ANSYS Icepak tối ưu công nghệ làm mát máy chủ bằng chất lỏng

Bởi Kåre Elgaard Buskov, Kỹ sư nhiệt, và Mette Normolle, Phó Chủ tịch hiệp hội kỹ thuật, Asetek A / S, Aalborg, Đan Mạch

Để giải quyết các nhu cầu lớn về năng lượng, nhiều trung tâm dữ liệu đang tăng cường sử dụng chất làm mát dạng lỏng để bổ sung, thậm chí thay thế các hệ thống làm mát bằng khí. Asetek, nhà cung cấp hệ thống làm mát bằng chất lỏng khép kín hàng đầu cho các trung tâm dữ liệu đã sử dụng ANSYS Icepak để mô phỏng nhiệt, tối ưu hoá hệ thống làm mát.

Nhiệt độ thiết bị quá cao là kẻ thù của ngành công nghiệp dữ liệu lớn (big data). Các hoạt động sản xuất, lưu trữ, phân tích dữ liệu lớn đòi hỏi nguồn năng lượng lớn để xử lý nhanh và mạnh mẽ hơn. Các chu kì tính toán bắt buộc trong mạng lưới kết nối vạn vật (Internet of Things -IoT) sản sinh ra nhiệt năng khổng lồ, và chúng cần bị loại bỏ.

Năm 2013, các trung tâm dữ liệu Mỹ tiêu thụ 86 tỉ kWh chỉ để làm mát các máy chủ của họ, tương đương với việc cung cấp điện cho 7,6 triệu gia đình. Các máy chủ của các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới cần khoảng 1,5% lượng điện được sinh ra mỗi năm.

Để giảm thiểu điện năng tiêu thụ, nhiều trung tâm dữ liệu tăng cường sử dụng chất làm mát dạng lỏng để bổ sung, thậm chí thay thế những hệ thống làm mát bằng khí. Công ty Asetek - Đan Mạch công ty dẫn đầu trong việc cung cấp các hệ thống làm mát khép kín bằng chất lỏng cho các trung tâm dữ liệu.

Họ đã nghiên cứu phát triển thành công các hệ thống làm mát đáp ứng được yêu cầu của các trung tâm dữ liệu có hệ thống máy chủ dày đặc và độ tuỳ biến cao. Như một phần của quy trình thiết kế, quá trình mô phỏng nhiệt với phần mềm tính toán động lực chất lỏng là vô cùng cần thiết và ANSYS Icepak là một công cụ quan trọng để tối ưu hoá các thành phần của hệ thống làm mát.

Hệ thống làm mát bằng chất lỏng khép kín

Trong một hệ thống làm mát khép kín của Asetek, chất lỏng làm mát chủ yếu là nước. Hệ thống này nhằm trực tiếp đến các khu vực có thông lượng nhiệt cao trong máy chủ , chủ yếu là các CPU, các GPU và các mô-đun bộ nhớ có nhiệt độ hoạt động từ 70° C đến 95°C (158°F đến 203°F). Bộ phận chính của hệ thống làm mát riêng biệt gồm một tấm kim loại, bơm, các đầu nối nhanh không thấm nước, các đường ống dẫn và ống thoát.

Tấm kim loại làm mát được gắn tại các khu vực, chuyển nhiệt từ vi mạch đến chất lỏng làm mát, chất này được bơm ra ngoài giàn máy chủ và qua bộ phận phân phối chất làm lạnh cho tháp giàn. Chất lỏng này đi qua bộ trao đổi nhiệt và được làm mát bằng nước trước khi vào lại máy chủ.

Quá trình làm mát trực tiếp theo cách này yêu cầu tối đa hoá khả năng truyền nhiệt của hệ thống để làm mát bộ xử lý. Các kĩ sư của Asetek nhận thấy cần tối ưu hoá diện tích bề mặt của tấm kim loại truyền nhiệt cho chất lỏng.

Tấm kim loại sẽ gồm một chuỗi những kênh dẫn siêu nhỏ mà có thể bơm chất lỏng vào. Đội ngũ Asetek sử dụng Icepak để hỗ trợ thiết kế và cấu hình của các kênh dẫn siêu nhỏ này nhằm phân tích nhu cầu làm lạnh của các vi mạch khác nhau.

Mô hình Icepak của tấm kim loại CPU trong đó: khối kim loại (màu nâu) và chất lỏng (màu xanh).

Chất lỏng làm mát chảy qua các kênh dẫn ở trung tâm, và chảy qua các kênh dẫn siêu nhỏ trong tấm đồng, và thoát ra theo hai ống dẫn ở phần đầu

Contours của nhiệt độ trên tấm đồng và dòng chất lỏng cho thấy chất lỏng nóng lên trên đường đi của nó khi nó đi qua các chi tiết cần làm mát

Mô phỏng tấm kim loại

Đối với Asetek khi bắt đầu thiết kế tấm kim loại, những nhà sản xuất vi mạch đầu tiên cung cấp dữ liệu về hình học và yêu cầu tản nhiệt của vi mạch hoặc mô-đun cần được làm mát. Tuỳ thuộc vào độ phức tạp thiết bị, các kĩ sư Asetek sau đó sẽ nhập mô hình 3-D CAD hoặc xây dựng mô hình vỉ/mô-đun trực tiếp bên trong Icepak.

Ngoài ra nhóm còn xây dựng mô hình tấm kim loại trước khi sử dụng Icepack để thực hiện phân tích nhiệt tổng thể. Kích thước lưới thông thường cho vùng chất lỏng có thể dao động từ một đến ba triệu phần tử. Một mô phỏng của phạm vi kích thước này hội tụ trong khoảng 10 đến 30 phút chạy trên bốn bộ xử lý.

Các hệ thống này được thiết kế để xử lý trường hợp mà trong đó một vi mạch liên tục ép xung và truyền nhiệt tối đa cho chất lỏng làm mát. Ngoài ra, các kĩ sư phải tạo ra một thiết kế nhỏ gọn hơn để tăng mật độ xử lý bên trong cho các hệ thống máy chủ. Hơn nữa, nhiệt trở của hệ thống phải duy trì nhiệt độ chất làm mát dưới mức tối đa 60˚C (140˚F). Một số thiết kế vi mạch sẽ yêu cầu tốc độ dòng chất làm mát cao hơn để giải nhiệt nhiều hơn.

Thông thường, đội ngũ Asetek sẽ chạy 30 đến 40 mô hình mô phỏng cho một thiết kế tấm kim loại làm mát mới như một phần của nghiên cứu tham số. Họ sẽ thay đổi các thông số như chiều rộng, chiều cao và khoảng cách của các gân siêu nhỏ, độ dày của tấm kim loại, tỉ lệ chất làm mát và nhiệt độ đầu vào của chất làm mát.

Icepak được xem là công cụ tốt để tiến hành các nghiên cứu về thông số khá nhanh chóng. Toàn bộ quá trình, bắt đầu từ hình học vi mạch đến thiết kế tấm kim loại làm mát cuối cùng thường được hoàn thành trong hai tuần.

“Phân tích nhiệt với Icepak cho phép Aseteck tiếp tục cung cấp các giải pháp làm mát hàng đầu cho các công ty IoT”

Khả năng tiết kiệm vật liệu và năng lượng 

Ngoài việc tăng tốc các quá trình thiết kế, tối ưu hoá thiết kế tấm kim loại, Icepack đã cho phép các kĩ sư Asetek đổi từ đồng thành nhôm tuỳ thuộc vào những yêu cầu làm mát cụ thể.

Mặc dù đồng có độ dẫn nhiệt cao, các thiết kế kênh dẫn siêu nhỏ mới với tấm nhôm có thể vượt trội hơn thiết kế chốt gân đồng cho những ứng dụng có mật độ tản nhiệt thấp hơn. Việc thay thế nhôm cho đồng có thể làm giảm chi phí nguyên vật liệu của tấm kim loại khoảng 40%, dẫn đến các giải pháp làm lạnh với chi phí thấp hơn.

Đôi khi một hệ thống làm mát bằng chất lỏng được áp dụng trong trung tâm dữ liệu, có thể làm giảm nhu cầu về những máy quạt gió cùng với các hệ thống điều hoà không khí đắt đỏ, và giảm tổng công suất làm mát cần thiết khoảng 50%. Khoản tiết kiệm đáng kể từ điện năng tiêu thụ trong vòng một năm này cho phép các công ty thu hồi chi phí đầu tư cho hệ thống làm mát bằng chất lỏng.

Sử dụng hệ thống trao đổi nhiệt, chất làm mát từ các máy chủ ở 60°C (tức 140°F) có thể được tái chế để cung cấp nhiệt cho nước, các toà nhà ở và các toà nhà thương mại. Tái sử dụng nhiệt để thông khí có thể có lợi, đặc biệt là trong khí hậu lạnh. Ở trường Đại học Tromso, ngôi trường nằm trên vòng Bắc cực ở Na Uy, chứa 12000 sinh viên và nhân viên được giữ ấm quanh năm do nhiệt mà hệ thống làm mát khép kín Asetek cung cấp.

Tại các trung tâm dữ liệu như Tromso và trên toàn thế giới, các sản phẩm của Asetek đang đi đầu trong khả năng tiết kiệm năng lượng trên quy mô lớn. Phân tích nhiệt cùng với Icepak cho phép Asetek cung cấp các thiết bị có khả năng làm mát hàng đầu trên thị trường cho các công ty cung cấp các giải pháp IoT giúp hàng tỷ người và máy móc kết nối internet.

Về dự định trong tương lai, đội ngũ thiết kế đang điều tra việc sử dụng mô phỏng để tối ưu hoá các máy bơm dẫn chất lỏng làm mát, và luồng không khí đi qua các kệ máy chủ hoàn chỉnh để đảm bảo làm mát đầy đủ cho tất cả các thành phần.

Tất cả điều này đang hướng đến tương lai của việc làm mát mà ngành công nghiệp dữ liệu lớn (big data) không ngừng tìm kiếm.

---

Nguồn: ANSYS Advantage V10I2, 2016

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này