Penerapan Server Berpendingin Cairan di Pusat Data

 

Dalam beberapa tahun terakhir, industri secara aktif mendorong transformasi digital, dan ekonomi digital Tiongkok berkembang pesat, dengan kekuatan komputasi memberikan momentum baru ke dalam pembangunan ekonomi dan sosial. Untuk memenuhi meningkatnya permintaan akan daya komputasi, skala pusat data telah berkembang pesat di seluruh negeri. Pada akhir tahun 2023, jumlah total rak yang digunakan di pusat data Tiongkok melebihi 8,1 juta rak standar, dan total daya komputasi mencapai 230 EFLOPS, menempati peringkat kedua secara global. Dengan perluasan daya komputasi, konsumsi listrik di pusat data juga meningkat pesat.

 

Menurut "Buku Putih Pengembangan Industri Pusat Data Tiongkok (2023)," diperkirakan pada tahun 2025, konsumsi listrik nasional pusat data akan mencapai 1,2×10¹¹ kWh, dan total emisi karbon akan mencapai sekitar 100 juta ton, menyumbang sekitar 1,23% dari total nasional. Untuk menerapkan "puncak karbon dan netralitas karbon", pemerintah telah mengeluarkan serangkaian kebijakan untuk mendorong penghematan energi dan pengurangan konsumsi di pusat data, dengan persyaratan PUE (Efektifitas Penggunaan Daya) dengan cepat berkembang menjadi di bawah 1,3 dan bahkan 1,25. Teknologi pendinginan tradisional di pusat data secara bertahap gagal memenuhi tuntutan baru ini.

 

Pada saat yang sama, seiring dengan meningkatnya kepadatan daya komputasi chip tunggal, pendinginan udara secara bertahap menjadi hambatan, dan munculnya peralatan berdaya tinggi seperti server AI telah memperburuk masalah kekurangan ruang kabinet. Di bawah tekanan ganda dari kebijakan karbon nasional dan meningkatnya kepadatan daya komputasi chip, pengenalan teknologi pendingin cair menjadi semakin mendesak.

 

 

I Keuntungan Teknologi Pendinginan Cair

 

Dibandingkan dengan pendingin udara tradisional, pendingin cair dapat meningkatkan efisiensi pendinginan dan keandalan operasional secara signifikan, dengan kemampuan adaptasi lingkungan yang baik dan mengurangi penggunaan lahan.

 

1. Mengurangi Konsumsi Energi Peralatan dan Mendukung Konservasi Energi dan Pengurangan Karbon

Di era ekonomi digital, permintaan akan daya komputasi meningkat pesat, ditambah dengan meluasnya penerapan 5G, mendorong perkembangan infrastruktur informasi. Hal ini telah meningkatkan konsumsi listrik dan emisi karbon di pusat data secara signifikan. Pendinginan cair dapat mengurangi PUE pusat data menjadi sekitar 1,1–1,2, sehingga secara efektif mengurangi konsumsi energi dan emisi karbon. Misalnya, untuk rak berpendingin cairan 100 20kW, mengurangi PUE dari 1,45 menjadi 1,15 dapat menghemat lebih dari 10⁷ kWh listrik setiap tahunnya, menghemat lebih dari 7 juta yuan biaya listrik dan mengurangi emisi karbon sebesar 6,{{ 14}} ton. Selain itu, lingkungan pendingin cair dapat mengurangi atau menghilangkan kipas, sehingga semakin mengurangi konsumsi energi server.

 

2. Memperpanjang Umur Peralatan dan Mengurangi Tekanan Perawatan

Menurut aturan 10 derajat untuk chip, umur komponen berkurang sekitar 50% untuk setiap kenaikan suhu 10 derajat. Pendinginan cair dapat secara efektif menurunkan suhu sambungan CPU lebih dari 10 derajat (suhu sambungan adalah suhu pengoperasian aktual semikonduktor di perangkat elektronik), sehingga memperpanjang masa pakai server. Dibandingkan dengan pendingin udara tradisional, pendingin cair perendaman dapat menghilangkan kipas, mengurangi kebisingan dan debu, serta memiliki tingkat kegagalan termal yang lebih rendah. Data menunjukkan bahwa tingkat kegagalan hard drive di lingkungan berpendingin imersi sekitar 50% lebih rendah dibandingkan di lingkungan berpendingin udara. Pengurangan tingkat kegagalan server dan perpanjangan masa pakai server dapat meningkatkan stabilitas operasional bisnis secara signifikan dan mengurangi tekanan pemeliharaan.

 

3. Kemampuan Beradaptasi Lingkungan yang Baik dan Tingkat Penerapan Rak yang Tinggi

Rak berpendingin udara tradisional memiliki persyaratan lingkungan yang tinggi dan sangat dipengaruhi oleh faktor lingkungan eksternal. Rak berpendingin cairan memiliki persyaratan lingkungan yang rendah dan dapat mempertahankan kestabilan PUE di wilayah dengan perbedaan suhu yang besar. Rak berpendingin cairan memiliki kepadatan penerapan yang tinggi, sekitar 3–4 kali lipat rak berpendingin udara tradisional, sehingga menghemat sekitar 75% ruang pusat data untuk daya komputasi yang sama. Pusat data berpendingin cairan dapat menghilangkan AC dan mengurangi kebutuhan unit pendingin, sehingga semakin menghemat ruang.

 

 

II Rute Teknologi Pendinginan Cair

 

Server berpendingin udara menggunakan udara sebagai media perpindahan panas, sedangkan server berpendingin cairan menggunakan cairan seperti air atau cairan berfluorinasi. Karena perbedaan kepadatan, kapasitas panas spesifik, dan konduktivitas termal, kapasitas pendinginan cairan pada laju aliran yang sama bisa mencapai 3.500 kali lebih tinggi dibandingkan udara. Pendinginan pendingin cair yang sangat efisien dapat secara signifikan meningkatkan kepadatan penerapan server, mengurangi penggunaan rak dan ruang ruangan.

 

Teknologi pendingin cair dapat dibagi menjadi pendingin cair non-kontak dan pendingin cair kontak berdasarkan cara pendingin berinteraksi dengan sumber panas.

 

1. Pendinginan Cairan Non-Kontak

Pendinginan cairan non-kontak terutama mengacu pada pendinginan cairan pelat dingin, di mana cairan mengalir melalui pelat dingin untuk menghilangkan panas dari komponen seperti CPU/GPU/VRD/DIMM, yang mendinginkan bagian server. Cairan dalam pendingin cairan pelat dingin tidak bersentuhan langsung dengan sumber panas.

 

Dengan kapasitas panas spesifik dan konduktivitas termal yang lebih tinggi, pendinginan cairan pelat dingin dapat mengurangi konsumsi energi sebesar 60%–90% dibandingkan dengan pendinginan udara tradisional dan mengurangi PUE pusat data menjadi sekitar 1,2. Server berpendingin cairan pelat dingin menggunakan penerapan rak tradisional, menjadikan retrofit pusat data yang ada relatif mudah dan hemat biaya. Namun, karena pendinginan cair hanya diterapkan pada komponen bersuhu tinggi tertentu, beberapa kipas masih diperlukan, dan AC diperlukan untuk mendinginkan komponen berpendingin non-cair lainnya di server.

 

Pendinginan cairan pipa panas juga termasuk dalam pendinginan cairan non-kontak, mentransfer panas dari komponen seperti CPU keluar dari server melalui pipa panas, yang kemudian dibuang dengan sirkulasi air. Ini terutama menggunakan air, zat pendingin, dan cairan berbasis alkohol, meskipun penerapannya saat ini terbatas.

 

2. Hubungi Pendingin Cair

 

2.1 Pendinginan Cairan Perendaman

Dalam pendingin cair perendaman, seluruh server terendam dalam cairan pendingin, dengan cairan pendingin langsung menghubungi server. Aliran sirkulasi atau kondensasi evaporasi cairan pendingin menghilangkan panas. Cairan non-konduktif dan non-korosif seperti minyak mineral, minyak silikon, atau cairan berfluorinasi biasanya digunakan.

 

Dalam pendinginan cair perendaman, semua komponen penghasil panas menghilangkan panas melalui pendinginan cair, sehingga kipas dapat dihilangkan sepenuhnya dan menghilangkan kebutuhan akan AC di pusat data. Dibandingkan dengan pendinginan cairan pelat dingin, pendinginan cairan perendaman memberikan perpindahan panas yang lebih baik, penghematan energi, dan pengurangan kebisingan, sehingga berpotensi mengurangi PUE hingga 1,1 atau lebih rendah. Namun, pendinginan perendaman seringkali memerlukan penerapan tipe kotak, dengan kepadatan penerapan yang lebih rendah dibandingkan pendinginan cair pelat dingin, dan perkuatan infrastruktur pendukung lebih kompleks dan mahal. Server berpendingin cairan imersi juga hanya mendukung SSD dan drive berisi helium, dan konektor serta kabel optik perlu disegel atau disesuaikan agar tahan terhadap korosi.

 

Berdasarkan apakah cairan pendingin mengalami perubahan fasa, pendinginan cairan perendaman dapat dibagi menjadi pendinginan perendaman satu fasa dan perubahan fasa. Dalam pendinginan perendaman satu fase, cairan tidak berubah fase, menghilangkan panas melalui kenaikan suhu, dan tetap dalam bentuk cair sepanjang siklus pendinginan. Dalam pendinginan perendaman perubahan fasa, cairan menguap saat dipanaskan, membawa panas dalam bentuk gas, dan didinginkan kembali menjadi bentuk cair oleh kondensor, lalu mengalir kembali ke ruang secara gravitasi, menyelesaikan siklus pendinginan.

 

2.2 Pendinginan Cairan Semprot

Pendinginan cairan semprot melibatkan penyemprotan cairan pendingin dari bagian atas sasis server melalui modul semprotan, dengan panas ditransfer melalui konveksi antara cairan pendingin dan unit pendingin, mendinginkan semua komponen penghasil panas server. Panas kemudian dibuang melalui penukar panas. Cairan non-konduktif dan non-korosif seperti minyak mineral dan cairan berfluorinasi biasanya digunakan sebagai pendingin.

 

Seperti halnya pendinginan imersi, pendinginan cairan semprot dapat menghilangkan kipas server sepenuhnya, sehingga menghilangkan kebutuhan akan AC di pusat data, dengan PUE dikurangi menjadi sekitar 1,1. Tidak seperti pendinginan perendaman, server berpendingin cairan semprot biasanya menggunakan penerapan gaya blade, sehingga memerlukan modifikasi pada rak dan sasis server. Pendinginan cairan semprot memiliki konsumsi cairan pendingin dan biaya perawatan yang lebih rendah.

 

3. Perbandingan Teknologi Pendinginan Cair

Lihat Tabel 1 untuk perbandingan berbagai teknologi pendingin cair.

 

▲ Teknologi Pendinginan Cair

 

Mempertimbangkan faktor-faktor seperti biaya investasi awal, kemudahan pemeliharaan, efektivitas PUE, dan kematangan industri, pendinginan cairan pelat dingin dan pendinginan cairan perendaman satu fase lebih menguntungkan dibandingkan teknologi pendingin cair lainnya, sehingga menjadi solusi utama di industri. Pendinginan cairan pelat dingin memungkinkan transisi yang mulus dari model berpendingin udara tradisional dan lebih banyak diterapkan di pusat data. Analisis berikut terutama akan fokus pada pendinginan cairan pelat dingin.

 

 

III Komponen Utama Pendinginan Cairan Pelat Dingin

 

Komponen utama sistem pendingin cair pelat dingin yang berinteraksi erat dengan peralatan TI terutama berada pada sisi sekunder, antara lain cairan pendingin, konektor cepat, dan Unit Distribusi Pendingin (CDU).

 

1. Pendingin

Pilihan industri saat ini untuk pendingin meliputi larutan etilen glikol, larutan propilen glikol, dan air deionisasi. Larutan etilen glikol dan propilen glikol merupakan produk standar industri dan mudah tersedia, dengan etilen glikol lebih hemat biaya. Air deionisasi memiliki sifat perpindahan panas yang baik, tidak beracun dan aman, namun memerlukan pertimbangan anti-pembekuan pada suhu 0 derajat.

 

Pendingin perlu dilengkapi dengan inhibitor korosi dan biosida untuk mencegah pertumbuhan bakteri yang dapat menyebabkan penyumbatan atau kebocoran. Konsentrasi yang direkomendasikan adalah 20%–30%, karena konsentrasi yang terlalu tinggi dapat mempengaruhi pembuangan panas, sedangkan konsentrasi yang terlalu rendah dapat mengurangi kemampuan cairan pendingin untuk mencegah pembekuan dan menghambat pertumbuhan mikroba.

 

2. Konektor Cepat

Konektor cepat menghubungkan modul pelat dingin di server berpendingin cairan ke manifold di rak berpendingin cairan. Ada dua jenis konektor cepat: konektor cepat manual dan konektor cepat blind-mate. Konektor manual memerlukan keterampilan yang lebih tinggi dari personel pemeliharaan, dengan memasang dan melepas kabel bergantung pada pengoperasian manual oleh staf pusat data, sehingga lebih mudah untuk memisahkan server dari rak. Konektor teman butatidak memiliki persyaratan operasional khusus dan terhubung secara otomatis selama penyisipan server ke dalam rak berpendingin cairan. Konektor cepat harus memiliki ketahanan terhadap korosi yang kuat dan kehilangan cairan minimal saat dilepas untuk mencegah tumpahan cairan pendingin.

 

3. Unit Distribusi Pendingin (CDU)

CDU adalah sistem yang digunakan untuk mendistribusikan cairan pendingin antara server berpendingin cairan, menyediakan distribusi aliran samping sekunder, kontrol tekanan, isolasi fisik, dan fitur anti-kondensasi. Hal ini juga dapat mengisolasi sisi primer dan sisi sekunder untuk mengakomodasi kebutuhan kualitas air yang berbeda. Berdasarkan bentuk dan lokasi penyebarannya, CDU dapat dibedakan menjadi CDU terpusat dan CDU terdistribusi.

 

CDU terpusat biasanya terhubung ke beberapa lemari server, menyediakan kapasitas pendinginan ke beberapa lemari server secara bersamaan. Beberapa cluster CDU dapat mencapai redundansi N+M, menawarkan keandalan yang tinggi dan membuatnya cocok untuk penerapan kabinet server berpendingin cairan dalam skala besar. CDU terdistribusi, yang tidak memerlukan perpipaan sekunder, hanya menyediakan pendinginan untuk server di kabinetnya sendiri dan tidak dapat menawarkan redundansi lintas kabinet, sehingga memiliki keandalan yang lebih rendah dibandingkan dengan CDU terpusat. Perbandingan CDU terpusat dan terdistribusi dapat dilihat pada Tabel 2.

 

▲ Perbandingan antara CDU terpusat dan CDU terdistribusi

 

 

IV Persyaratan Teknis untuk Server dan Kabinet Berpendingin Cairan Pelat Dingin

 

1. Persyaratan Teknis Server

Desain server berpendingin cairan pelat dingin harus memenuhi persyaratan teknis yang tercantum pada Tabel 3.

 

▲ Persyaratan desain server pendingin cairan pelat dingin

 

Selain memenuhi berbagai persyaratan yang tercantum dalam tabel, desain server berpendingin cairan pelat dingin juga harus memenuhi persyaratan desain server berpendingin udara tradisional, termasuk komponen seperti CPU, memori, hard drive, dan motherboard.

 

2. Persyaratan Teknis Kabinet

Dalam skenario pendinginan cair, hubungan antara server dan kabinet tinggi. Desain lemari berpendingin cairan harus memenuhi persyaratan teknis yang tercantum pada Tabel 4.

 

▲ Lemari Berpendingin Cairan

 

Selain memenuhi persyaratan yang tercantum dalam tabel, desain lemari berpendingin cairan juga harus mematuhi persyaratan desain lemari berpendingin udara tradisional, seperti transportasi dan pemasangan, pemasangan kabel di dalam kabinet, dan partisi fungsional.

 

 

V Perubahan yang Dibawa oleh Pengenalan Pendinginan Cair di Pusat Data

 

Ketika server berpendingin cairan diperkenalkan di pusat data, akan terjadi perubahan pada infrastruktur pendukung, operasional dan pemeliharaan, serta model pengiriman.

 

1. Infrastruktur Pendukung

Pengenalan server berpendingin cairan meningkatkan kepadatan penerapan, sehingga menuntut lebih banyak kapasitas daya dukung pusat data. Selain itu, perubahan terjadi di berbagai bidang seperti ketinggian lantai yang ditinggikan, pasokan listrik, dan ruang pemeliharaan. Perubahan infrastruktur pendukungnya disajikan pada Tabel 5.

 

▲ Mendukung Perubahan Infrastruktur

 

2. Pengoperasian dan Pemeliharaan

Saat ini, server berpendingin cairan sebagian besar merupakan penerapan yang disesuaikan, berbeda dari server berpendingin udara tradisional dalam hal kompatibilitas komponen, metode penerapan, dan alat pemeliharaan. Perbedaan spesifik ditunjukkan pada Tabel 6.

 

▲ Perubahan Operasi dan Pemeliharaan

 

3. Model Pengiriman

Pendinginan cair di pusat data melibatkan antarmuka antara sistem pendingin primer, sistem pendingin sekunder, CDU, lemari berpendingin cairan, dan server berpendingin cairan. Tingkat standarisasinya rendah, dan kompatibilitas antar produsen berbeda terbatas. Berdasarkan konten pengiriman, saat ini terdapat tiga model pengiriman untuk server berpendingin cairan, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 7.

 

 

▲ Model Pengiriman

 

Saat memperkenalkan sistem pendingin cair ke pusat data, faktor-faktor seperti kematangan industri, kemudahan pemeliharaan, dan jadwal konstruksi harus dipertimbangkan. Pada tahap awal, Model 2 atau Model 3 dapat dipertimbangkan untuk mendapatkan pengalaman dalam konstruksi dan pemeliharaan. Seiring waktu, standardisasi antarmuka antara sistem primer, sistem sekunder, CDU, lemari berpendingin cairan, dan server berpendingin cairan dapat dipromosikan secara bertahap, menuju Model 1.

 

 

VI Kesimpulan

 

Pengenalan server berpendingin cairan di pusat data dapat secara signifikan mengurangi nilai PUE, meningkatkan stabilitas pengoperasian peralatan dan ketersediaan bisnis, meningkatkan kepadatan instalasi server, mengurangi penggunaan lahan di pusat data, dan mencapai penghematan energi dan pengurangan karbon. Selain itu, meningkatnya kepadatan daya chip dan pengenalan peralatan berdaya tinggi seperti server AI secara bertahap memberikan peluang lebih besar untuk penerapan pendingin cair, yang secara bertahap menjadi solusi pendinginan penting untuk pusat data.

 

Namun, standarisasi pendingin cair relatif rendah, dengan produsen yang berbeda bekerja secara independen. Kopling antara server berpendingin cairan dan kabinet berpendingin cairan sangat tinggi, sehingga standarisasi antarmuka yang relevan selanjutnya diperlukan. Seiring waktu, penting untuk mencapai perpaduan antara air, listrik, dan antarmuka jaringan, menjadikan pendingin cair tidak hanya berfungsi tetapi juga mudah digunakan, dan sepenuhnya menyadari perannya dalam tujuan karbon ganda.