W niniejszym artykule skupię się na zagadnieniach dotyczących chłodzenia procesorów, które są podstawowym elementem każdego serwera zlokalizowanego w Centrach Przetwarzania Danych. Procesor w czasie swojej pracy wydziela duże ilości ciepła, które należy odprowadzić, aby serwer mógł w miarę efektywnie pracować.

Z doświadczeń firm komputerowych wynika, że ze wzrostem temperatury serwera, jego praca staje się wolniejsza. Stosowane obecnie metody chłodzenia procesorów ograniczają się do konwekcyjnego odprowadzenia ciepła (rys. 1.) wydzielanego przez procesor i przy pomocy wentylatora odprowadzenie tego ciepła poza serwer. W Centrach Przetwarzania Danych chłodzonych obecnie centralnie, ciepło to odprowadzane jest na zewnątrz poprzez układ chłodniczy. Nie jest to najefektywniejsza metoda chłodzenia procesorów, ponieważ aby schłodzić procesor do optymalnej temperatury, trzeba by wychłodzić Centrum Przetwarzania Danych do bardzo niskiej temperatury, co z kolei miałoby niekorzystny wpływ na pracę serwera i wysoki koszt centralnego układu chłodniczego. Ze względu na niską efektywność obecnego sposobu chłodzenia serwerów, przodujące firmy produkujące serwery zastanawiają się nad innymi, bardziej efektywnymi metodami chłodzenia procesorów. 

Rys. 1. Serwer (a) i jego wewnętrzne elementy (b) fi rmy Oracle – USA

Obecny stan chłodzenia serwerów

Pomieszczenia, w których instalowane są serwery, wymagają instalowania układów chłodniczych o dużej wydajności. Związane to jest z trzema podstawowymi elementami wydzielającymi i emitującymi ciepło w serwerowni. Największym obciążeniem cieplnym dla instalacji chłodniczej w Centrach Przetwarzania Danych (Data Centers) są serwery. Mniejsze obciążenie cieplne pochodzi od oświetlenia i przenikania ciepła do wnętrza Centrum Przetwarzania Danych przez przegrody. W obecnie istniejących i budowanych Centrach Przetwarzania Danych stosuje się chłodzenie całej przestrzeni Centrum, którego powierzchnia i objętość są bardzo duże. W takich przypadkach wydajność chłodnicza instalacji jest bardzo duża, a chłodzenie przestrzeni Centrum Przetwarzania Danych odbywa się poprzez wymuszony przepływ powietrza chłodnego, które nie tylko obniża temperaturę serwera, ale również wychładza całą objętość wewnętrzną Centrum. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że obecnie wymagana temperatura w Centrum Przetwarzania Danych powinna wynosić około 15°C, to możemy sobie wyobrazić wydajność chłodniczą instalacji chłodzącej Centrum. Temperatura otoczenia serwera około 15°C nie zapewnia procesorowi zainstalowanemu w serwerze temperatury, w której ma on największą wydajność przetwarzania i przesyłania danych. Jeżeli przyjrzymy się typowemu elementowi pojedynczego serwera (rys. 1.), który jest zainstalowany w serwerze centralnym (rys. 2.), to zauważymy, że omywające serwer chłodne powietrze nie ma możliwości dotarcia do podstawowego elementu serwera, jakim jest procesor. Faktem jest, że na każdym procesorze zainstalowany jest żebrowy wymiennik ciepła (rys. 1.), który poprawia wymianę ciepła pomiędzy otaczającym go powietrzem a procesorem. Obecne wymiary procesorów to z reguły 26 x 32mm. Jak się okazuje, wymagania odnośnie szybkości przekazywania i przetwarzania danych rosną i już myśli się o zwiększeniu szybkości przetwarzania i przekazywania danych, co spowoduje powiększenie powierzchni procesorów, a to z kolei wpłynie na zwiększone wydzielanie ciepła przez procesor i będzie wymagało rozbudowy dotychczas istniejącej instalacji chłodniczej Centrum. Aby procesor był w stanie pracować w zakresie swoich optymalnych szybkości, wymagana temperatura jego powierzchni powinna być około 8÷10°C. Oczywiście nie jest się w stanie osiągnąć tej temperatury procesora, stosując obecnie projektowane i instalowane centralne systemy chłodzenia Centrów Przetwarzania Danych. Utrzymanie wymaganej temperatury nie tylko optymalizuje szybkość przesyłania i przetwarzania danych, ale również poprawia zdecydowanie ich jakość.

Obecnie produkowane procesory wydzielają około 70 W/h energii cieplnej w czasie ich normalnej pracy. W przypadku procesorów o zwiększonej powierzchni i zdecydowanie większej szybkości przetwarzania i przekazywania danych, szacuje się, że większy procesor będzie wydzielał około 150 W/h energii cieplnej. Znając te wielkości, nietrudno wyliczyć ilość wydzielanego ciepła przez każdy zainstalowany serwer. Musimy pamiętać, że ilość wydzielanego przez procesor ciepła jest funkcją ilości operacji w jednostce czasu i szybkości, z jaką procesor przetwarza otrzymane dane.

Czego należy oczekiwać w najbliższej przyszłości

W związku z bardzo szybko rosnącym zapotrzebowaniem na Centra Przetwarzania Danych, których użytkownikami są praktycznie wszystkie gałęzie przemysłu i obsługi społeczeństwa (banki, wielkie korporacje, centra obliczeniowe, telekomunikacja, systemy obrony, sieci telewizyjne, urzędy rządowe i prowincjonalne, szpitale, linie lotnicze, elektrownie i sieci przesyłania energii elektrycznej itp.), producenci serwerów zastanawiają się jak zwiększyć szybkość przetwarzania danych przez procesory, z jednoczesnym skutecznym zabezpieczeniem ich przed awariami, które w wielu przypadkach potrafi ą wyłączyć z pracy wiele działów gospodarki i narazić ich użytkowników na duże straty finansowe.

Wymagania stawiane w przyszłości serwerom:

1. Najważniejszym czynnikiem wymaganym od serwera jest jego niezawodność pracy. Oczekuje się, i w tym kierunku idą prace badawcze i doświadczalne firm produkujących serwery, że serwer powinien pracować w sposób ciągły i bezawaryjny minimum 7 lat z 5% degradacją jego pierwotnych parametrów pracy po 7 letnim okresie ciągłej eksploatacji.
2. Jeżeli chodzi o niezawodność procesora, to dopuszcza się jego awaryjność nie większą niż 100 części/milion w czasie ciągłej jego pracy w ciągu 7 lat.
3. Wibracja procesora powinna być zminimalizowana poprzez takie zainstalowanie elementów chłodzących procesor, aby ich drgania nie przenosiły się na płytę, na której zainstalowany jest procesor.
4. W przypadku zainstalowania elementów wymagających napędu elektrycznego, do zasilania tych elementów powinien być użyty prąd stały o napięciu 5 lub 12 V.
5. Każdy obracający się mechanizm (np. pompa), zainstalowany na płycie serwera powinien być wyposażony w tachometr, który by kontrolował jego pracę.
6. W przypadku zainstalowania chłodzenia procesorów z użyciem chłodnego powietrza omywającego żebrowane elementy odprowadzające ciepło od procesora, temperatura powietrza powinna wynosić około 5°C, a zalecane masowe natężenie przepływu powietrza chłodzącego procesor powinno wynosić około 0,028 m3/sec.
7. Łatwość wymiany niepracującego indywidualnego serwera (rys. 1.) wraz z jego systemem chłodzenia.
8. Układ chłodzący procesory powinien być zainstalowany na jednej podstawie z jednoczesnym chłodzeniem dwóch procesorów. 
9. Równomierny odbiór ciepła z całej powierzchni procesora. 
10. Limitowana wysokość całego układu chłodzącego nie przekraczająca 26 mm (odległość od powierzchni procesora do górnej ścianki serwera).
11. Indywidualny układ chłodzący procesory powinien być zintegrowany z serwerem, to znaczy zamontowanym w sposób stały do płyty, na której są zainstalowane procesory. 
12. Koszt systemu chłodzącego dwa serwery nie powinien przekroczyć kwoty około $120.00.

Rys. 2. Szafa z zestawem serwerów z rysunku 1. firmy Oracle – USA

Metody bezpośredniego chłodzenia procesorów

Jak z powyższej analizy można wywnioskować, obecne metody chłodzenia procesorów są wyjątkowo mało efektywne, co powoduje spowolnienie przetwarzania i przesyłania danych spowodowane wzrostem ich temperatury. Użytkownicy serwerów naciskają na ich producentów, aby serwery miały dużo wyższą efektywność pracy. W tym celu wiele placówek badawczych a szczególnie przodujących producentów procesorów starają się zwiększyć wydajność ich pracy poprzez powiększenie ich wymiarów, jak również poprzez bardziej efektywne ich chłodzenie. W niniejszym artykule nie będę omawiał budowy procesorów i metod przyspieszenia ich pracy poprzez zmianę ich budowy i konstrukcji. W artykule skoncentruje się na zewnętrznych (tak bym to nazwał) metodach przyspieszenia przetwarzania i przekazywania danych przez procesor. Wyróżniłbym tutaj trzy podstawowe metody, jakie mogą być użyte przez producenta serwerów, celem usprawnienia pracy procesora. Jest to indywidualne chłodzenie każdego procesora.

W tym przypadku wyróżniłbym następujące potencjalne metody indywidualnego chłodzenia procesorów:

• schłodzone powietrze omywające procesor,
• system wodny chłodzenia procesorów,
• chłodzenie mechaniczne procesorów,
• chłodzenie termoelektryczne.

Każda z wyżej wymienionych metod ma swoje zalety i wady, które będą omówione poniżej.

Rys. 3. Widok procesora chłodzonego układem wodnym fi rmy Fujitsu, Japonia

Chłodzenie procesorów omywającym go schłodzonym powietrzem

(...)

Chłodzenie procesorów schłodzoną cieczą

(...)

Mechaniczne chłodzenie serwerów

(...)

Wymiary procesora

(...)

Chłodzenie termoelektryczne

(...)

Podsumowanie

W tym momencie należy zadać pytanie, jakie mamy obecnie możliwości zaprojektowania instalacji chłodzenia procesorów? Chłodzenie schłodzonym powietrzem i wodne nie wchodzi w rachubę ze względów omówionych powyżej. A co można powiedzieć o mechanicznej instalacji chłodniczej, chłodzącej w sposób bezpośredni procesory w serwerach? Parownik i skraplacz mogą być zaprojektowane zgodnie z wymaganiami producentów serwerów. Wszystkie do nich elementy są ogólnie dostępne. Dobór rurki kapilarnej i przewodów łączących ze sobą wszystkie elementy systemu chłodniczego również nie stanowi problemu. Problemem otwartym pozostaje zaprojektowanie, wykonanie i przebadanie sprężarki o odpowiednio małej wysokości. Jak wynika z rysunku 7. możliwości techniczne istnieją. Pozostaje pytanie, czy znajdzie się fi rma produkująca sprężarki, która zdecyduje się na produkcję tak małej sprężarki. Oczywiście koszt takiego projektu nie jest mały, ale pod uwagę muszą być wzięte takie czynniki, jak wielkość zapotrzebowania, które obecnie szacuje się na ponad milion sztuk rocznie. Sądzę również, że w przypadku podjęcia się przez fi rmę zaprojektowania i produkcji takiej sprężarki a w efekcie końcowym całego systemu chłodniczego, można wynegocjować co-sponsorowanie projektu przez firmę lub firmy produkujące serwery na masową skalę.

Rys. 7. Minisprężarka firmy Embraco

Większe nadzieje moim zdaniem można wiązać z chłodzeniem termoelektrycznym, w którym w ciągu krótkiego czasu będą zastosowane bardziej efektywne materiały. Poza tym można zaprojektować i wykonać układ „hybrydowy”, łącząc układ chłodzenia cieczą z elementem termoelektrycznym chłodzącym krążącą w układzie ciecz. Jak się okazuje, przy odrobinie inwencji, możliwe jest znalezienie odpowiedniego układu chłodzenia procesorów w serwerach.

Rys. 8. Termoelektryczny element chłodzący

W przypadku serwerów, pewność i szybkość pracy procesorów są nie do wyceny i każdy użytkownik serwera chętnie zapłaci wyższą cenę, wiedząc, że serwer będzie spełniał postawione przed nim wymagania.

Andrzej WESOŁOWSKI

były pracownik Carrier, York i Embraco, USA