Выбор эффективной системы охлаждения

В первую очередь посмотрим, что из себя представляет система охлаждения современного серверов, и каких видов она бывает

Устройства охлаждения, применяемые для различных элементов компьютера, являются очень важной частью всей системы, а потому отсутствие должного внимания и знаний при выборе кулера может привести к значительному снижению отказоустойчивости сервера в целом.

То, что сервер, который приобретается в собранном виде, уже оснащен как минимум двумя кулерами, еще не гарантирует должного охлаждения, а, следовательно, бесперебойной работы. Следует помнить, что значительное число всякого рода отказов, зависания программ и операционной системы, несанкционированная перезагрузка, заметное снижение производительности сервера, повышенный шум, отказ включаться с первого раза – все это может быть признаком неправильного выбора кулера.

Причем в данном аспекте под кулером следует понимать не просто моторчик с вентилятором, а всю систему охлаждения того или иного модуля. Эта система состоит из рассеивающей части, которая чаще всего представлена радиаторами различной формы и размера, а также из устройства обеспечения воздушного потока или конвенции, которые представлены, как правило, многолопастными вентиляторами или крыльчатками.

Это так называемая активная воздушная система охлаждения, которая на сегодняшний день используется в 90% компьютеров в мире. Ее достоинства — невысокая сложность установки и небольшая стоимость (в сравнении с более сложными системами охлаждения).

Недостатки — шум, уровень которого зависит от выбранных вентиляторов, т.е. от их размеров, технических характеристик, производителя, марки.

Бывают и более простые системы охлаждения, называемые пассивными. Применяются они только тогда, когда возможно их безопасное применение. Они состоят только из радиатора.

Единственным плюсом в них считается идеальная тишина и относительно легкое обслуживание, которое заключается в периодическом удалении пыли из радиатора. Но эффект от такого охлаждения очень и очень невелик, а увеличить его можно лишь только за счет увеличения размеров радиатора, что не всегда возможно в условиях ограниченного пространства корпуса системного блока, да и габариты других его компонентов зачастую мешают это сделать.

Прошло уже то время, когда экзотикой считались кулеры на тепловых трубках. Они весьма эффективны уже в силу своей конструкции, так как отводит тепло не простым механическим контактом, а за счет свойств жидкого охлаждающего агента. Во всех случаях, когда обычные кулеры не удовлетворяют поставленным требованиям, есть смысл в применении кулеров на тепловых трубках. Единственным их недостатком является повышенная цена, но это с лихвой компенсируется идеальным балансом между малым шумом и высокой эффективностью.

Бывают и более сложные, чем воздушные, это активные жидкостные системы охлаждения, включающие в себя систему помп и трубопроводов, по которым непрерывно циркулирует жидкость (обычно это вода).

Такая система очень эффективна, малошумна, но большая стоимость и высокая сложность монтажа — не всем подходит. Да и опасность ее разгерметизации, влекущая за собой попадание жидкости на электронные компоненты, и как следствие, короткое замыкание и выход их строя, порой говорят не в ее пользу при выборе.

Ну и еще более серьезная система охлаждения, такая же, как и жидкостная, но в ней используется жидкий азот. Эффективность ее на самом высочайшем уровне! Стоимость, чрезвычайная сложность монтажа и обслуживания — тоже!

То есть, во всех случаях, система охлаждения должна состоять из радиаторов и, собственно, конкретного способа его охлаждения.

Рассмотрим нюансы выбора воздушной активной системы охлаждения

В любом случае при выборе кулера, как для процессора, так и для блока питания или для охлаждения массива жестких дисков, всегда возникает определенный компромисс между шумовым давлением приборов охлаждения и их эффективностью. Причем иногда важнее оказывается эффективность прибора, а иногда не менее важным оказывается низкий уровень шума.

Так, для серверов, в задачу которых входит длительная, непрерывная и бесперебойная работа, важнее эффективность кулера. Шумом можно либо пренебречь, либо установить такой сервер в отдельном помещении, где шумовая нагрузка не будет иметь большого значения. Для серверов же, работающих в жилых помещениях, на звуковых студиях и в медицинских учреждениях, низкий уровень шума бывает важен.

Самым важным «проблемным» параметром, от которого зависит как создаваемый кулером шум, так и его эффективность в качестве элемента охлаждения, является оборотистость вентилятора. Чем больше оборотов в минуту (RPM) делает мотор и лопасти вентилятора, тем выше уровень шума, но тем большее количество воздуха прогоняет система, а, следовательно, выше ее эффективность. Можно смело утверждать, что уровень шума зависит от оборотов на полных 80 процентов. Остальные 20 процентов приходятся на конфигурацию лопастей вентилятора, а также на другие элементы охлаждения, рассекающие воздушный поток и приводящие к образованию вихрей.

Также возможны и чисто механические шумы в подшипниках. Необходимо отметить, что самым надежным и идеальным вариантом для вентиляторов являются подшипники качения, или, как их еще называют, шарикоподшипники. Преимущества их перед подшипниками скольжения несомненны: это повышенная износостойкость и, как следствие, более долгий срок службы. Ведь смазка в подшипниках скольжения, высыхая препятствует нормальному вращению вентилятора, что замедляет его работу, и в конце концов приводит к выходу его из строя.

Такие кулеры просто не нужно приобретать, отсеивая их при выборе. Также, легенда о том, что шум подшипников можно устранить смазкой, не подтверждается практикой. Наоборот, как правило, разборка вентилятора и внесение смазки усиливают шум, а не снижают его, что подтверждается объективными замерами шумового давления. Допустимым принято считать уровень шума от 30 до 40 Дб, но комфортным и желательным все же считается шум громкостью не более 30 Дб.

Немаловажно, что уровень шума напрямую зависит и от диаметра вентилятора, ведь у больших кулеров диаметром 120-140 мм на самых малых оборотах производительность такая же, как у небольших вентиляторов диаметром 80-90 мм, работающих на самых больших оборотах. Понятно, какой из этих вентиляторов будет громче «шуметь» — тот, у которого больше скорость вращения.

Точное число оборотов вентилятора не указывается в его маркировке, а отображается либо литерами L, M, H, означающих «низкие», «средние» и «высокие», либо делится на классы по рабочему току. При важности эффективного охлаждения следует выбирать кулеры с высокими оборотами, а при необходимости малого шума – с низкими. Но не следует забывать о понижении эффективности охлаждения в этом случае.

Компромисс между шумом и эффективностью можно частично решить за счет применения более эффективных радиаторов с менее шумящими вентиляторами. Здесь на первое место выходят такие параметры радиаторов, как их масса, геометрия и материал изготовления. Следует помнить, что медный радиатор заметно эффективнее алюминиевого, но и дороже его, тяжелый эффективнее, но занимает больше места, а радиатор с очень рассеченной геометрией (обилием тонких ребер большой площади) тоже эффективнее, но очень быстро и плотно запылится. Это необходимо учитывать, так как, выбрав подобный радиатор, вместо эффективности можно получить перегрев, стоит лишь прозевать момент образования толстой «шубы» из пыли.

Несколько рекомендаций по выбору систем охлаждения для процессоров:

а) Если в ваши планы не входит разгон ЦП, эксперименты с повышением его производительности, и вам неважен уровень шума, издаваемый вашим сервером, можно не задумываться и приобрести любой кулер в пределах 200-400 рублей (алюминиевый радиатор плюс простенький вентилятор диаметром 80 мм). Еще проще, если вы приобрели процессор вместе с кулером (комплектация «BOX»);

б) Для более производительных систем, рассчитанных на игры и разный мультимедийный контент, желательно приобрести кулер посерьезнее, состоящий из медного или медно-алюминиевого радиатора и тепловых трубок, а также качественного малошумного вентилятора. Стоимость его — порядка 400-900 рублей;

в) Самые дорогие (от 1000 руб. и выше) и массивные (и по весу, и по размерам) кулеры, предназначенные для охлаждения самых «горячих» — разогнанных процессоров. Альтернативой им могут служить СВО (системы водяного охлаждения), но из-за большой (до 10000 рублей и выше) цены и определенных трудностей, связанных с установкой и обслуживанием, они используются только профессионалами и то крайне редко.

Само собой, при выборе особое внимание необходимо уделить совместимости кулера с процессором и с материнской платой.

И хотя рекомендации, приведенные выше, больше подходят для выбора процессорных кулеров, но где-то их можно применить и при выборе способов и систем охлаждения процессоров видеокарт,чипсетов, микросхемоперативной памяти, и, конечно, самого системного блока.

И последнее, следует обращать внимание на производителей приобретаемых кулеров. Самыезнаменитыеипопулярныебренды — Noctua, ArcticCooling, Zalman, Thermaltake, Xilence, CoolerMaster, Scythe.

1.6 Иммерсионное жидкостное охлаждение для
серверов

Охлаждение методом прямого погружения помогает поддерживать нужную температуру для серверов и прокладывает путь для следующего поколения ультра-плотных систем. Не воздух и не вода, а масло – будущее ЦОДов. Размещение серверов в ЦОДах становится более плотным и приводит к увеличению температуры в стойках.

Погружение в жидкий хладагент может заменить традиционные методы воздушного охлаждения для дата-центров и больших серверов с высокой плотностью.

Для современных серверов требуется множество вентиляторов, чтобы направлять большие потоки воздуха в сторону горячих компонентов по тщательно выверенным коридорам в каждом корпусе. Но вентиляция наращивает энергопотребление системы и значительно увеличивает шумы, а также риски.

Из-за отказов вентиляторов на объекте могут возникнуть проблемы. Создатели современной конструкции процессоров работают над тем, чтобы снизить энергопотребление и выделяемое тепло, но становится ясно, что традиционные системы охлаждения воздуха ограничивают потенциальную плотность процессоров и систем.

Конструкторы надеются преодолеть ограничения воздушного охлаждения, предлагая погрузить оборудование серверов или других систем непосредственно в жидкость.

Непосредственное охлаждение методом погружения − новая технология, способная произвести революцию в отрасли дата-центров, но эта она требует компромиссов. Необходимо рассмотреть внимательнее все «за» и «против», возможную пользу и требования, необходимые для ее поддержки.

Жидкость – отличная охлаждающая среда, потому что она гораздо плотнее воздуха, а плотные носители в целом облегчают изменения тепловой энергии. Циркулирующая в дата-центрахчиллерная вода была одним из основных хладоносителей в теплообменниках на протяжении долгого времени.

Но воду и электричество нельзя смешивать. Вода проводит электрический ток и вызывает коррозию. Нарушения в водяном контуре может иметь разрушительные последствия для систем и сооружений. Эти доводы тормозят развитие водного охлаждения в дата-центрах большинства провайдеров.

Новый метод заключается в выборе других жидкостей для системы охлаждения. Обычная вода заменяется на другое вещество, непроводящее ток и неагрессивное к покрытиям, например, минеральное масло или различные смеси (такие, как продукт 3М компании Novec или GreenDEF компании GreenRevolutionCooling).

Выбранный состав позволяет напрямую погрузить горячие компоненты (или всю систему целиком) для более эффективного охлаждения без повреждения компонентов или изменения электромагнитных характеристик чувствительных электронных схем.

Есть два основных подхода к жидкостному охлаждению методом погружения: простое и двухфазное охлаждение.

Простой охлаждение основано на принципе полного погружения серверов в ванну с охлаждающей жидкостью. Тепло от процессора, элементов памяти, жестких дисков и других устройств поглощается жидкостью, которая циркулирует с помощью обычного чиллера или другого теплообменника и поддерживает температуру на нужном уровне.

Рисунок 5 – Схема работы чиллера

Иммерсионные системы (такие как CarnotJet от GreenRevolutionCooling) − это простой и эффективный процесс.

Некоторые системы основаны на циркуляции охлаждающей жидкости через индивидуальные защищенные лопасти, а не погружении целой стойки. Один из производителей таких систем, LiquidCoolSolutions, прокладывает систему через массив серверных модулей и создает общую петлю циркуляции.

Двухэтапный подход к жидкостному охлаждению используется в таких системах, как Immersion-2 от компании AlliedControl. Серверы и другое оборудование находятся в наполненной ванне. Выбранная этим производителем жидкость, неагрессивная и не проводящая ток, имеет гораздо более низкий температурный порог для кипения - обычно близкий к 49’C по Цельсию (около 120’ по Фаренгейту). Тепло от серверного процессора и других компонентов заставляет жидкость кипеть. Температура снижается, когда появившийся пар конденсируется вокруг охлажденной катушки или другого конденсатора для сбора и повторного использования жидкости.

Предполагаемое преимущество двухфазного охлаждения – высокая эффективность. Хладагент не нужно подкачивать дополнительно, поскольку циркуляция идет пассивно. Это означает, что не требуется насос для перемещения массы охлаждающей жидкости, которая остается в защищенном резервуаре. Пар конденсируется на локальном конденсаторе. Необходимый уровень температуры в конденсаторе поддерживается с помощью обычной охлажденной воды. Для поддержки такой системы нужно гораздо меньше энергии, чем в других конструкциях, а цикл с фазами трансформации жидкости-пар-жидкость перерабатывает огромное количество тепла.

1.6.1 Очевидные преимущества