V HPC serverech se začíná šířit chlazení ponořením v kapalině

Ponorné chlazení počítačů potopením celé sestavy hardwaru do akvária s minerálním olejem nadšenci do PC znají už hodně dlouho. Ovšem jako kuriozitu, kterou asi skutečně dennodenně provozuje jen minimum lidí. Ovšem chlazení hardwaru zcela ponořeného do kapaliny by se teď mohlo prosadit v servrovnách a superpočítačích. Roste o něj zájem, protože by mohlo dovolit prostorově hodně zahustit výpočetní výkon.

Jak podle webu ServeTheHome, tak podle AnandTechu bylo ponorné chlazení silně zastoupené a prezentované na výstavě SC19 (Supercomputing 2019). V serverové oblasti mají totiž růst či již rostou TDP procesorů (Xeony 9200 jsou nyní až na 400W, příští generace socketových Xeonů má být 270W až 300W, Epycy jsou 225W s 280W možností). U akcelerátorů se dokonce hovoří ještě o vyšších spotřebách, do budoucna dokonce snad až 700 W.

Tato řešení předváděla například firma Submer, jejíž technologii pak také provozovali někteří výrobci serverů. Ponorné chlazení spočívá v tom, že kompletní elektronika serveru – tedy deska, procesor, paměti, karty i disky – se ponoří do speciální chladící kapaliny v nádrži, místo aby kapalina cirkulovala potrubím mezi vodními bloky. Ty jsou v HPC serverech často hodně komplikované, protože okruh chladí CPU, paměťové moduly, čipsety, GPU a pak ještě komponenty konektivity/switche a tak podobně. Při ponorném chlazení všechny bloky a trubky odpadají a hardware je naopak ponechán úplně naholo, bez i pasivních chladičů.

Dvoufázové ponorné kapalinové chlazení (Two Phase Immersion Liquid Cooling) se liší od normálního ponorného chlazení v tom, že ještě zapojuje do chlazení proces změny stavu. Využívá varu média při přímém kontaktu s hřejícím procesorem nebo třeba GPU. Na demonstracích je pak krásně vidět, jak teplý heaspreader generuje bubliny. Toto je umožněno tím, že je místo vody či oleje použitá speciální kapalina, typicky organického vzorce, inertní a nevodivá (a minimálně některé jsou i zcela zdravotně nezávadné). Tato média jako 3M Novec nebo Fluorienert mají nízkou teplotu varu (okolo 59 stupňů), takže běžící čip je dokáže uvařit, aniž by se sám přehříval. Odpařování kapaliny absorbuje kromě tepla potřebného k ohřátí na danou teplotu ještě skupenské teplo varu, takže tento přechod z jednoho stavu do druhého je velice efektivní pro chlazení.

Navíc bubliny páry stoupají samy na hladinu kapaliny v nádrži, což samo o sobě zajišťuje „cirkulaci“ pomyslného okruhu. Odpařená kapalina se zase zchladí kondenzací a vrací se do tanku, kde je server – respektive zde celý rack – ponořen. Výhoda tohoto stylu chlazení je ve vysoké efektivitě a také v tom, že celkové ponoření hardwaru víceméně zajišťuje, že se nepřehřeje žádná z komponent. Nicméně vyžadováno je napojení na rozvod vody, která odvádí teplo z kondenzujícího se média. Obecně bude tento typ chlazení poměrně drahý, minimálně na pořízení (poté již asi efektivita i může šetřit nějaké náklady na energii).

Atraktivita těchto řešení je v tom, že by měla umožnit zachovat hustotu GPU či CPU v serverech, i když jejich TDP stoupnou, nebo ji dokonce ještě vylepšit. Submer nabízí tank „SmartPodXL“, jenž dovoluje chladit serverový rack o celkem 23U (jednotlivé servery jsou v něm ovšem zasunuté svrchu na výšku, ne horizontálně jako obvykle) a zvládne uchladit celkovou spotřebu až 50 kW. Firma má i silnější verze SmartPod XL+, ty pak zvládají až 100kW spotřeby/tepla. Oba tanky podporují jak klasické 19″ skříně, tak i šasi formátu OpenCompute Project.

Toto je ale jen technologie s běžným jednofázovým ponorným chlazením. Řešení na bází dvoufázového principu by měla být ještě efektivnější v tom smyslu, že na daný objem tepla potřebují méně energie navíc na jeho odvedení pryč.

Ponorné chlazení je ovšem asi něco, co zrovna neuvidíme přenesené ze serverů do PC, neboť zatímco princip fungování je velmi jednoduchý, samotná použitá zařízení jsou příliš nákladná a komplikovaná pro levné počítače, které se dají účinně ochladit mnohem konvenčnějšími metodami. I v serverech asi půjde o speciální dražší řešení, které se uplatní tam, kde jsou vysoké požadavky na výkon (a tím chlazení) a zároveň na velké zahuštění komponent. Ale asi nebude normou ve středním proudu serverů.