Van bi làm mát bằng chất lỏng trực tiếp-đến{1}}chip: Giải thích các yêu cầu kiểm soát dòng chảy

Khi một kỹ sư trung tâm dữ liệu chỉ định thiết bị làm mát cho giá GPU 100 kW, cuộc trò chuyện thường bắt đầu bằng các tấm lạnh, CDU và bố cục đa dạng. Van là giải pháp thay thế cho đến khi có sự cố xảy ra. Một điểm cách ly bị định cấu hình sai có thể buộc phải tắt toàn bộ giá đỡ trong thời gian bảo trì. Một van không thể phản ứng đủ nhanh trước một sự kiện rò rỉ có thể làm hỏng máy gia tốc trị giá 300.000 USD. Và thành phần điều khiển-lưu lượng có kích thước dành cho hệ thống HVAC của tòa nhà sẽ tạo ra sự mất cân bằng áp suất làm giảm hiệu suất của chip trong vài ngày kể từ khi vận hành thử.

Làm mát bằng chất lỏng trực tiếp-đến-chip (D2C) - trong đó chất làm mát được lưu thông trực tiếp qua các tấm lạnh gắn trên CPU, GPU và mô-đun bộ nhớ - đã chuyển từ một thông lệ thích hợp sang một nhu cầu thiết yếu. Các chip tăng tốc đơn hiện tiêu tán nhiệt lên tới 1.200 W và mật độ ở mức giá-thường đạt từ 60 kW đến 200 kW. Làm mát không khí không thể theo kịp những con số đó. Nhưng việc thay thế quạt bằng vòng chất lỏng có nghĩa là đưa một loại linh kiện cơ khí chính xác mới vào môi trường khô ráo trước đây. Việc lựa chọn van đúng không phải là tùy chọn. Làm sai thì tốn kém.

Bài viết này giải thích những gì hệ thống làm mát D2C thực sự yêu cầu từ van bi, được chia nhỏ theo vai trò chức năng và chuyển những nhu cầu đó thành tiêu chí thông số kỹ thuật cụ thể cho các kỹ sư và nhóm mua sắm.

 

Hệ thống CDU làm mát bằng chất lỏng trung tâm dữ liệu

 

Cấu trúc vòng làm mát D2C như thế nào

Trước khi giải quyết các yêu cầu về van, cần hiểu vị trí của van trong hệ thống D2C.

Bộ phân phối làm mát (CDU) đóng vai trò là bộ trao đổi nhiệt và bơm ở trung tâm của vòng lặp. Nó hút nước ấm trở lại từ các giá đỡ máy chủ, trao đổi nhiệt với nguồn cung cấp nước-làm mát của cơ sở và gửi chất làm mát đã điều hòa trở lại qua các ống phân phối nguồn đến từng giá đỡ. Bên trong mỗi giá đỡ, một cây đa tạp thứ cấp phân nhánh dòng chảy tới các tấm lạnh riêng lẻ. Tại mỗi điểm nhánh và kết nối, van thực hiện một trong bốn chức năng riêng biệt: cách ly, chuyển mạch nhánh, điều chế dòng chảy hoặc ngắt khẩn cấp.

Mỗi chức năng đó đều có những yêu cầu kỹ thuật riêng và không phải thiết kế van bi nào cũng đáp ứng được cả bốn chức năng đó.

 

Bốn vai trò chức năng và yêu cầu của mỗi vai trò

1. Cách ly để bảo trì và dự phòng

Ứng dụng van bi phổ biến nhất trong hệ thống D2C là cách ly mức-giá đỡ. Khi khay máy chủ cần thay thế hoặc tấm lạnh bị rò rỉ, kỹ thuật viên cần giảm áp suất và xả nhánh đó mà không tắt phần còn lại của vòng lặp.

Kiến trúc cách ly-được thiết kế tốt sẽ đặt các van ở cả đường cấp và đường hồi ở giá đỡ-đến-kết nối đa dạng. Đây không phải là sự dư thừa vì lợi ích riêng của nó. Bằng sáng chế từ các nhà khai thác siêu quy mô lớn mô tả sơ đồ cách ly van-kép trong đó van bi trên và van bi dưới hoạt động độc lập, mỗi van có khay rò rỉ riêng. Nếu van trên bị hỏng thì van dưới sẽ đóng lại. Cảm biến rò rỉ bên trong khay giao tiếp với hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) để tự động kích hoạt đóng cửa thứ cấp mà không cần sự can thiệp của con người.

Đối với vai trò này, thông số kỹ thuật quan trọng là thiết kế lỗ-đầy đủ, nghĩa là đường kính trong của lỗ van khớp với đường kính ống. Van lỗ-giảm tạo ra sự sụt giảm áp suất không cần thiết trên mọi điểm cách ly và trong giá có 20 tấm lạnh trở lên chạy song song, những giọt đó sẽ kết hợp nhanh chóng.

Yêu cầu thông số kỹ thuật cho nhiệm vụ cách ly: hình dạng lỗ khoan hoàn toàn-, xếp hạng rò rỉ Cấp VI (tiêu chuẩn chặt chẽ nhất của ngành đối với van ngồi-đàn hồi), thân bằng thép không gỉ 316 để chống ăn mòn trong phòng cơ khí ẩm ướt và hoạt động truyền động tích hợp với tín hiệu điều khiển BMS.

2. Chuyển mạch vòng và bỏ qua

A van bi mặt bích 3 ngãxử lý một trong những công việc đòi hỏi kỹ thuật cao nhất trong hệ thống D2C: định tuyến chất làm mát giữa nhiều đường mạch tùy thuộc vào điều kiện vận hành.

Trong cấu hình làm mát-miễn phí, trong đó nhiệt độ xung quanh đủ thấp để không cần phải làm lạnh cơ học, cấu hình này sẽ chuyển hướng dòng cung cấp qua vòng lặp, bỏ qua hoàn toàn máy làm lạnh và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Trong kiến ​​trúc làm mát dự phòng, cổng thứ hai sẽ chuyển hướng luồng giữa vòng làm mát chính và dự phòng nếu CDU ngoại tuyến.

Độ chính xác cần thiết ở đây cao hơn cách ly bật/tắt đơn giản. Van phải duy trì tỷ lệ phân chia lặp lại giữa các cổng của nó qua hàng nghìn chu kỳ vận hành. Sự lệch vị trí thậm chí chỉ một vài độ cũng có thể làm thay đổi sự phân bổ chất làm mát đủ để ảnh hưởng đến nhiệt độ mối nối phoi. Điều này làm cho việc truyền động điện với phản hồi vị trí trở thành lựa chọn ưu tiên hơn so với vận hành bằng tay. Bộ truyền động khí nén đạp xe trong khoảng thời gian nửa{4}}giây là đủ nhanh để ứng phó với trường hợp khẩn cấp nhưng hao mòn cơ học tích tụ nhanh hơn trong các ứng dụng yêu cầu điều chế liên tục.

Đối với nhiệm vụ chuyển mạch vòng-và vòng lặp, hãy chỉ định một van có hình dạng lỗ khoan cổng T{1}} hoặc cổng L- đặc trưng, ​​bộ truyền động điện có đầu vào điều khiển 4-20 mA hoặc 0-10 V DC và phản hồi vị trí được nối lại với bộ điều khiển quản lý CDU.

 

Van bi mặt bích 3 chiều Leadtek

 

3. Điều chế mức độ-giá đỡ

Không phải tất cả các giá đỡ trong trung tâm dữ liệu đều chạy đồng thời ở cùng một mức tải nhiệt. Một giá máy chủ nhàn rỗi sẽ tiêu thụ ít nhiệt hơn nhiều so với cùng một giá đó trong toàn bộ khối lượng công việc đào tạo AI. Nếu lưu lượng chất làm mát được cố định ở tốc độ tối đa bất kể việc sử dụng máy chủ thì máy bơm sẽ tiêu thụ năng lượng tỷ lệ thuận với trường hợp-xấu nhất suốt ngày đêm.

Kiểm soát luồng động giải quyết vấn đề này. Nghiên cứu của Đại học Texas ở Arlington đã chứng minh thiết bị kiểm soát dòng chảy sử dụng van bi cắt chữ V- được kết nối với động cơ servo vi mô, điều chỉnh lưu lượng ở cấp độ giá đỡ máy chủ dựa trên việc sử dụng-thời gian thực. Trong điều kiện không hoạt động trên toàn bộ giá đỡ, hệ thống đã giảm tới 87% năng lượng bơm. Khi đầy tải, van mở hoàn toàn để cung cấp lưu lượng tối đa.

Van bi hình chữ V{0}}cut (hoặc chữ V{1}}) được thiết kế đặc biệt cho nhiệm vụ điều chỉnh. Không giống như quả cầu có lỗ khoan hoàn toàn-tiêu chuẩn có thể mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn một cách hiệu quả, rãnh chữ V-tạo ra đặc tính dòng chảy-phần trăm bằng nhau: mức tăng vòng quay của van nhất định sẽ tạo ra sự thay đổi tỷ lệ phần trăm trong tốc độ dòng chảy thay vì thay đổi tuyệt đối. Điều này làm cho van tương thích với các vòng điều khiển PID (đạo hàm-tích phân-tỷ lệ), trong đó bộ điều khiển liên tục điều chỉnh lưu lượng để giữ điểm đặt nhiệt độ nguồn cung cấp mục tiêu.

4. Phản ứng rò rỉ và tắt khẩn cấp

Chất làm mát trên thiết bị điện tử là mối quan tâm chính cản trở việc áp dụng làm mát bằng chất lỏng nhanh hơn trong các trung tâm dữ liệu. Các hệ thống D2C hiện đại giải quyết vấn đề này bằng khả năng bảo vệ tự động: van bi dẫn động-điện từ kết hợp với cảm biến phát hiện rò rỉ làm gián đoạn dòng chảy trong vòng một phần nghìn giây sau khi phát hiện độ ẩm tại điểm kết nối.

Đối với nhiệm vụ ngắt khẩn cấp, tốc độ kích hoạt và-hành vi an toàn không thành công quan trọng hơn độ chính xác điều chế luồng. Bộ truyền động khí nén được ưa chuộng hơn vì chúng quay vòng dưới nửa giây và có thể được định cấu hình để-trở lại vị trí đóng khi mất tín hiệu điều khiển. Hành vi đóng-không thành công này sẽ bảo vệ phần cứng nếu bản thân hệ thống điều khiển bị mất điện.

 

Chuyển vai trò thành thông số kỹ thuật

Hầu hết các thông số kỹ thuật của van cho các ứng dụng D2C đều không được xác định rõ vì chúng được sao chép từ HVAC hoặc các mẫu công nghiệp chung. Các tiêu chí sau đây áp dụng cụ thể cho nhiệm vụ D2C.

Vật liệu:Thân và viền bằng thép không gỉ 316 để tương thích với nước khử ion, hỗn hợp nước-glycol và môi trường ăn mòn của phòng dữ liệu làm mát-làm mát bằng chất lỏng. 304 bằng thép không gỉ có thể chấp nhận được đối với các phụ kiện có ứng suất-thấp nhưng không được khuyến nghị cho nhiệm vụ cách ly chính.

Chất liệu ghế:PTFE hoặc TFM (một loại PTFE đã được sửa đổi có độ ổn định kích thước tốt hơn) để tương thích với các chất hóa học làm mát D2C thông thường và hiệu suất bịt kín lâu dài ở mức chênh lệch vận hành từ 5 đến 15 PSI, cửa sổ áp suất điển hình trong nhánh giá đỡ D2C.

Kết nối cuối:Việc chuyển sang ống vệ sinh trong các thiết kế giá máy chủ hiện đại có nghĩa là nhiều van cấp-giá hiện nay yêu cầu ba-kẹp hoặc kết nối đầu vệ sinh tương tự thay vì khớp nối ren NPT hoặc mặt bích. Cấu hình Van bi 3 PC, với ba phần thân có thể tách rời, cho phép thay thế mặt ngồi mà không cần tháo van ra khỏi dây chuyền, một lợi thế bảo trì đáng kể trong môi trường giá đỡ dày đặc nơi khả năng tiếp cận bị hạn chế. Dòng sản phẩm ba{5}}của Leadtek được thiết kế xoay quanh chính xác yêu cầu về khả năng bảo trì này, sử dụng thân bằng thép không gỉ 316 được gia công bằng máy CNC-có độ chính xác cao giúp duy trì độ chính xác về kích thước thông qua chu kỳ nhiệt kéo dài.

Lớp rò rỉ:Loại VI theo ANSI/FCI 70-2, tiêu chuẩn rò rỉ chặt chẽ nhất có thể đạt được trong thiết kế van bi một phần tư vòng quay.

Vòng đời:Các trung tâm dữ liệu AI hoạt động liên tục và các van điều khiển trong mạch rẽ nhánh CDU có thể quay vòng hàng trăm lần mỗi ngày. Xếp hạng chu kỳ tối thiểu là 500.000 lần tác động đối với van dẫn động bằng điện-là mức sàn mua sắm hợp lý. Xác minh với nhà sản xuất và-tham khảo chéo tần suất kiểm soát BMS dự kiến ​​trước khi cam kết.

Tích hợp BMS:Hệ thống D2C được điều khiển bởi hệ thống quản lý tòa nhà theo dõi nhiệt độ, lưu lượng và áp suất trên toàn bộ cơ sở. Các van phải chấp nhận các tín hiệu điều khiển tương tự tiêu chuẩn và trả về phản hồi vị trí trên cùng một giao thức để cho phép xác minh-vòng kín rằng van thực sự đã di chuyển đến vị trí được chỉ huy của nó.

 

Chọn cấu hình van phù hợp theo vị trí

Càng rộng hơnvan bi thép không gỉdanh mục bao gồm nhiều cấu hình khác nhau và không phải mọi cấu hình đều phù hợp với mọi vị trí trong vòng lặp D2C.

Tại kết nối chính CDU, nơi có đường kính ống lớn nhất và áp suất cao nhất, van bi mặt bích có cơ cấu dẫn động-bánh xe bằng tay là điển hình cho trường hợp cách ly không thường xuyên. Ở cấp độ đa dạng của giá đỡ, thân 2-hoặc 3-mảnh nhỏ gọn với bộ truyền động điện sẽ thiết thực hơn vì khả năng tiếp cận giá đỡ bị hạn chế. Ở cấp độ khay máy chủ, nơi thiết kế ổ đĩa có khả năng ngắt kết nối nhanh, van bi vệ sinh có đầu ba kẹp đang trở thành tiêu chuẩn công nghiệp.

Một nguyên tắc lựa chọn được áp dụng bất kể vị trí nào: quyền hạn của van, mô tả mức chênh lệch áp suất tổng của hệ thống mà van điều khiển, phải bằng ít nhất 50% mức giảm áp suất của nhánh. Các van không đủ thẩm quyền không thể điều chỉnh hiệu quả vì các điện trở khác của hệ thống chi phối hành vi dòng chảy.

Leadtek Fluid, hoạt động từ cơ sở sản xuất rộng 37.000 mét vuông ở Quzhou, Chiết Giang, sản xuất đầy đủ các cấu hình van được sử dụng trên các lớp hệ thống D2C, từ bộ cách ly có mặt bích tại CDU đến van vệ sinh ở nhánh tấm lạnh. Với hơn 30 năm kinh nghiệm đúc chính xác và gia công CNC, chứng nhận ISO 9001 và CE, cùng 100 biến thể van bi được chứng nhận trở lên được phát triển thông qua hoạt động R&D nội bộ, Leadtek cung cấp cho các nhà tích hợp hệ thống D2C và nhà vận hành trung tâm dữ liệu trên hơn 80 quốc gia.

 

Tóm tắt và khuyến nghị hành động

Việc làm mát chip trực tiếp-đến{1}}không bị lỗi do các tấm lạnh được thiết kế kém. Nó thất bại ở lớp phân phối, nơi mất cân bằng áp suất, cách ly không đầy đủ và phản ứng khẩn cấp chậm biến các sự kiện có thể quản lý được thành sự cố tốn kém.

Trước khi phát hành đơn đặt hàng van bi D2C, hãy xác nhận những điều sau:

Hình dạng lỗ-toàn bộ ở tất cả các điểm cách ly để tránh giảm áp suất gộp

Cấu hình ba-chiều với phản hồi vị trí ở mọi vị trí chuyển mạch vòng hoặc vòng-

Thân bằng thép không gỉ 316 và vật liệu mặt ngồi TFM trên vòng thứ cấp của giá đỡ

Đánh giá vòng đời được xác minh dựa trên tần suất kiểm soát BMS dự kiến

Xếp hạng rò rỉ loại VI cho bất kỳ van nào hoạt động liên tục

Loại kết nối cuối phù hợp với tiêu chuẩn ống được sử dụng trong giá đỡ

Nhận được các thông số kỹ thuật này ngay trước khi cài đặt sẽ rẻ hơn đáng kể so với việc chẩn đoán sự cố mất cân bằng luồng sau khi máy chủ đang chạy.

 

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt giữa van bi mặt bích 2 chiều và 3 chiều trong hệ thống làm mát D2C là gì?Van 2{2}}chiều có một đầu vào và một đầu ra và xử lý việc bật/tắt hoặc điều chỉnh điều khiển trên một đường dây duy nhất. Thiết kế ba-chiều có ba cổng, cho phép nó chuyển hướng luồng giữa hai đường dẫn (cổng T{4}}) hoặc luồng hòa trộn từ hai nguồn (cổng L-). Trong hệ thống D2C, cấu hình này phục vụ các mạch bypass, chuyển mạch dự phòng và điều khiển bộ tiết kiệm làm mát tự do.

Tại sao thép không gỉ 316 được ưa chuộng hơn 304 trong vòng làm mát bằng chất lỏng?Thép không gỉ 316 chứa molypden, giúp cải thiện đáng kể khả năng chống lại sự ăn mòn rỗ và kẽ hở do clorua gây ra. Nước làm mát trung tâm dữ liệu, ngay cả khi được xử lý bằng hóa chất, khiến các bộ phận bên trong van gặp phải các điều kiện mà 304 xử lý thỏa đáng ở các phụ kiện có độ tiếp xúc thấp nhưng kém tin cậy hơn ở các ghế và thân có chu kỳ cao trong điều kiện dòng chảy liên tục.

Bao lâu nên kiểm tra van bi trong hệ thống D2C?Van cách ly thủ công chỉ được đạp trong quá trình bảo trì thường cần được kiểm tra hàng năm. Các van điều khiển dẫn động bằng điện- hoạt động theo lệnh BMS phải tuân theo định mức tuổi thọ-chu trình của nhà sản xuất, với lịch trình kiểm tra chỗ ngồi ở mức 50% tuổi thọ định mức. Thiết kế thân ba mảnh giúp đơn giản hóa việc kiểm tra này vì thân máy tách ra để tiếp cận chỗ ngồi mà không cần ngừng hoạt động dây chuyền.

"Quyền hạn van" nghĩa là gì và tại sao nó lại quan trọng đối với việc điều chế dòng D2C?Hiệu suất của van là tỷ lệ giữa độ giảm áp suất trên van khi mở hoàn toàn với tổng độ giảm áp suất trong mạch nhánh. Một van có thẩm quyền thấp không thể điều chỉnh dòng chảy một cách hiệu quả vì các điện trở khác của mạch chiếm ưu thế. Trong các nhánh D2C chạy ở mức chênh lệch từ 5 đến 15 PSI, van điều khiển phải chiếm ít nhất một nửa mức áp suất đó ở-lưu lượng mở hoàn toàn để duy trì phạm vi điều chế có ý nghĩa.

Van bi HVAC tiêu chuẩn có thể được sử dụng trong các ứng dụng làm mát chip trực tiếp{0}}đến{1}} không?Không đáng tin cậy. Van HVAC tiêu chuẩn có kích thước cho tốc độ dòng chảy cao hơn nhiều và khả năng kiểm soát thô hơn so với các nhánh giá đỡ D2C yêu cầu. Bộ truyền động của chúng thường quá chậm so với thời gian của hệ thống quản lý CDU và vật liệu ghế của chúng có thể không tương thích với các gói chất ức chế ăn mòn được sử dụng trong nước làm mát khử ion. Van tương thích D2C-được chọn để có-chênh lệch áp suất thấp, xếp hạng chu kỳ cao, vật liệu chống vệ sinh hoặc ăn mòn-và khả năng tương thích tín hiệu BMS. Việc sử dụng van HVAC quá khổ trong nhánh D2C là nguyên nhân phổ biến gây mất ổn định trong các vòng điều khiển CDU.