Шаровые краны для жидкостного охлаждения-к-чипу: объяснение требований к управлению потоком

Когда инженер центра обработки данных выбирает охлаждающее оборудование для стойки графического процессора мощностью 100 кВт, разговор обычно начинается с охлаждающих пластин, блоков CDU и компоновки коллекторов. Клапаны — это второстепенная мысль, пока что-то не пойдет не так. Одна неправильно настроенная точка изоляции может привести к полному отключению стойки во время периода технического обслуживания. Клапан, который не может достаточно быстро отреагировать на утечку, может истощить ускорители на сумму 300 000 долларов. А компонент управления потоком-, рассчитанный на систему HVAC здания, создаст дисбаланс давления, который снижает производительность чипа в течение нескольких дней после ввода в эксплуатацию.

Жидкостное охлаждение с прямым-к-чипу (D2C) -, при котором охлаждающая жидкость циркулирует непосредственно через охлаждающие пластины, установленные на процессорах, графических процессорах и модулях памяти -, превратилось из нишевой практики в массовую необходимость. Одиночные чипы-ускорители теперь рассеивают до 1200 Вт тепла, а плотность-на уровне стойки обычно достигает 60–200 кВт. Воздушное охлаждение не может идти в ногу с этими цифрами. Но замена вентиляторов жидкостными контурами означает внедрение новой категории прецизионных механических компонентов в среду, которая раньше была сухой. Правильный выбор клапана не является обязательным. Ошибка стоит дорого.

В этой статье объясняется, чего на самом деле требуют системы охлаждения D2C от шаровых кранов, с разбивкой по функциональной роли, и преобразуются эти требования в конкретные критерии спецификации для инженеров и групп закупок.

 

Система CDU с жидкостным охлаждением ЦОД

 

Как устроены контуры охлаждения D2C

Прежде чем приступить к рассмотрению требований к клапанам, полезно понять, где находятся клапаны в системе D2C.

Блок распределения охлаждения (CDU) действует как теплообменник и насос в центре контура. Он забирает теплую возвратную воду из серверных стоек, обменивается теплом с охлажденной-водой, подаваемой на объект, и отправляет кондиционированную охлаждающую жидкость обратно через подающие коллекторы в каждую стойку. Внутри каждой стойки вторичный коллектор разветвляет поток на отдельные охлаждающие пластины. В каждой точке ответвления и соединения клапаны выполняют одну из четырех различных функций: изоляцию, переключение байпаса, модуляцию потока или аварийное отключение.

Каждая из этих функций имеет свои технические требования, и не каждая конструкция шарового крана удовлетворяет всем четырем.

 

Четыре функциональные роли и чего требует каждая

1. Изоляция для обслуживания и резервирования.

Наиболее распространенным применением шарового крана в системах D2C является изоляция уровня-стойки. Когда требуется замена серверного лотка или охлаждающая пластина дает течь, техническим специалистам необходимо сбросить давление и осушить эту ветвь, не отключая остальную часть контура.

Хорошо спроектированная архитектура изоляции размещает клапаны как на подающей, так и на обратной линиях соединения стойки-с-коллектором. Это не избыточность сама по себе. В патентах крупных операторов гипермасштабных систем описаны схемы изоляции с двумя-клапанами, в которых верхний и нижний шаровые краны работают независимо, каждый со своим собственным поддоном для утечек. Если верхний клапан выходит из строя, закрывается нижний. Датчик утечки внутри лотка связывается с системой управления зданием (BMS) для автоматического запуска вторичного закрытия без вмешательства человека.

Для этой роли критически важной спецификацией является полнопроходная-конструкция, то есть внутренний диаметр отверстия клапана соответствует диаметру трубы. Клапан с уменьшенным-проходным отверстием приводит к ненужному падению давления в каждой точке изоляции, а в стойке с 20 или более охлаждающими пластинами, работающими параллельно, это падение быстро увеличивается.

Технические требования к изоляции: полнопроходная-геометрия прохода, класс утечки VI (самый строгий отраслевой стандарт для клапанов с упругими-седелами), корпус из нержавеющей стали 316 для защиты от коррозии во влажных механических помещениях и срабатывание, интегрируемое с сигналами управления BMS.

2. Обход и переключение контура

A 3-ходовой фланцевый шаровой кранвыполняет одну из наиболее технически сложных задач в системах D2C: маршрутизацию охлаждающей жидкости между несколькими контурами в зависимости от условий эксплуатации.

В конфигурации естественного-охлаждения, где температура окружающей среды настолько низка, что механическое охлаждение не требуется, эта конфигурация перенаправляет поток приточного воздуха через байпасный контур, полностью обходя охладитель и экономя значительную энергию. В архитектурах с резервированием охлаждения второй порт перенаправляет поток между основным и резервным контурами охлаждения, если CDU отключается от сети.

Требуемая здесь точность выше, чем простая изоляция включения/выключения. Клапан должен поддерживать повторяемое соотношение между портами на протяжении тысяч рабочих циклов. Смещение положения даже на несколько градусов может изменить распределение охлаждающей жидкости настолько, что это повлияет на температуру перехода стружки. Это делает электрическое управление с обратной связью по положению более предпочтительным по сравнению с ручным управлением. Циклическая работа пневматического привода с интервалом в пол-секунды достаточна для экстренного реагирования, но механический износ накапливается быстрее в приложениях, требующих непрерывной модуляции.

Для работы в режиме байпаса и переключения-петли укажите клапан с характерной геометрией отверстия Т-порта или L-порта, электрический привод с управляющим входом 4–20 мА или 0–10 В постоянного тока и обратной связью по положению, подключенной обратно к контроллеру управления CDU.

 

3-ходовой фланцевый шаровой кран Leadtek

 

3. Стойка-Модуляция уровня потока

Не все стойки в центре обработки данных одновременно работают с одинаковой тепловой нагрузкой. Стойка с простаивающими серверами потребляет гораздо меньше тепла, чем та же стойка при полной нагрузке на обучение ИИ. Если поток охлаждающей жидкости фиксирован на максимальной скорости независимо от загрузки сервера, насосы круглосуточно потребляют энергию пропорционально наихудшему-сценарию.

Динамическое управление потоком решает эту проблему. Исследования Техасского университета в Арлингтоне продемонстрировали устройство управления потоком, использующее шаровой клапан с V-разрезом, соединенный с микросерводвигателем, модулирующее поток на уровне серверной стойки в зависимости от использования в-времени. В условиях простоя при заполненной стойке система достигла снижения энергии перекачки до 87%. При полной нагрузке клапан полностью открывается для обеспечения максимального расхода.

Шаровой кран с V-вырезом (или V-пазом) специально разработан для регулирования. В отличие от стандартного шара с полным-проходным отверстием, который фактически либо полностью открыт, либо полностью закрыт, V-паз создает равноценную-процентную характеристику потока: заданное приращение вращения клапана приводит к пропорциональному процентному изменению расхода, а не к абсолютному изменению. Это делает клапан совместимым с контурами ПИД-регулирования (пропорциональными-интегральными-дифференциальными), в которых контроллер непрерывно регулирует расход для поддержания заданного значения заданной температуры подачи.

4. Реагирование на утечки и аварийное отключение

Охлаждающая жидкость для электроники является основной проблемой, препятствующей более быстрому внедрению жидкостного охлаждения в центрах обработки данных. Современные системы D2C решают эту проблему с помощью автономной защиты: шаровых кранов с электромагнитным-приводом в сочетании с датчиками обнаружения утечек, которые прерывают поток в течение миллисекунд после обнаружения влаги в точке соединения.

При аварийном отключении скорость срабатывания и отказобезопасное поведение имеют большее значение, чем точность модуляции расхода. Пневматические приводы предпочтительнее, поскольку их цикл длится менее полсекунды и их можно настроить на пружинный-возврат в закрытое положение при потере управляющего сигнала. Такое поведение при отказе-закрытости защищает оборудование в случае отключения питания самой системы управления.

 

Преобразование ролей в спецификации

Большинство спецификаций клапанов для приложений D2C недостаточно конкретизированы, поскольку они скопированы из HVAC или общепромышленных шаблонов. Следующие критерии применяются конкретно к обязанностям D2C.

Материал:Корпус и отделка из нержавеющей стали 316 для совместимости с деионизированной водой, водно-гликолевыми смесями и агрессивной средой помещений с жидкостным-охлаждением. 304. Нержавеющая сталь приемлема для фитингов с низким-напряжением, но не рекомендуется для первичной изоляции.

Материал сиденья:ПТФЭ или TFM (модифицированный ПТФЭ с лучшей стабильностью размеров) для совместимости с обычными химическими составами охлаждающей жидкости D2C и долговременной-эффективности уплотнения при рабочем перепаде от 5 до 15 фунтов на квадратный дюйм, типичном окне давления в ответвлении стойки D2C.

Концевые соединения:Переход к санитарным трубкам в конструкциях современных серверных стоек означает, что для многих клапанов уровня стоек теперь требуются трехзажимные или аналогичные гигиенические концевые соединения, а не резьбовые NPT или фланцевые соединения. Конфигурация шарового крана из трех частей с тремя съемными частями корпуса позволяет заменять седло, не снимая клапан с линии, что является значительным преимуществом при обслуживании в плотных стойках, где доступ ограничен. Серия Leadtek, состоящая из трех-деталей, разработана с учетом именно этих требований к удобству эксплуатации, в ней используются прецизионные корпуса из нержавеющей стали 316, обработанные на станке с ЧПУ-, которые сохраняют точность размеров благодаря длительному термоциклированию.

Класс утечки:Класс VI по ANSI/FCI 70-2 – самый высокий стандарт герметичности, достижимый для четвертьоборотного шарового крана.

Цикл жизни:Центры обработки данных искусственного интеллекта работают непрерывно, а регулирующие клапаны в обходных схемах CDU могут включаться сотни раз в день. Минимальный цикл в 500 000 срабатываний для клапанов с электроприводом-является разумным минимальным уровнем закупок. Прежде чем принимать решение, сверьтесь с производителем и сверьте-с ожидаемой частотой управления BMS.

Интеграция BMS:Системы D2C контролируются системами управления зданием, которые контролируют температуру, поток и давление по всему объекту. Клапаны должны принимать стандартные аналоговые сигналы управления и возвращать обратную связь о положении по одному и тому же протоколу, чтобы обеспечить замкнутую-проверку того, что клапан действительно переместился в заданное положение.

 

Выбор конфигурации правого клапана по положению

Чем ширешаровой кран из нержавеющей сталиКатегория охватывает широкий диапазон конфигураций, и не каждая конфигурация подходит для каждой позиции в цикле D2C.

На первичном соединении CDU, где диаметры труб самые большие и давление самое высокое, для редкой изоляции обычно используются фланцевые шаровые краны с ручным-приводом в действие. На уровне коллектора стойки компактные корпуса, состоящие из 2-или 3-частей, с электрическими приводами более практичны, поскольку доступ к стойке ограничен. На уровне серверного лотка, где быстроразъемные соединения обеспечивают удобство обслуживания, сантехнические шаровые краны с тройными зажимами на концах становятся отраслевым стандартом.

Независимо от положения применяется один принцип выбора: авторитет клапана, который описывает, какую часть общего перепада давления в системе контролирует клапан, должен составлять не менее 50% падения давления в ответвлении. Клапаны с недостаточным авторитетом не могут эффективно модулировать, поскольку другие сопротивления системы доминируют в поведении потока.

Компания Leadtek Fluid, работающая на производственном предприятии площадью 37 000 квадратных метров в Цючжоу, провинция Чжэцзян, производит полный спектр конфигураций клапанов, используемых на всех уровнях системы D2C, от фланцевых изоляторов в CDU до сантехнических клапанов в ответвлении с холодными пластинами. Обладая более чем 30-летним опытом точного литья и обработки на станках с ЧПУ, сертификатами ISO 9001 и CE, а также 100 или более сертифицированными вариантами шаровых кранов, разработанными в результате собственных исследований и разработок, Leadtek поставляет системным интеграторам D2C и операторам центров обработки данных в более чем 80 странах.

 

Резюме и рекомендации к действию

Прямое-охлаждение-чипа не дает сбоя из-за плохой конструкции холодных пластин. Он терпит неудачу на уровне распределения, где дисбаланс давления, недостаточная изоляция и медленное реагирование на чрезвычайные ситуации превращают управляемые события в дорогостоящие инциденты.

Прежде чем опубликовать заказ на шаровые краны D2C, подтвердите следующее:

Полнопроходная-геометрия во всех точках изоляции, чтобы избежать увеличения перепадов давления.

Трех-конфигурация с обратной связью по положению в каждом положении переключения байпаса или контура-

Корпус из нержавеющей стали 316 и материал сиденья TFM на вторичном контуре стойки.

Срок службы проверен на соответствие ожидаемой частоте управления BMS

Класс утечки VI для любого клапана, работающего в непрерывном режиме.

Тип торцевого соединения соответствует стандарту трубок, используемому в стойке.

Получение этих спецификаций непосредственно перед установкой существенно дешевле, чем диагностика проблем дисбаланса потока после запуска серверов.

 

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между 2-ходовым и 3-ходовым фланцевым шаровым краном в системе охлаждения D2C?2-ходовой клапан имеет один вход и один выход и обеспечивает включение/выключение или модулирующее управление на одной линии. Трех-ходовая конструкция имеет три порта, что позволяет перенаправлять поток между двумя путями (порт T-) или смешивать потоки из двух источников (порт L-). В системах D2C эта конфигурация обслуживает контуры байпаса, резервное переключение и управление экономайзером естественного охлаждения.

Почему нержавеющая сталь 316 предпочтительнее стали 304 в контурах жидкостного охлаждения?Нержавеющая сталь 316 содержит молибден, который значительно повышает устойчивость к точечной и щелевой коррозии, вызванной хлоридами. Охлаждающая вода центра обработки данных, даже после химической обработки, подвергает внутренние детали клапана воздействию условий, с которыми 304 справляется адекватно в фитингах с низким-контактом, но менее надежно в седлах и корпусах с большим-циклом при постоянном потоке.

Как часто следует проверять шаровые краны в системе D2C?Ручные запорные клапаны, работающие только во время технического обслуживания, обычно требуют ежегодной проверки. Регулирующие клапаны с электрическим-приводом, работающие по команде BMS, должны соответствовать номинальному сроку службы-изготовителя, при этом проверка седла должна проводиться при 50 % номинального срока службы. Конструкция корпуса, состоящая из-частей, упрощает этот осмотр, поскольку корпус разделяется для доступа к сиденью без вывода линии из эксплуатации.

Что означает «авторитет клапана» и почему он имеет значение для модуляции потока D2C?Авторитет клапана – это отношение падения давления на клапане при полностью открытом положении к общему падению давления в ответвленном контуре. Клапан с низким авторитетом не может эффективно регулировать поток, поскольку доминируют другие сопротивления цепи. В ответвлениях D2C, работающих при перепаде давления от 5 до 15 фунтов на квадратный дюйм, регулирующий клапан должен обеспечивать не менее половины этого бюджета давления при полностью-открытом потоке, чтобы поддерживать значимый диапазон модуляции.

Можно ли использовать стандартные шаровые краны HVAC для прямого-охлаждения-стружки?Не надежно. Стандартные клапаны HVAC рассчитаны на гораздо более высокие скорости потока и более грубое управление, чем требуют ответвления стойки D2C. Их приводы часто работают слишком медленно для синхронизации системы управления CDU, а материалы их седел могут быть несовместимы с пакетами ингибиторов коррозии, используемыми в деионизированной охлаждающей воде. Клапаны, совместимые с D2C,-выбираются из-за низкого-перепада давления, высокой цикличности, санитарных или коррозионно-стойких-материалов, а также совместимости с сигналами BMS. Использование клапана HVAC увеличенного размера в ответвлении D2C является распространенным источником нестабильности в контурах управления CDU.