Rekayasa Komputasional Sistem Pendingin Kluster Komputer
E.M Budi, W. Hendradjit, A.C . Budiman
Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesa no. 10 Bandung
Received Date : 16 November 2010 Acceptance Date : 22 November 2010

## Abstrak
Makalah ini membeberkan proses rekayasa komputasional dalam rangka membangun sistem kluster komputer  yang  terdinginkan  dengan  baik.  Pendinginan  diperlukan  karena  seluruh  komputer dimasukkan  dalam  satu  lemari  server  secara  kompak,  padahal  selama  bekerja  masing-masing komputer  akan  mendisipasikan  kalor  yang  tidak  sedikit.  Upaya  pendinginan   dilakukan  dengan mengatur peletakan komputer agar konveksi udara  alami berjalan lancar, kemudian menambahkan kipas  pada  posisi  yang  tepat  untuk  memberi  konveksi  paksa  yang  efektif.  Dengan  rekayasa komputasional,  maka  peletakan  komputer  maupun  kipas  secara  coba-coba  bisa  dihindari.  Hasil simulasi maupun  implementasi  menunjukkan  bahwa  suhu  udara  dalam  lemari  bisa  di jaga  dibawah 79 o C pada beban komputasi 100%.
Kata kunci: rekayasa komputasional, pendinginan, konveksi udara, kluster komputer

## Abstract
This paper shows the  process of computational engineering in order to build a well cooled computer cluster system. Cooling system is needed because many computers are put into single server cabinet, whereas  each  computer  will  dissipate  some  heat  during  the  work.  This  cooling  s ystem  works  by arranging the computer position to maximize the natural air convection and adding the fan in the right position  to  give  an  effective  forced  convection.  With  computational  engineering,  the  trial  and  error method for computer and fan placement can be avoided. Results from simulation and implementation show  the  air  temperature  in  server  cabinet can  be  maintained  below  79 o C  at  100% computational load.
Keywords: computational engineering, cooling, air convection, computer cluster.

## 1 Pendahuluan
Kluster  komputer  adalah  beberapa  komputer  yang  terhubung  dengan  jaringan  guna melakukan  komputasi  yang  intensif  secara  paralel.  Seluruh  komputer  ini  biasanya diletakkan  dalam  satu  lemari  server  demi  menghemat  ruang.  Padahal,  selama  komputasi yang  berat  tersebut  setiap  komputer  akan  mendisipasikan  kalor  yang  sebanding  dengan daya listrik yang dipakainya. Apabila tidak didinginkan dengan baik, suhu dalam lemari bisa naik  secara  drastis  sehingga  kinerja  komputer  harus  diturunkan.  Jika  dipaksakan,  maka akibat yang lebih parah adalah komputer akan rusak.
Dalam lemari server, pendinginan hanya bisa dilakukan secara konveksi udara. Oleh karena itu,  rekayasa  sistem  pendingin  kluster  ini  dilakukan  dengan  dua  kiat.  Pertama,  peletakan komputer  dalam  server  dipertimbangkan  sedemikian  rupa  agar  sumber  panas  utama (dalam hal ini CPU) tidak terlalu berdekatan dan konveksi udara alami bisa terjadi  dengan lancar.  Selanjutnya, ditambahkan kipas pada posisi yang tepat agar terjadi konveksi paksa yang  efisien.  Jelas  bahwa  peletakan  komputer  dan  kipas  tersebut  memiliki  banyak kemungkinan,  sehingga  cara  coba-coba  sangat  tidak  efektif.  Untuk  itulah  sebelum  sistem
kluster  ini  dibangun,  diperlukan  rekayasa  komputasional  yang  dapat  menjamin keberhasilannya.

## 2 Deskripsi Sistem
Sistem  kluster  komputer  yang  ingin  didinginkan  terdiri  dari  10  buah  komputer  yang diletakkan dalam suatu lemari server (Gambar 1). Dari sudut pandang pendinginan, sumber panas  utama  pada  sistem  ini  adalah  CPU  ( Central  Processing  Unit )  dan  GPU  ( Graphics Processing  Unit ).  Dalam  pada  itu,  ada  dua  tipe  komputer  yaitu  4  komputer  berbasis  C PU Intel Core i7 dan GPU NVIDIA GeForce 295GTX (Gam bar 1 A) serta 6 komputer berbasis C PU Intel  Xeon  (Gambar  1  B).  Dengan  demikian,  beban  kalor  sistem  ini  diperkirakan  dapat diperkirakan seperti Tabel 1 .
Tabel 1. Perkiraan beban kalor system computer kluster, berdasar daya listrik CPU dan GPU
No Sumber kalor Daya (watt) Banyak Jumlah (watt) 1 CPU Intel Xeon 50 6 300 2 CPU Intel Core i7 4 3 GPU NVIDIA 295 GTX 260 4 1040 TOTAL 1340
Gambar 1 Sistem kluster komputer yang ingin didinginkan
Dari eksperimen,  diketahui bahwa disipasi kalor ini  tergantung juga pada beban kerja C PU maupun  GPU  yang  bersangkutan.  Gambar  2  memperlihatkan  pengukuran  di  salah  satu komputer.  Nampak  bahwa  dalam  keadaan  diam  (beban  kerja  0%),  suhu  CPU  tenang disekitar  46ºC,  dan  suhu  udara  ambien  sekitar  28ºC.  Namun  ketika  beban  dinaikkan menjadi  50%,  suhu  CPU  meloncat  mendekati  60ºC  dan  suhu  udara  terpengaruh  naik  di atas  30ºC.  Menurus  spesifikasi  pabrik,  suhu  k ritis  CPU  adalah  69ºC.  Dengan  demikian, perlu  upaya  serius  agar  suhu  CPU  tidak  melewati  ambang  tersebut  ketika  be ban  kerja mencapai 100%.

## Gambar 2 Hasil pengukuran suhu CPU dan suhu udara terhadap beban kerja komputer

## 3 Model Matematis
Model matematis sistem pendingin dapat diturunkan dari prinsip-prinsip  transfer kalor dan perpindahan  massa.  Mekanisme  transfer  kalor  terdiri  dari  tiga  macam,  yaitu  konduksi, konveksi, dan radiasi [1][2][5]. Pada sistem komputer, konduksi terjadi antara CPU dengan bilah  pendingin,  kemudian  konveksi  terjadi  dari  bilah  pendingin  ke  udara  sekitar  (Gambar 3). Konveksi ini dipaksa oleh kipas pada pendingin CPU, dan juga oleh kipas yang dipasang pada lemari.
Gambar 3 Aliran kalor pada satu komputer
Aliran kalor secara konduksi antara dua titik dimodelkan dengan persamaan matematis
T A k Q     (1)
dimana :
Q =
Laju aliran kalor secara konduksi satu arah (W)
K
= Konstanta konduktivitas termal (W/m 2 .K)
A = Luas penampang medium (m 2 )
ΔT = Selisih suhu di antara kedua titik (K)
Sementara itu, persamaan umum transfer kalor secara konveksi adalah:
) ( f s conv T T A h Q     (2)
dimana:
Q conv.
= Laju aliran kalor secara konveksi (W)
H = Koefisien konveksi kalorl (W/m 2 .K) A = Luas penampang medium (m 2 )
T s = Suhu pada permukaan (K)
T f
Suhu fluida (K)
Dalam  hal  ini,  koefisien  konveksi  kalor  semakin  besar  jika  ada  aliran  udara  (konveksi paksa). Untuk itu bisa dipasang kipas (fan)  guna mengalirkan udara dengan debit tertentu, yang memenuhi persamaan:
v A q     (3)
dimana:
= Debit aliran udara (m 3 /s)
A = Luas penampang kipas (m 2 )
v  = Kecepatan aliran udara melalui kipas(m/s)

## 4 Perangkat Lunak
Untuk  perancangan  komputasional  sistem  pendingin  ini,  digunakan  perangkat  lunak OpenFOAM dan ParaView [6]. OpenFOAM adalah singkatan dari Opensource Field Operation and  Manipulation,  suatu  program  lunak  open  source  yang  bisa  beroperasi  pada  sistem operasi  Linux  atau  Mac.  Perangkat  lunak  ini  khusus  dibuat  untuk  melakukan  simulasi dalam  bidang  mekanika  fluida,  menggunakan  berbagai  teknik  Computational  Fluid Dynamics (CFD). Dalam kasus pendinginan sistem kluster ini, solver yang digunakan adalah BuoyantSimpleFoam, yaitu simulator kondisi tunak dari  aliran fluida termampatkan, seperti udara  [3][4].  Solver  ini  mampu  memprediksi  sebaran  suhu  udara  di  sekitar  beberapa sumber  panas  dalam  suatu  ruang  terbatas.  Hasil  simulasi  OpenFoam  kemudian  bisa divisualisasikan dengan ParaView.

## 5 Perancangan Komputasional
Untuk  melakukan  perancangan  komputasional  dengan  OpenFOAM,  mula -mula  perlu dimasukkan  data  mesh  tentang  lemari  dan  peletakan  papan  induk,  serta  posisi  sumber panas  yaitu  CPU  dan  GPU  (Gambar  4).  Nampak  di  sini  bahwa  enam  buah  komputer berbasis CPU (0-0 s/d 0-5) diletakkan di bawah secara vertikal pada arah membujur (depan ke  belakang).  Sementara  itu  empat  buah  komputer  berbasis  CPU+GPU  (1 -1  s/d  1-3  dan local  server)  diletakkan  vertikal  di  atas  pada  arah  melintang  (kiri  ke  kanan).  Hal  ini dilakukan dengan pertimbangan:
1. Komputer  berbasis  CPU+GPU  akan  mendisipasikan  panas  lebih  banyak,  sehingga sebaiknya  diletakkan  di  sebelah  atas  agar  kalornya  cepat  terbuang  ke  atas  tanpa melewati komputer berbasis C PU yang relatif lebih dingin
2. Komputer  diletakan  vertikal  dengan  arah  saling  menyilang  agar  aliran  udara  lebih lancar dan merata.
Gambar 4 Mesh OpenFOAM untuk sistem kluster
Tabel 2 Konfigurasi kipas untuk lima perlakuan berbeda
Keterangan Perlakuan a b c d e Konfigurasi Kipas keluar Bagian Atas Konfigurasi Kipas masuk Bagian Bawah - - Keterangan Lain - - Ada lubang 10 cm x 10 cm pada bagian tengah dinding kiri dan kanan 4 kipas lainnya dipasang di bagian lubang samping kiri- kanan 4 kipas lainnya dipasang di bagian belakang
Sementara  itu,  parameter  yang  akan  diubah  adalah  posisi  peletakan  kipas  dan penambahan  lubang  (patch)  pada  lemari.  Dalam  hal  ini,  dicoba  lima  kemungkinan konfigurasi  kipas  seperti  diberikan  pada  Tabel  2.  Setelah  kelima  perlakuan  berbeda tersebut  disimulasikan  dengan  OpenFOAM,  hasilnya  divisualiasaikan  dengan  ParaView seperti  Gambar  5.  Secara  kualitatif,  sistem  pendingin  terbaik  adalah  sistem  yang  sebaran
suhunya memiliki area suhu dingin paling luas. Pada Gambar 5, terlihat bahwa hasil terbaik diberikan oleh perlakuan (d), diikuti oleh perlakuan (b).
(a) (b) (c)
(d)
(e) (f)
Gambar 5 Hasil simulasi 5 konfigurasi kipas dan lubang pendinginan
Justifikasi atas hasil ini adalah sebagai berikut:
1. Pada perlakuan (b), konveksi paksa didorong oleh aliran udara silang  yang masuk dari empat kipas di tengah bawah, dan keluar dari empat kipas di sudut pinggir atas.  Hal ini memberikan  cukup  udara  dingin  yang  terkonsentrasi  di  sebelah  bawah  (lingkaran Gambar 5  (b)), dan akhirnya  udara panas terbuang dari sebelah  pinggir atas. Menurut simulasi,  perlakuan  (b)  ini  lebih  baik  dibanding  perlakuan  (a),  dimana  udara  masuk oleh 4 kipas di sudut pinggir bawah dan keluar oleh empat kipas di tengah atas.
2. Pada  perlakuan  (d),  udara  masuk  secara  alami  dari  bawah  lemari  dan  dimasukkan secara  paksa  oleh  kipas  yang  diletakkan  di  empat  sisi  tengah  lemari,  kemudian dikeluarkan  dari  atas  oleh  4  kipas  di  tengah.  Aliran  udara  alami  dari  bawah  ternyata cukup  untuk  mendinginkan  ke-enam  komputer  berbasis  CPU.  Sementara  itu,  aliran udara paksa dari tengah memberi banyak udara dingin (lingkaran Gambar 5  (d)) guna pendinginan komputer berbasis CPU+GPU di sebelah atas. Hal ini lebih baik di banding perlakuan (c) dimana aliran udara paksa diberikan dari bawah kemudian dibantu aliran udara alami dari tengah.

## 6 Implementasi
Setelah  mendapat  kepastian  dari  proses  perancangan  komputasional  tersebut, implementasi  bisa  dilakukan  dengan  tingkat  keyakinan  yang  lebih  tinggi.  Dalam   hal  ini dipilih  konfigurasi  (b)  karena  pertimbangan  kelayakan  konstruksi.  Gambar  1 memperlihatkan pemasangan kipas pada bagian bawah (a) dan bagian atas (b) lemari.
Setelah kipas dipasang, pengukuran menunjukkan bahwa  saat beban kerja kluster  sangat kecil, suhu pada CPU turun mulai dari  rata-rata 1,2 o C (bagian bawah) hingga 3,7 o C (bagian atas), sementara suhu udara dalam lemari mengalami penurunan mulai dari 1 o C (di bawah) hingga  4,4 o C  (di  atas).  Sementara  itu  pada  beban  75%,  suhu  CPU  berkisar  diantara  50 - 59 o C,  tetap  dibawah  suhu  kritisnya.  Pada  kondisi  ini,  suhu  udara  di  luar  processor mencapai nilai tertinggi 40,1 o C di bagian atas lemari.

## 7 Kesimpulan
Proses  perancangan  komputasional  terbukti  dapat  memberikan  prediksi  atas  beberapa pilihan  yang  sebelumnya  sulit  untuk  dihitung  dengan  analisis  matematis  biasa.  Khusus untuk kasus kluster komputer dengan pendinginan konveksi ini, nampak bahwa :
1. Aliran udara sebaiknya diusahakan mengalir lancar dari bawah ke atas, sesuai  dengan arah konveksi alami.
2. Peletakan  komputer  dengan  arah  vertikal  dan  bersilang  dapat  membantu  distribusi panas lebih baik.
3. Peletakan  kipas  yang  terpusat  di  bawah  dan  tersebar  di  atas  lebih  efektif  membantu terjadinya konveksi paksa.

## 8 Penghargaan
Sistem kluster komputer Teknik Fisika ITB dibangun dalam rangka penelitian yang disokong program  Riset  Insentif  Ristek  2008  -  2009,  dan  Riset  Ikatan  Alumni  ITB  2009.  Rekayasa komputasional  untuk  pendinginan  sistem  kluster  ini  dilakukan  sebagai  Tugas  Akhir  S1 Teknik Fisika ITB.

## 9 Daftar Pustaka
[1] Bayazitoglu,  Yildiz  and  M.  Necati  Özisik,  Elements  of  Heat  Transfer,  International Edition. New York: Mc. Graw-Hill Book Co., 1988 , pp. 1-5
[2] Cengel, Yunus A. and Michael A. Boles, Thermodynamics, an Engineering Approach, 4th International ed. New York: Mc Graw-Hill Book Co., 2004, pp. 124, 150-155.
[3] Chung, T.J. , Computational Fluid Dynamics, Cambridge University Press, 2002
[4] Ferziger,  J.H.,  Milovan  Peric,  Computational  Methods  for  Fluid  Dynamics,  3rd  ed.,
Springer Verlag, 2002
[5] Kuehn,  Thomas  H.,  James  W.  Ramsey,  James  R.  Threlkeld,  Thermal  Environmental
Engineering, 3rd ed. USA: Prentice-Hall, Inc., 1998, pp. 15-16
[6] OpenCFD Ltd, OpenFOAM, The Open Source CFD ToolboxUser Guide, version 1.6  – 24th July 2009, pp. 17-24, 87, 101-102, 123-138.