एयर कूलिंग अपनी सीमा तक क्यों पहुँच जाती है: डेटा सेंटर के लिक्विड की ओर बदलाव के पीछे की भौतिकी

पांच विक्रेताओं से पूछें कि एयर कूलिंग कहाँ रुकती है और आपको पांच नंबर मिलेंगे: 15, 20, 40, 50, यहाँ तक कि 80 kW प्रति रैक। उनमें से हर एक बचाव योग्य है, क्योंकि प्रत्येक एक अलग सीमा का वर्णन करता है: एक लीगेसी रूम एवरेज, एक निहित गलियारा, एक क्लोज-कपल्ड उत्पाद, या एक सक्रिय पिछला दरवाजा। एक बार भौतिकी (physics) स्पष्ट हो जाने पर यह भ्रम दूर हो जाता है, क्योंकि सीमा तीन मापने योग्य तंत्रों (mechanisms) द्वारा निर्धारित एक गतिशील दहलीज है, और वे तीनों एक ही समीकरण पर वापस जाते हैं। यह मार्गदर्शिका हवा की दीवार की भौतिकी के माध्यम से काम करती है: संवहनी ऊष्मा हस्तांतरण (convective heat transfer) एयर कूलिंग को क्यों रोकता है, प्रत्येक एयर आर्किटेक्चर के लिए व्यावहारिक सीमाएँ कहाँ बैठती हैं, चिप के पक्ष में क्या बदलाव आया जिससे यह प्रश्न अति आवश्यक हो गया, और कौन सी इंजीनियरिंग वास्तव में दीवार को पार करती है। यह उत्तर AI हार्डवेयर के लिए कूलिंग निर्दिष्ट करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए मायने रखता है, क्योंकि एक आर्किटेक्चर चुनने का मतलब है सीमा के एक पक्ष को चुनना।

हर कूलिंग निर्णय के पीछे का एक समीकरण

सभी संवहनी कूलिंग, हवा या तरल, न्यूटन के शीतलन के नियम का पालन करती है: Q = h × A × ΔT. निकाली गई गर्मी संवहनी ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक और सतह के क्षेत्र और सतह और तरल पदार्थ के बीच तापमान के अंतर के गुणा के बराबर होती है। तीनों पदों में से, चिप पैकेज का सतह क्षेत्र उसके फुटप्रिंट द्वारा तय किया जाता है, और स्वीकार्य तापमान अंतर सिलिकॉन की थर्मल सीमा द्वारा सीमित होता है, जिससे गुणांक 'h' एकमात्र ऐसा शब्द रह जाता है जिसे इंजीनियरिंग परिमाण के क्रम (orders of magnitude) से बदल सकती है। फोर्स्ड एयर लगभग 50 से 250 W/m²·K के 'h' मान प्रदान करती है। गतिमान तरल 1,000 से 10,000 W/m²·K प्रदान करता है। काम करने वाले तरल पदार्थ को हवा से पानी में बदलने पर किसी भी अन्य डिज़ाइन परिवर्तन से पहले संवहनी क्षमता लगभग 100 गुना बढ़ जाती है।

परिवहन (transport) पक्ष भी यही अंतर दिखाता है। प्रति इकाई आयतन, पानी समान तापमान वृद्धि के लिए हवा की तुलना में लगभग 3,500 गुना अधिक गर्मी वहन करता है। 15°C तापमान वृद्धि पर हवा के साथ रैक से 40 kW को स्थानांतरित करने के लिए 600 मिमी चौड़े कैबिनेट के माध्यम से प्रति सेकंड लगभग 2.5 क्यूबिक मीटर हवा, 8,000 CFM के करीब की आवश्यकता होती है। पानी में उसी भार को उंगली के आकार के नली (hose) के माध्यम से प्रति मिनट कुछ लीटर की आवश्यकता होती है। एयर कूलिंग इंजीनियरिंग इन दो संख्याओं को खींचने की कला है; लिक्विड कूलिंग वहां से शुरू होती है जहां इस खिंचाव का फायदा मिलना बंद हो जाता है।

हवा की दीवार (Air Wall) वास्तव में कहाँ स्थित है

व्यावहारिक सीमा एयर आर्किटेक्चर पर निर्भर करती है, यही वजह है कि प्रकाशित सीमाएं बिखरी हुई हैं:

रियर-डोर पंक्ति अधिकांश भ्रमों की व्याख्या करती है: सक्रिय लिक्विड-कूल्ड दरवाजे वाले रैक में एयर-कूल्ड सर्वर होते हैं लेकिन वे पहले ही गर्मी के परिवहन के लिए तरल में बदल चुके हैं। हवा की दीवार का ईमानदार बयान यह है कि बिना सहायता वाला वायु परिवहन एक अच्छी तरह से इंजीनियर किए गए कंटेनमेंट (containment) में लगभग 35 से 40 kW प्रति रैक पर संतृप्त हो जाता है, और उस आंकड़े से ऊपर हर आर्किटेक्चर में ऊष्मा पथ में कहीं न कहीं तरल होता है।

तीन तंत्र जो दीवार को लागू करते हैं

वायुप्रवाह की मात्रा भौतिक रूप से अव्यावहारिक हो जाती है

आवश्यक वायुप्रवाह निश्चित तापमान वृद्धि पर ऊष्मा भार (heat load) के साथ रैखिक रूप से (linearly) बढ़ता है। 40 kW रैक को आवश्यक 8,000 CFM पहले से ही कुछ वर्ग इंच के सर्वर इनलेट क्षेत्रों पर दबाव डालता है; 100 kW पर यह आंकड़ा 20,000 CFM तक पहुँच जाता है, चेसिस के माध्यम से वायु का वेग किसी भी बाड़े द्वारा बनाए जा सकने वाले वेग से अधिक हो जाता है, और प्रलेखित विफलताएँ दर्शाती हैं कि मार्जिन कितना पतला है: एक रिकॉर्ड की गई घटना में 250 रैक को देखा गया, जिनमें से प्रत्येक की क्षमता केवल 6 kW थी, शीतलन में रुकावट के 75 सेकंड बाद 72°F से 90°F तक पहुंच गए।

पंखे की ऊर्जा घन नियम (cube law) का पालन करती है

पंखे की शक्ति वायुप्रवाह के घन (cube) के साथ स्केल होती है। वायु की मात्रा में 10 प्रतिशत की वृद्धि से पंखे की ऊर्जा में लगभग 33 प्रतिशत की वृद्धि होती है, और सर्वर के अपने पंखे सुविधा के पंखों के साथ बिल में शामिल हो जाते हैं। उच्च घनत्व वाले एयर-कूल्ड हॉल में कूलिंग ओवरहेड सुविधा (facility) की कुल ऊर्जा के एक तिहाई की ओर चढ़ता है, PUE 1.5 से आगे कम हो जाता है, जबकि गर्म गलियारों (hot aisles) में ध्वनिक वातावरण 85 से 95 dBA तक पहुंच जाता है, जो श्रवण-सुरक्षा (hearing-protection) क्षेत्र में आता है।

थर्मल ग्रेडिएंट एकरूपता (uniformity) को हरा देते हैं

यहाँ तक कि जब कुल वायुप्रवाह पर्याप्त होता है, एक घने रैक के अंदर ऊर्ध्वाधर ग्रेडिएंट (vertical gradient) पर्याप्त नहीं होता है: 40 kW रैक के शीर्ष पर सर्वर नीचे के सर्वर की तुलना में मापी जा सकने वाली गर्म हवा खींचते हैं, और घटक की उम्र तापमान का अनुसरण करती है। सेमीकंडक्टर (अर्धचालक) विश्वसनीयता दस-डिग्री नियम (ten-degree rule) का पालन करती है, जहाँ 10°C की वृद्धि घटक के जीवनकाल को लगभग आधा कर देती है, और क्षेत्र के आँकड़े लगभग 55 प्रतिशत इलेक्ट्रॉनिक विफलताओं का कारण अत्यधिक या असमान तापमान को मानते हैं। यह दीवार एक क्षमता दीवार होने के साथ-साथ एक विश्वसनीयता दीवार भी है।

चिप साइड ने हवा को वर्षों पहले पीछे छोड़ दिया था

रैक का दृश्य समस्या को कम आंकता है, क्योंकि बाध्यकारी अवरोध (binding constraint) सिलिकॉन पर बनता है। फोर्स्ड एयर कूलिंग डिवाइस की सतह पर 1.6 W/cm² हीट फ्लक्स के करीब अपनी अधिकतम सीमा पर पहुंच जाती है। वर्तमान एक्सेलेरेटर्स ने उस आंकड़े को कई पीढ़ियों पहले ही पार कर लिया था: H100 क्लास 700 W प्रति पैकेज पर 86 W/cm² के करीब चलती है, B200 पैकेज की शक्ति को दोगुना करके 1,000 W कर देता है, और B300 रोडमैप 1,400 W तक पहुंच जाता है, जिसमें गर्मी पैकेज से बहुत छोटे चिपलेट ज़ोन पर केंद्रित होती है। हीटसिंक और पंखे की कोई भी व्यवस्था इतनी चौड़ाई के अंतर को बंद नहीं कर सकती; संवहनी गुणांक (convective coefficient) को बदलना चाहिए, जिसका अर्थ है चिप की सतह पर तरल पदार्थ। कोल्ड प्लेट्स (Cold plates) माइक्रोचैनल फ्लो को सिलिकॉन के कुछ मिलीमीटर के भीतर लाकर इसे पूरा करती हैं, और परिणामी 0.02 से 0.10°C/W का थर्मल प्रतिरोध उस किसी भी चीज़ से परिमाण के क्रम (order of magnitude) से परे है जो हवा प्रदान कर सकती है।

सीमा पार करने के बाद दक्षता बहीखाता कैसा दिखता है

परिचालन (operational) स्थिति भौतिकी की स्थिति को और बढ़ा देती है। एयर-कूल्ड सुविधाएं आमतौर पर 1.4 और 1.8 के बीच PUE पर चलती हैं, जिसमें अच्छी तरह से अनुकूलित कंटेनमेंट 1.2 से 1.3 तक पहुंचता है; लिक्विड-कूल्ड हॉल काफी हद तक जलवायु से स्वतंत्र होकर 1.05 से 1.15 तक बनाए रखते हैं। विश्वसनीयता तापमान के साथ चलती है: सर्वर के पंखे को खत्म करने से फील्ड विफलताओं के एक बड़े हिस्से के लिए जिम्मेदार घटक वर्ग (component class) हट जाता है, और प्रलेखित डिप्लॉयमेंट विफलताओं के बीच औसत समय (MTBF) 40,000 से बढ़कर 65,000 घंटे होने की रिपोर्ट करते हैं, तरल पदार्थ द्वारा बनाए गए कम, स्थिर तापमान पर हार्ड ड्राइव को सेवा जीवन का लगभग 20 प्रतिशत अधिक लाभ मिलता है। ध्वनिकी (Acoustics) समान दिशा का अनुसरण करती है, 85 से 95 dBA गर्म गलियारों से नीचे संवादी (conversational) स्तरों की ओर। बहीखाते की प्रत्येक पंक्ति एक ही स्रोत पर वापस जाती है: संवहनी गुणांक बदल गया, और गर्मी हटाने के बाद सब कुछ आसान हो गया।

दीवार पार करना: क्या बदलता है और क्या रहता है

संक्रमण का रास्ता पहचाने जाने वाले चरणों से होकर गुजरता है। रियर-डोर हीट एक्सचेंजर्स सर्वर को छुए बिना एक मौजूदा एयर हॉल को तरल परिवहन में बदल देते हैं, प्रति रैक 40 से 80 kW तक की सेवा देते हैं जबकि लोड बेस इससे अधिक को उचित ठहराता है। डायरेक्ट-टू-चिप कोल्ड प्लेट्स 35 kW से आगे का भार संभालती हैं और वर्तमान AI डिप्लॉयमेंट पर हावी हैं, मानक चेसिस और सर्विस वर्कफ़्लो को बनाए रखते हुए एक कूलेंट डिस्ट्रीब्यूशन यूनिट (CDU) लूप का प्रबंधन करती है; आर्किटेक्चर और इसके घटकों को कूलेंट डिस्ट्रीब्यूशन यूनिट क्या है और यह कैसे काम करती है में कवर किया गया है। इमर्शन उच्चतम घनत्व के लिए ऊष्मा पथ से हवा को पूरी तरह से हटा देता है। तीनों में जो बात समान है वह है विश्वसनीय तरल परिसंचरण (liquid circulation) की आवश्यकता, और यहीं पर इंजीनियरिंग की चर्चा पंपों की ओर मुड़ जाती है।

एक बार जब आप पार कर लेते हैं, तो पंप जोखिम वहन करता है

लिक्विड कूलिंग वायुप्रवाह की सीमाओं को हाइड्रोलिक आवश्यकताओं से बदल देती है: कोल्ड प्लेट माइक्रोचैनल प्रतिरोध के विरुद्ध स्थिर दबाव, निरंतर परिवर्तनीय-गति ड्यूटी, ग्लाइकोल कूलेंट रसायन विज्ञान, और लाइव उपकरणों के ऊपर पूर्ण रिसाव अखंडता। पंप वह घटक बन जाता है जो भौतिकी के लाभ को दैनिक विश्वसनीयता में परिवर्तित करता है। सील-रहित मैग्नेटिक ड्राइव सर्कुलेशन पंप, जिनके गीले रास्ते स्टेनलेस स्टील के बने होते हैं, जैसे कि MDW श्रृंखला, शून्य-रिसाव और निम्न-प्रवाह स्थिरता आवश्यकताओं को सीधे पूरा करते हैं, और पूरी चयन रूपरेखा AI डेटा सेंटर लिक्विड कूलिंग पंप चयन गाइड में दिखाई देती है।

Aulank Pump डेटा सेंटर लिक्विड कूलिंग लूप्स के लिए सील-रहित वॉर्टेक्स मैग्नेटिक ड्राइव पंप बनाती है, जो हीलियम रिसाव-परीक्षण रोकथाम के साथ −196°C से +400°C तक वॉटर-ग्लाइकोल मीडिया के लिए रेट किए गए हैं। यदि आपका प्रोजेक्ट हवा की दीवार को पार कर रहा है, तो हमें लूप फ्लो और प्रेशर ड्रॉप डेटा भेजें और हमारी इंजीनियरिंग टीम साइज़िंग कैलकुलेशन के साथ एक मेल खाने वाला पंप वापस कर देगी। अपने लिक्विड कूलिंग प्रोजेक्ट पर चर्चा करने के लिए हमसे संपर्क करें।