Perancangan Sistem Pendingin Cair yang Efisien untuk Pusat Data

 

I Komponen Sistem Pendingin Pusat Data

 

Sebagian besar energi listrik yang dikonsumsi oleh peralatan IT diubah menjadi panas buangan. Untuk memastikan peralatan IT beroperasi dalam kisaran suhu yang sesuai, pusat data dilengkapi dengan sistem pendinginan dan pembuangan panas, termasuk pendingin, menara pendingin, dan unit pendingin udara presisi, yang membuang panas buangan dari pusat data. Proses perpindahan panas diilustrasikan dalam Gambar 1. Titik konsumsi energi utama meliputi pendingin, menara pendingin, pompa, dan unit pendingin udara presisi.

 

▲ Gambar 1: Perpindahan Panas di Pusat Data

 

Saat ini, media perpindahan panas utama di pusat data adalah udara atau air. Air, dengan kapasitas panas spesifik tekanan konstan sebesar 1,004 kJ/(KgK) dan kapasitas panas spesifik sebesar 4200 kJ/(KgK), memiliki kapasitas perpindahan panas sekitar 1,000 kali lebih besar daripada udara. Oleh karena itu, penggunaan air sebagai media pendingin merupakan metode penghematan energi yang efektif dalam desain sistem pendingin. Untuk meningkatkan efisiensi energi sistem pendingin, langkah-langkah seperti radiator efisiensi tinggi dan pengiriman udara yang tepat digunakan untuk menangkap dan mentransfer panas.

 

Dalam pengkondisian udara presisi, pendinginan telah berevolusi dari tingkat ruangan ke ruang data modular dan pendinginan tingkat rak, bergerak lebih dekat ke sumber panas dan mengurangi konsumsi energi dalam pengangkutan cairan pendingin. Generasi sumber pendinginan telah berkembang dari pendinginan udara ke pendinginan air dan pendinginan alami, meningkatkan efisiensi perpindahan panas eksternal.

 

 

Sistem pendingin tradisional memiliki sistem kontrol independen dan strategi pengoperasian untuk pendingin udara presisi, pendingin, dan menara pendingin, yang mengoptimalkan efisiensi secara lokal. Namun, efisiensi pendinginan secara keseluruhan masih memerlukan peningkatan.

 

Peningkatan sistematis dapat dicapai melalui manajemen menyeluruh dan kontrol yang tepat terhadap pengumpulan panas, persiapan sumber pendinginan, dan perpindahan panas eksternal, sehingga mengurangi konsumsi daya sistem pendingin.

 

 

II Desain Sistem Pendingin Cair Ujung-ke-Ujung

 

1. Desain Pendinginan Cair Tingkat Papan

Dengan pertumbuhan eksponensial dalam permintaan daya komputasi, integrasi dan konsumsi daya CPU dan GPU telah meningkat secara signifikan, dengan konsumsi daya chip tunggal mencapai 300W. Heatsink chip tradisional dan solusi pendingin udara telah mengalami hambatan pendinginan. Karena chip adalah sumber panas, tantangan utama untuk sistem pendingin pusat data adalah menghilangkan panas dari dalam chip secara efisien.

 

Dari perspektif pembuangan panas, panas yang dihasilkan oleh chip harus terlebih dahulu ditransfer ke heatsink tingkat papan. Solusi heatsink yang lebih efisien akan memfasilitasi pengumpulan panas yang lebih baik.

 

Untuk chip tunggal dengan konsumsi daya di bawah 200W dan peralatan IT dengan konsumsi daya di bawah 20kW per rak, udara dapat terus digunakan sebagai media perpindahan panas. Heatsink pipa panas dan heatsink ruang uap (VC), dikombinasikan dengan material TIM dengan konduktivitas termal tinggi (seperti lembaran grafit/grafena), secara efektif mengurangi resistansi termal antara chip dan dasar heatsink, sehingga meningkatkan efisiensi heatsink.

 

Untuk chip tunggal dengan konsumsi daya melebihi 200W dan peralatan IT dengan konsumsi daya melebihi 20kW per rak, udara tidak lagi cukup sebagai media perpindahan panas, dan cairan pendingin harus digunakan untuk pendinginan. Teknologi pelat dingin berpendingin cairan saat ini merupakan solusi yang matang untuk pendinginan chip tingkat papan. Pelat dingin berpendingin cairan terdiri dari konektor saluran masuk dan keluar, penutup atas, dan pelat dasar, yang dihubungkan dengan penyolderan vakum untuk membentuk ruang pertukaran panas cairan tertutup. Ruang tersebut mencakup ruang distribusi dan berbagai saluran aliran lebar, yang mengendalikan aliran fluida dan meningkatkan turbulensi, meningkatkan kemampuan pendinginan lokal dan menghilangkan titik panas yang disebabkan oleh chip berdaya tinggi. Struktur internal ditunjukkan pada Gambar 2.

 

▲ Gambar 2: Penampang Pelat Dingin Berpendingin Cairan

 

Berbagai jenis papan dalam rak yang sama memiliki tingkat daya dan titik panas yang berbeda-beda, tetapi tekanan pasokan pada konektor saluran masuk jalur pasokan cairan umumnya sama, yang mengharuskan ruang distribusi pelat dingin untuk mengendalikan pembatasan. Untuk papan dengan konsumsi daya chip yang lebih rendah, pembatasan mengurangi aliran pendingin. Dalam praktiknya, pelat dingin yang didinginkan cairan menutupi CPU, memori, dan komponen berdaya tinggi lainnya, tetapi komponen seperti resistor dan kapasitor, yang tidak tercakup, menghasilkan panas sisa yang memerlukan pendinginan kipas. Hal ini menghasilkan kombinasi pendinginan cairan dan udara dalam sistem, yang menyisakan ruang untuk peningkatan efisiensi pendinginan.

 

Dengan menggunakan material TIM untuk menutupi semua komponen selama desain pelat dingin, pendinginan cairan 100% dapat dicapai secara teknis, tetapi hal ini meningkatkan biaya dan kompleksitas pelat dingin. Sambil mengejar pendinginan yang efisien, investasi biaya awal juga harus dipertimbangkan. Jika jenis papan simpul seragam, papan yang tertutup sepenuhnya dapat dipertimbangkan, dengan biaya awal diimbangi dengan peningkatan produksi, mencapai keseimbangan antara penghematan energi dan investasi.

 

 

Air deionisasi biasanya digunakan sebagai pendingin dalam pendinginan cair karena kapasitas panas spesifiknya yang tinggi, memungkinkan penyerapan panas yang cepat sekaligus tidak korosif, sehingga tidak memengaruhi keandalan jaringan pipa. Pendinginan cair pelat dingin bersifat tidak langsung, dengan chip tidak bersentuhan langsung dengan cairan pendingin, sehingga menghasilkan keandalan yang tinggi dan teknologi yang matang.

 

Namun, terdapat resistansi termal antara chip dan cairan pendingin, yang menyebabkan beberapa produsen mempromosikan solusi pendinginan imersi. Dalam pendinginan imersi, peralatan TI direndam dalam cairan yang bersirkulasi, dengan chip yang bersentuhan langsung dengan cairan pendingin, mengurangi resistansi termal sekaligus memanfaatkan perubahan fase untuk menghilangkan lebih banyak panas, menjadikannya titik panas baru dalam pendinginan cair. Cairan berfluorinasi umumnya digunakan sebagai pendingin dalam pendinginan imersi, tetapi biayanya yang tinggi menjadi penghalang untuk penggunaan komersial berskala besar.

 

2. Pendinginan Cair Tingkat Rak

Di pusat data, peralatan TI disusun berdasarkan rak, yang menampung peralatan informasi pusat data seperti server, perangkat penyimpanan, dan sakelar jaringan. Sementara pendinginan tingkat papan menghilangkan panas dari masing-masing perangkat TI, pendinginan tingkat rak mengumpulkan dan memindahkan panas ke luar ruangan. Komponen utama dalam pendinginan cairan tingkat rak meliputi manifold saluran masuk dan keluar, unit pemantauan, sensor suhu, katup solenoida, dan katup periksa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

 

▲ Gambar 3: Konfigurasi Pendinginan Cair Tingkat Rak

 

Manifold terhubung secara eksternal ke unit distribusi pendingin cairan tingkat ruangan dan secara internal melalui konektor cepat ke konektor saluran masuk dan saluran keluar pelat dingin berpendingin cairan, yang memudahkan pemindahan panas sistem ke bagian luar rak.

Fungsi utama katup solenoida dan katup periksa adalah untuk mengendalikan aliran cairan dan membatasi tingkat kegagalan pada satu rak jika terjadi kebocoran.

 

Peran utama sensor suhu adalah untuk terus memantau suhu air masuk dan keluar. Dengan memanfaatkan perbedaan suhu antara air masuk dan keluar, sensor ini mengontrol pembukaan katup solenoida, sehingga aliran air dapat dikontrol dan panas serta aliran air dapat disesuaikan.

Sistem pendingin cair menggunakan air deionisasi sebagai fluida kerja, yang secara teoritis tidak akan menyebabkan korsleting.

 

Namun, papan sirkuit atau komponen elektronik sering kali memiliki partikel debu, dan ketika air deionisasi bersentuhan dengan papan sirkuit, hal itu dapat menyebabkan korsleting. Ini adalah salah satu kendala dan perhatian utama dalam penerapan pendinginan cair. Untuk mengatasi masalah kebocoran pelat dingin, tindakan seperti kontrol kualitas, pemantauan kebocoran mikro, dan pencegahan kebocoran besar yang tiba-tiba digunakan.

 

Kontrol kualitas dibagi menjadi tahap aplikasi produksi dan pemasangan. Pada tahap produksi, keandalan proses dipastikan, 100% pelat dingin menjalani pengujian tekanan, dan ultrasonik digunakan untuk pengambilan sampel acak dan deteksi cacat. Sambungan cepat harus divalidasi untuk pemasangan yang efektif dan keandalan jangka panjang. Pada tahap aplikasi pemasangan, perpipaan sekunder harus dibilas bersih sebelum pemasangan untuk mencegah kotoran menyebabkan penyumbatan pada sambungan cepat, kemacetan pegas, atau kegagalan cincin karet, sehingga mencegah kebocoran selama pengoperasian. Langkah-langkah di atas bertujuan untuk mencegah kebocoran sebanyak mungkin.

 

 

Jika pelat dingin mengalami kebocoran mikro, kebocoran tersebut harus dapat dideteksi dan memicu alarm untuk meminta petugas pemeliharaan segera memperbaikinya. Ada dua metode deteksi: satu menggunakan sensor perendaman air, yang dipasang pada baki tetesan. Fungsi utama baki tetesan adalah untuk memfasilitasi deteksi kebocoran dan mencegah cairan bocor ke luar rak, sehingga mengurangi penyebaran kerusakan.

 

Meskipun deteksi sensor perendaman air sudah matang dan andal, sensor tersebut mengharuskan cairan yang bocor terakumulasi di baki tetesan setelah mengalir di sepanjang papan perangkat keras dan rak pemasangan. Saat itu, jumlah total cairan yang bocor mungkin sudah cukup banyak dan mungkin telah merusak papan dan komponen selama aliran.

 

Metode lainnya adalah pemantauan waktu nyata. Zat pelacak dengan titik didih rendah dicampur ke dalam fluida kerja, dan jika terjadi kebocoran, sensor gas yang terpasang di papan mendeteksinya. Kebocoran tiba-tiba berskala besar jarang terjadi tetapi sangat berdampak. Untuk mencegah insiden seperti itu, katup periksa dipasang di saluran masuk dan keluar manifold pada rak. Katup periksa ini secara otomatis menutup saat perbedaan tekanan yang signifikan terdeteksi.

 

3. Desain Pendinginan Cair Tingkat Ruangan

Pendinginan di tingkat ruangan dirancang untuk memindahkan panas yang diambil dari rak ke luar ruangan. Solusi pendinginan cair di tingkat ruangan mencakup ruang data modular berpendingin cairan, pendingin, pompa air, menara pendingin, perpipaan, dan banyak lagi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

 

▲ Gambar 4: Konfigurasi Pendinginan Cairan Tingkat Ruangan

 

Biasanya, ruang data modular berpendingin cairan berisi dua unit distribusi pendingin cairan (CDU) cadangan, rak TI 10-20, AC tingkat baris 1-2, dan peralatan catu daya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

 

Unit distribusi pendingin cair (CDU) bertanggung jawab untuk mendistribusikan fluida kerja di antara rak-rak IT yang didinginkan cairan, menyediakan distribusi aliran sisi sekunder, kontrol tekanan, isolasi fisik, dan fungsi anti-kondensasi. Selama operasi aktual, CDU memasok aliran dan suhu air pendingin tertentu ke rak-rak IT yang didinginkan cairan, yang memasuki pelat dingin yang didinginkan cairan melalui manifold, membuang panas yang dihasilkan oleh prosesor dan komponen utama, dan mengembalikan air pendingin yang dipanaskan ke unit pertukaran panas antara CDU. Panas tersebut kemudian dilepaskan ke dalam pipa air balik luar ruangan, dan sebagian panas ini dibuang ke lingkungan luar ruangan melalui pendingin atau pendingin kering, yang melengkapi proses manajemen panas untuk server yang didinginkan cairan.

 

CDU mengatur suhu dan aliran cairan pendingin yang memasuki pelat dingin berpendingin cairan, sehingga memberikan pendinginan ke rak IT dan mendistribusikan daya pendinginan. Unit pertukaran panas internal juga berperan dalam mengisolasi sirkuit pasokan cairan antara ruang data modular dan lingkungan luar ruangan. Karena perannya yang penting, CDU biasanya menggunakan konfigurasi redundansi 1+1. CDU mengontrol aliran cairan pendingin dengan mendeteksi suhu air masuk dan keluar serta tekanan pasokan dan menyesuaikan kecepatan pompa air pasokan.

 

 

Saat ini, sebagian besar sistem kontrol CDU tidak terhubung dengan sensor suhu di dalam rak, sehingga menghasilkan kontrol yang relatif kasar. Untuk mengatasi masalah ini, beberapa aplikasi telah mengganti CDU terpusat dengan CDU terdistribusi, yang terintegrasi ke dalam rak. Dengan cara ini, penyesuaian aliran CDU sepenuhnya didasarkan pada status operasional dan fluktuasi konsumsi daya rak. CDU terpusat cocok untuk skenario dengan sejumlah besar rak berpendingin cairan yang dapat dikonsolidasikan ke dalam ruang data modular, sementara CDU terdistribusi lebih cocok untuk situasi dengan hanya 2-3 rak berpendingin cairan, sehingga memudahkan penerapan.

 

 

III Kesimpulan

 

Berdasarkan arahan tujuan karbon ganda, pusat data mengemban misi ganda: di satu sisi, melalui operasi yang intensif dan berskala, pusat data menyediakan daya komputasi yang cukup untuk ekonomi digital. Penerapan rak berdensitas tinggi dan chip berdaya tinggi secara luas, yang didorong oleh efisiensi daya komputasi pusat data, telah menyebabkan pendinginan udara tradisional menemui hambatan. Di sisi lain, dengan memanfaatkan penukar panas efisiensi tinggi, pendinginan cair, dan pendinginan alami dari pendingin kering, pusat data dapat mengurangi konsumsi energinya sendiri.

 

Setelah mengadopsi pendinginan cair, efisiensi pendinginan meningkat secara signifikan, dengan konsumsi energi sistem pendinginan berkurang dari 37% menjadi sekitar 10%, menghasilkan penghematan energi dan pengurangan karbon yang signifikan. Jika 50% pusat data yang baru dibangun di seluruh negeri mengadopsi pendinginan cair, 45 miliar kWh listrik dapat dihemat setiap tahun, dan 3 juta ton CO₂ emisi dapat dikurangi.