัทธ์และการไหลเวียนของอากาศอย่างต่อเนื่องส่งข้อมูลไปยังแพลตฟอร์ม AI ที่ปรับความเร็วของพัดลมและคอมเพรสเซอร์แบบไดนามิก

อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องทํานายการเพิ่มขึ้นของโหลดและเพิ่มความสามารถในการทําความเย็นก่อนที่จะถึงอุณหภูมิที่สําคัญ สิ่งนี้จะป้องกันการควบคุมปริมาณโปรเซสเซอร์และทําให้มั่นใจได้ว่าการทํางานคงที่ที่ประสิทธิภาพสูงสุดศูนย์ข้อมูลบางแห่งยังใช้ โรงแรมตรวจจับจุดร้อน: หากพื้นที่เฉพาะถึง 85 °Cระบบจะกระจายโหลดการประมวลผลไปยังเซิร์ฟเวอร์ที่เย็นกว่าในบริเวณใกล้เคียงโดยอัตโนมัติ

ความซ้ําซ้อนเป็นข้อบังคับ 'ความล้มเหลวของระบบระบายความร้อนไม่สามารถทําให้ศูนย์ข้อมูลลดลงได้ ดังนั้นหน่วย CRAC หอทําความเย็นและระบบสํารองข้อมูลหลายหน่วยที่มีเครื่องกําเนิดไฟฟ้าทํางานแบบขนาน หน่วยใด ๆ ที่ล้มเหลวจะถูกปิดใช้งานโดยอัตโนมัติและโหลดของมันจะถูกกระจายระหว่างหน่วยปฏิบัติการ

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพ: PUE และการประหยัดต้นทุน

PUE (ประสิทธิผลการใช้พลังงาน) เป็นเมตริกมาตรฐาน: อัตราส่วนระหว่างการใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูลทั้งหมดและการใช้อุปกรณ์ไอที PUE ในอุดมคติคือ 1.0 (แต่ละจูลไปที่ไอที) ในทางปฏิบัติศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่จะสูงถึง 1.2 ถึง 1.4 μ หมายความว่าทุกๆ 100 วัตต์บนเซิร์ฟเวอร์ 20 ถึง 40 วัตต์จะไปที่การทําความเย็นแสงสว่างและการกระจาย

Google ลด PUE เหลือ 1.08 ในศูนย์ข้อมูลที่มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยใช้การผสมผสานระหว่างการทําความเย็นด้วยของเหลว การทําความเย็นแบบอิสระ และ AI Meta รายงาน PUE จาก 1.1 เป็น 1.13 ในการติดตั้งล่าสุด การลด PUE แต่ละ 0.1 ครั้งจะช่วยประหยัดไฟฟ้าได้หลายล้านดอลลาร์ต่อปีสําหรับผู้ปฏิบัติงานที่ใช้พลังงานหลายร้อยเมกะวัตต์

ต้นทุนพลังงานคิดเป็น 30% ถึง 40% ของค่าใช้จ่ายในการดําเนินงานของศูนย์ข้อมูล การเพิ่มประสิทธิภาพการทําความเย็นจึงเป็นคันโยกที่ใหญ่ที่สุดสําหรับความสามารถในการทํากําไร การลงทุนในระบบขั้นสูงมีค่าใช้จ่ายมากขึ้นในขั้นต้น (การปรับปรุงการทําความเย็นแบบแช่อาจมีค่าใช้จ่าย 2-5 ล้านดอลลาร์ต่อการติดตั้ง) แต่รับประกันผลตอบแทนใน 3-5 ปี