СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МАССИВНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
COOLING SYSTEM FOR MASSIVELY PARALLEL COMPUTER SYSTEMS

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к охлаждающим системам массивно-параллельных вычислительных систем, в том числе суперкомпьютеров эксамасштаба, содержащих оборудование для обработки электронных данных.
В вычислительных центрах и на промышленных предприятиях широко используется установка IT-оборудования в шкафах. Такие шкафы имеют достаточное пространство для размещения множества типов IT-оборудования, плотно установленного друг над другом. Для функционирования этих электронных устройств наряду со снабжением их электрической энергией и данными необходимо также обеспечивать их достаточное охлаждение. Для воздушного охлаждения обычно используются устройства кондиционирования, служащие для выработки охлаждающего воздуха, который при помощи устройств подачи воздуха, расположенных в электронных устройствах, пропускается через электронные устройства и при этом отбирает теплоту электронных компонентов. Отличительной особенностью массивно-параллельных вычислительных систем является наличие большого количества шкафов (сотни штук) и большая энергетическая плотность IT-оборудования в шкафах (70 кВт и выше). Также для этих вычислительных систем нужны дорогостоящие высокоскоростные коммуникационные сети и сети управления.
Вследствие наблюдаемого в последнее время существенного возрастания объемов обрабатываемых данных возрастает количество шкафов с вычислительным оборудованием и, как следствие, увеличение занимаемой ими площади. Для размещения подобного вычислительного оборудования и систем его жизнеобеспечения требуются огромные помещения. Современные центры обработки данных уже сейчас содержат тысячи стоек. А согласно международным оценкам, это число только возрастает с течением времени.
В связи с вышесказанным, по всему миру ведутся научно-исследовательские работы по минимизации затрат на создание и эксплуатацию вычислительных систем. В настоящее время при построении массивно-параллельных вычислительных систем наибольшее распространение получили системы воздушного охлаждения шкафов с IT -оборудованием на базе внутрирядных или межстоечных кондиционеров, обеспечивающих отвод тепла подобной мощности с высокой эффективностью. Внутрирядные кондиционеры предназначены для эффективного отведения повышенных тепловых нагрузок в современных центрах обработки данных и вычислительных системах; идеально подходят для применения в рамках конфигураций с холодными и горячими коридорами. Кондиционеры устанавливаются между шкафами в ряду, забирают горячий воздух из горячего коридора, после охлаждения воздух доставляется в холодный коридор к IT-оборудованию.
Известна система охлаждения на уровне рядов шкафов, установленных по принципу чередования холодного и горячего коридоров (См. Rittal - The System/ [Электронный ресурс] / Пресса / Технологичное решение для энергоэффективного охлаждения центров обработки данных: Охлаждение на уровне рядов стоек. / 2016 г. - Режим доступа: WWW.rittal.com/ru/unternehmen/presse/pressemeldunger/pressemeldung_26880.jsp свободный. - Загл. с экрана). Система охлаждения представляет собой помещение со шкафами IT-оборудования. Ряды шкафов вычислительной системы устанавливаются таким образом, что передние стороны двух рядов шкафов обращены друг к другу, между ними расположен так называемый «холодный коридор». В нем циркулирует холодный воздух, который подается соответствующими блоками охлаждения внутрь шкафов и проходит через размещенное на них IT-оборудование. Задние стенки серверных шкафов обращены в так называемые «горячие коридоры». Горячий воздух из них забирается блоками охлаждения, охлаждается и выбрасывается в «холодный» коридор. Описываемая система показана на фигуре 1. В зависимости от требований, «горячий» или «холодный» коридоры могут быть изолированы от окружающей среды с помощью соответствующих специальных решений. Это предотвращает смешение холодного и горячего воздуха, обеспечивая максимально возможную разницу температур с тем, чтобы блоки охлаждения работали с наибольшей эффективностью. Но такие решения нередко приводят к заниманию еще больших территорий. В настоящее время эта технологическая тенденция воздушного охлаждения наиболее популярна, наиболее экономична и является фактически мировым стандартом.
Недостатком известной системы является то, что для ее реализации требуются огромные помещения, увеличенная длина дорогостоящих кабельных связей, высокая закупочная стоимость и стоимость эксплуатации, низкие характеристики коммуникационных сетей.
Вышеуказанная система охлаждения является наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению и поэтому выбрана в качестве прототипа.
Решаемой задачей является создание новой системы охлаждения, обеспечивающей высокоплотную компоновку шкафов массивно-параллельных вычислительных систем при сохранении способности отвода тепла высокой мощности от шкафов, что позволяет уменьшить или полностью устранить вышеназванные недостатки.
Достигаемым техническим результатом является отсутствие «холодных» коридоров и, следовательно, отсутствие смешивания охлажденного и нагретого воздуха, а также значительное увеличение производительности систем с сохранением масштабов занимаемых площадей за счет увеличения плотности размещения шкафов.
Для достижения технического результата в системе охлаждения для высокоплотного размещения высоконагруженных шкафов массивно-параллельных вычислительных систем с рядами вычислительного оборудования, которые разделены между собой воздушными коридорами, при этом каждый ряд вычислительного оборудования состоит из чередующихся между собой шкафов с IT-оборудованием и кондиционеров, новым является то, что каждый ряд вычислительного оборудования состоит из основного ряда с чередующимися между собой шкафами с IT-оборудованием и кондиционерами, и дополнительного ряда, также состоящего из чередующихся между собой шкафов с IT-оборудованием и кондиционеров, шкафы с IT-оборудованием и кондиционеры основного и дополнительного рядов установлены вплотную лицевыми сторонами друг к другу так, что нагретый воздух из шкафов с IT-оборудованием основного ряда поступает в «горячий» коридор слева от основного ряда, а нагретый воздух шкафов с IT-оборудованием дополнительного ряда поступает в «горячий» коридор справа от дополнительного ряда, при этом охлажденный воздух из кондиционеров основного ряда поступает во вплотную расположенные к ним шкафы с IT-оборудованием дополнительного ряда, а охлажденный воздух из кондиционеров дополнительного ряда поступает во вплотную расположенные к ним шкафы с IT-оборудованием основного ряда.
Новая совокупность существенных признаков обеспечивает:
- размещение большего на 33% количества шкафов вычислительной системы без расширения занимаемых площадей;
- использование меньшей площади при заданном количестве шкафов;
- использование существенно более коротких кабелей сетей управления и кабелей коммуникационных сетей, что снижает закупочную стоимость, величину задержки сигналов, упрощает монтаж и эксплуатацию, снижает потребление электроэнергии;
- обеспечение, практически, 100% утилизации шкафами с IT-оборудованием охлажденного кондиционерами воздуха, что повышает эффективность работы системы охлаждения;
- возрастание адресности подачи охлажденного воздуха, появление возможности мониторинга процесса охлаждения и регулировки поступающего в шкаф объема охлажденного воздуха в зависимости от величины нагрузки IT-оборудования;
- появление возможности отказа от использования части системных вентиляторов IT-оборудования за счет наличия мощных вентиляторов кондиционеров с регулируемой скоростью вращения, что снижает энергозатраты;
- обеспечение охлаждения шкафов с высокой потребляемой мощностью;
Отсутствие холодных коридоров и, следовательно, отсутствие смешивания охлажденного и нагретого воздуха.
Изобретение реализуется схемой, представленной на фигуре 2.
Заявляемая система охлаждения работает следующим образом. Рассмотрим работу основного ряда 1 и дополнительного ряда 2. Нагретый воздух из шкафов с IT-оборудованием основного ряда 1 поступает в «горячий» коридор на фигуре 2 слева от основного ряда 1. Из «горячего» коридора теплый воздух забирается кондиционерами основного ряда 1, охлаждается в теплообменниках. Охлажденный воздух из кондиционеров основного ряда 1 поступает во вплотную расположенные к ним шкафы дополнительного ряда 2. Из шкафов дополнительного ряда 2 нагретый воздух поступает в «горячий» коридор справа от дополнительного ряда 2. Из «горячего» коридора справа от дополнительного ряда 2 нагретый воздух забирается кондиционерами дополнительного ряда 2, охлаждается и поступает в шкафы основного ряда 1. Аналогичным образом работают и все остальные ряды на фигуре 2. Подобное взаимное расположение основного и дополнительного рядов исключает необходимость организации выделенных «холодных» коридоров и позволяет повысить на 33% плотность размещения шкафов с IT-оборудованием по сравнению со стандартным взаимным расположением рядов прототипа (см. фиг. 1).
Согласно изобретению на фигуре 2 шкафы и кондиционеры основного и дополнительного рядов установлены передними сторонами вплотную друг к другу. IT-оборудование и кондиционеры с передних сторон имеют пульты управления. IT-оборудование с передней стороны имеет устройство крепления в шкаф. Задача обеспечения доступа к пультам управления и к устройству крепления может быть решена при помощи перенесения их на заднюю сторону IT-оборудования и кондиционеров, соответственно. После перенесения пультов управления и устройств крепления все обслуживание будет осуществляться с задних сторон шкафов и кондиционеров. Конструкция части IT-оборудования позволяет осуществлять его обслуживание с задней стороны шкафов без модернизации.