КИПЯЩАЯ ИММЕРСИОННАЯ ВАННА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
BOILING IMMERSION BATH FOR COOLING COMPUTING EQUIPMENT

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, конкретно к области иммерсионного охлаждения вычислительных устройств.
Интенсивный рост производительности чипов, описываемой законом Мура, в последние годы несколько замедлился, что связано с приближением сложности чипов к пределам, обусловленным самим молекулярным строением вещества.
По этой причине развитие вычислительной техники приняло экстенсивный характер, производительность вычислительных устройств, использующих чипы, постоянно растет, но это сопряжено с повышением энергопотребления. Поскольку вычислительные устройства не производят никакой работы в термодинамическом смысле, вся потребляемая ими электрическая энергия преобразуется в тепло, которое необходимо отвести в окружающую среду во избежание их перегрева.
В настоящее время наиболее перспективным считается охлаждение мощных вычислительных устройств путем погружения их в низкокипящую диэлектрическую жидкость, такие системы охлаждения называют иммерсионными испарительными, кипящими или двухфазными. Они обладают несомненными достоинствами - низким уровнем шума, малыми относительными затратами энергии на единицу отводимого тепла, высокой интенсивностью отвода тепла от теплонагруженных поверхностей, постоянством поддержания температуры [1].
Наиболее простое техническое решение, обеспечивающее испарительное охлаждение вычислительного оборудования - погружение охлаждаемого оборудования в герметичную емкость с низкокипящей жидкостью, снабженную теплообменником для сброса тепла в окружающий воздух или проточную воду [2], такое решение можно считать аналогом предлагаемого изобретения.
Данное решение не лишено некоторых недостатков, связанных именно с герметичностью охлаждаемого объема и пригодно лишь для малоразмерного вычислительного оборудования. Так, если в емкость необходимо поместить крупноразмерное охлаждаемое оборудование, то она должна иметь загрузочное окно соответствующих размеров, снабженное фланцем. Выполнение точной привалочной поверхности фланца с характерными размерами порядка метров или даже более весьма затруднительно, особенно если учесть, что прилегание фланцевой крышки к воротнику фланца придется обеспечить с минимальными зазорами - ведь низкокипящие жидкости обладают весьма малой вязкостью и потому способны вытекать через малейшие неплотности. К примеру, кинематическая вязкость низкокипящего фторкетона Novec1230 более чем в 2,5 раза ниже, чем у воды [3].
Даже если задача исполнения большемерного фланца, надежно задерживающего маловязкую жидкость, будет решена, у рассматриваемого прототипа останется неустранимый недостаток, связанный с самим существованием фланца для загрузки вычислительного оборудования в герметичную емкость. Герметичность охлаждаемой емкости предполагает наличие значительного количества крепежных элементов (болтов, зажимов, замков и т.п.) удерживающих фланец, а потому процедура открытия/закрытия емкости неизбежно отнимает значительное время.
Это не является серьезной проблемой, когда в емкость раз и навсегда помещается одна единица оборудования, но это становится существенным недостатком, когда в емкости охлаждается одновременно множество единиц оборудования, которые желательно извлекать и ставить обратно поодиночке. Такие задачи возникают, например, при охлаждении крупных серверов, предполагающих горячую замену неисправных блоков или при эксплуатации т.н. «ферм», содержащих значительное, иногда измеряемое сотнями, однотипных единиц оборудования для майнинга криптовалют, причем зачастую принадлежащих разным владельцам и, следовательно, загружаемых в емкость и выгружаемых из нее поодиночке.
Перечисленные недостатки устранены в изобретении [4], в котором емкость с низкокипящей жидкостью не является герметичной, соответственно нет в емкости и большемерного фланца, уплотнение которого столь проблематично. Это техническое решение по его технической сущности можно считать ближайшим прототипом предлагаемого изобретения.
Схематично данное техническое решение представлено на фиг. 1.
Фиг. 1
В этом изобретении слой тяжелой низкокипящей жидкости 1, в толще которой располагается охлаждаемое вычислительное оборудование 2, покрыт слоем легкой высококипящей жидкости 3, которая и предотвращает утечку паров низкокипящей жидкости в окружающую среду.
При работе погруженного в такую емкость вычислительного оборудования в нем выделяется тепло, что ведет к вскипанию низкокипящей жидкости. Образующиеся пузыри 4 поднимаются вверх и попадают в слой высококипящей жидкости. В этом слое пузыри остывают и образовавшиеся капли тяжелой низкокипящей жидкости стекают обратно вниз.
Нагревающаяся при этом высококипящая жидкость циркулирует через теплообменник 5, где ее тепло сбрасывается в окружающую среду. Возможно также охлаждение высококипящей жидкости погруженным в нее трубчатым теплообменником 6, через который циркулирует теплоноситель, тепло которого сбрасывается в окружающую среду на теплообменнике 7.
Крышка 8 негерметична и может быть легко снята при необходимости загрузки/выгрузки или обслуживания охлаждаемого оборудования.
Несомненно, в такой открытой емкости извлечение и замена погруженного в нее вычислительного оборудования или его части не является проблемой.
Также эта конструкция не имеет ограничений на размер охлаждаемого оборудования, поскольку не имеет герметичного загрузочного окна с фланцем - слой высококипящей жидкости одинаково хорошо уплотнит слой низкокипящей жидкости любого размера.
Однако и эта конструкция не лишена недостатков. Слой высококипящей жидкости в ней одновременно выполняет две противоречивых функции: и уплотнения для предотвращения утечки паров низкокипящей жидкости и теплообменника для охлаждения паров (пузырей) низкокипящей жидкости.
В качестве уплотнения слой высококипящей жидкости мог бы быть весьма тонким, выполняя просто роль жидкой оболочки на поверхности низкокипящей жидкости. Но необходимость улавливать и охлаждать пузыри приводит к необходимости увеличивать толщину слоя высококипящей жидкости, поскольку проскок пузырей сквозь слой недопустим - он ведет к потере дорогостоящего низкокипящего хладагента.
С точки зрения интенсификации отвода тепла от вычислительного оборудования высококипящая жидкость является ненужным посредником - целесообразнее было бы охлаждать пары низкокипящей жидкости непосредственно, а не передавать их тепло в промежуточный теплоноситель (высококипящую жидкость), а уж от него в окружающую среду. Особенно важно избегать посредников в переносе тепла в случае сброса тепла не в проточную воду, а в окружающий воздух, поскольку располагаемый температурный напор в подобного рода устройствах невелик: температура кипения низкокипящих жидкостей оставляет около 50°С [3], а температура воздуха в летнее время даже в умеренном климате может превышать 30°С, следовательно располагаемый температурный напор может не достигать даже 20°С.
С практической точки зрения добавление промежуточного теплоносителя - высококипящей жидкости - в теплообмен между парами низкокипящей жидкости и окружающим воздухом будет означать работу контактирующего с воздухом теплообменника при более низкой температуре, что неизбежно означает увеличение его необходимой площади, поскольку через этот теплообменник будут прокачиваться не горячие пары низкокипящей жидкости, а относительно холодная высококипящая жидкость.
Приведенный краткий обзор современного уровня техники позволяет сформулировать технический результат, достигаемый с помощью предлагаемого изобретения: охлаждение низкокипящей жидкостью вычислительного оборудования произвольно больших размеров с возможностью быстрого доступа в охлаждаемую емкость для замены охлаждаемого оборудования или его части, в сочетании с минимизацией утечки низкокипящей жидкости и минимизацией площади теплообменника для сброса тепла в окружающую среду.
Указанный технический результат может быть достигнут, если, как и в ближайшем прототипе, использовать для предотвращения утечки паров низкокипящей жидкости запирающий слой высококипящей жидкости, но при этом охлаждать в теплообменнике не высококипящую жидкость, а только пары низкокипящей жидкости, что и реализовано в предлагаемом изобретении. При этом высококипящую жидкость следует использовать только как заполнитель гидрозатвора, в который входят края легкосъемной крышки устройства - так будет обеспечен быстрый доступ к оборудованию в емкости без потери герметичности в закрытом состоянии.
Схема предлагаемого изобретения представлена на фиг. 2.
Фиг. 2.
Предлагаемая кипящая иммерсионная ванна представляет собой двустенную емкость 9, открытую сверху. Во внутреннюю полость 10 этой емкости налита низкокипящая жидкость, в которую помещено охлаждаемое вычислительное устройство (устройства) 11. В зазор 12 между внутренней и внешней стенками двустенной емкости 9 налита высококипящая жидкость.
Внутренняя полость 10 двустенной емкости 9 накрывается легкосъемным колпаком 13, юбка которого входит в зазор 12 между внутренней и внешней стенками двустенной емкости 9.
К верхней точке колпака 13 присоединен подвижный трубопровод 14, не препятствующий перемещению колпака 13. В подвижный трубопровод 14 врезан побудитель расхода 15; подвижный трубопровод 14 входит в теплообменник-конденсатор 16, обдуваемый вентилятором 17. Выходящий из теплообменника-конденсатора 16 неподвижный трубопровод 18 подключен к нижней точке двустенной емкости 9.
Кипящая иммерсионная ванна работает следующим образом. Тепло, выделяемое в вычислительном устройстве (устройствах) 11 приводит к закипанию низкокипящей жидкости. Пузырьки пара поднимаются вверх и собираются под колпаком 13. Выходу пара из-под колпака 13 в окружающую среду препятствует заполненный высококипящей жидкостью гидрозатвор, образуемый при погружении юбки колпака 13 в зазор 12 между внешней и внутренней стенками емкости 9.
Образующийся пар из-под колпака 13 по подвижному трубопроводу 14 всасывается в побудитель расхода 15 (например, компрессор, вентилятор или струйный насос), который нагнетает пар в теплообменник-конденсатор 16. За счет отвода тепла в воздух, подаваемый вентилятором 17, пар в теплообменник-конденсаторе 16 охлаждается и конденсируется.
Образовавшийся конденсат низкокипящей жидкости по неподвижному трубопроводу 18 возвращается обратно в емкость 9.
При необходимости замены, удаления, добавления, обслуживания или ремонта вычислительных устройств, помещенных в ванну, последнюю охлаждают до температуры ниже точки кипения низкокипящей жидкости (это неизбежно при любой конструкции ванны), затем поднимают колпак 13 (причем подвижный трубопровод 14 этому не препятствует) производят необходимые манипуляции с вычислительным оборудованием и опускают колпак 13 обратно.
Рассмотрим преимущества предлагаемой кипящей иммерсионной ванны по сравнению с аналогом [2] и ближайшим прототипом [4] в случае охлаждения 24 вычислительных устройств ASIC Bitmain AntMiner S9 с электрической мощностью по 1,3 кВт каждый.
Суммарное тепловыделение ванны составляет 24⋅1,3=31,2 кВт, размеры ячейки для загрузки одного вычислительного устройства составляют 300×215 мм [5], поэтому при размещении вычислительных устройств в 4 ряда по 6 шт. в каждом ряду размеры загрузочного окна составят по длине 4⋅300=1200 мм, а по ширине 6⋅215=1290 мм.
В качестве низкокипящей жидкости во всех трех вариантах применяется Novec1230 с температурой кипения 49°С [3].
Следует отметить, что в качестве низкокипящей жидкости в предлагаемом изобретении могут быть использованы не только чистые вещества, но и смеси, включая растворы и эмульсии.
При эксплуатации прототипа, ближайшего аналога и предлагаемой кипящей иммерсионной ванны со сбросом тепла в окружающий воздух с температурой 30°С наблюдаются результаты, приведенные в таблице.
Приведенные в таблице данные показывают, что наибольшие утечки низкокипящей жидкости характерны для аналога [2], поскольку уплотнение фланца достаточно большого размера в условиях переменной температуры и использования маловязкой жидкости довольно затруднительно.
Время замены одного вычислительного устройства у ближайшего прототипа [4] и у предлагаемого изобретения минимально и практически не отличается, поскольку в обоих устройствах применены свободно лежащие крышки, отличающиеся друг от друга лишь формой: плоская в ближайшем прототипе [4] и колпак в предлагаемом изобретении. Замена же одного вычислительного устройства в аналоге [2] требует радикально большего времени, это связано с необходимостью открытия/закрытия фланца.
Необходимая для работы устройства площадь теплообменника одинакова для аналога [2] и для предлагаемого изобретения. Это объясняется не только одинаковой отводимой мощностью (она одинакова во всех трех случаях), но и одинаковой охлаждаемой средой - парами Novec1230. Ближайший прототип [4] требует заметно большей площади теплообменника, поскольку в этом устройстве охлаждаются не высокотемпературные пары Novec1230, а низкотемпературный промежуточный теплоноситель - высококипящая жидкость. В предлагаемом изобретении высококипящая жидкость вообще не охлаждается, она выполняет только функции заполнителя гидрозатвора.
Список используемых источников
1. Амелькин С.А., Демидов А.А. Сравнение подходов к охлаждению высокопроизводительных вычислительных комплексов. Вестник науки и образованиям 19 (97). Часть. 1 2020. С. 37-42.
2. Levi A. Campbell, Richard С. Chu, Michael J. Ellsworth, Jr. Madhusudan, K. Iyengar, Robert E. Simons. Immersion-cooling apparatus and method for an electronic subsystem of an electronics rack. US pat. 8179677 B2 2010-07-01
3. 3M Novec 1230. Fire Protection Fluid. Technical Data. Electronics Materials Solutions Division. 3M Center, Building 224-3N-11. St. Paul, MN 55144-1000. August 2021
4. Oktay Sevgin. Multi-liquid heat transfer. US pat. 3406244 A. 07.06.1966.
5. OCTAVA C24 Установка иммерсионного охлаждения на двадцать четыре устройства майнинг оборудования. Технические характеристики и габариты. Режим доступа: https://octava.tech/solutions/octava-power-control/