Pengembangan dan Pembahasan Teknologi Rekayasa Pusat Data Pendingin Cair

 

Karena kapasitas panas spesifik cairan per satuan volume adalah sekitar 1,000 kali lipat dari udara, pendinginan cair (pembuangan panas) memiliki kapasitas pendinginan yang jauh lebih besar dibandingkan pendinginan udara konvensional. Ini adalah solusi efektif untuk menghilangkan panas yang dihasilkan oleh kepadatan fluks panas yang sangat tinggi. Pada tahun 1964, untuk mengatasi panas berlebih dan downtime pada mainframe besar, IBM mengembangkan komputer berpendingin air berpendingin pertama di dunia, System360, yang merupakan pionir komputer berpendingin cairan. Baru-baru ini, didorong oleh kebijakan manajemen efisiensi energi nasional dan lokal, teknologi pendingin cair sekali lagi mendapatkan perhatian luas di industri pusat data, yang mengarah pada pengembangan serangkaian teknologi rekayasa pusat data berpendingin cairan.

 

 

I Metode Penerapan Pendinginan Cair

 

Dalam arti luas, pendinginan cair mengacu pada semua teknologi yang terkait dengan pendinginan cair. Industri ini akrab dengan metode seperti memasang kumparan air dingin di panel belakang rak, yang dianggap sebagai pendingin cair, yang termasuk dalam konsep luas pendingin cair. China Institute of Electronics (CIE), selama pengembangan serangkaian standar desain pusat data berpendingin cairan, memperjelas konsep pendingin cair melalui diskusi industri. Menurut definisinya, pendinginan cair secara khusus mengacu pada penghilangan panas secara langsung yang dihasilkan oleh chip elektronik menggunakan cairan, sehingga definisi sempit dari pendinginan cair hanya mengacu pada proses pendinginan di dalam server.

 

Dari perspektif definisi sempit pendinginan cair, pendinginan dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori utama: kontak langsung cairan pendingin dengan chip elektronik atau kontak tidak langsung melalui bahan padat dengan konduktivitas termal tinggi. Ini kemudian dapat dibagi lagi berdasarkan bentuk kontak, jenis cairan pendingin, dan apakah cairan pendingin mengalami perubahan fasa. Metode pendinginan cair umumnya terbagi dalam delapan kategori (lihat Tabel 1).

 

▲ Tabel 1: Klasifikasi Penerapan Pendinginan Cairan

 

 

II Permintaan Pendinginan Cair dalam Skenario Pusat Data

 

Seperti sistem berpendingin udara konvensional yang biasa digunakan di pusat data, peran pendingin cair adalah untuk menghilangkan panas yang dihasilkan oleh peralatan TI seperti server dan peralatan fasilitas lainnya (misalnya baterai UPS) untuk menjaga lingkungan yang relatif stabil dengan suhu dan kelembapan yang sesuai. di pusat data.

 

Pertama, kebutuhan pembuangan panas adalah kekuatan pendorong utama di balik pengembangan teknologi pendingin cair. Seiring dengan meningkatnya permintaan akan kemampuan pemrosesan data, integrasi chip elektronik kemungkinan akan terus tumbuh secara eksponensial di masa depan. Hal ini akan menyebabkan peningkatan kepadatan daya dan kepadatan fluks panas. Kebutuhan akan kecepatan transmisi data yang lebih cepat dan peningkatan kenyamanan pengguna akan mendorong integrasi peralatan yang lebih tinggi, yang pada gilirannya akan menyebabkan persyaratan pembuangan panas yang lebih besar untuk peralatan TI seperti server. Hal ini juga akan meningkatkan tuntutan lingkungan untuk pengoperasian. Akibatnya, pendinginan udara memerlukan kipas berkecepatan lebih tinggi, berdiameter lebih besar, serta saluran pembuangan panas yang lebih besar, sehingga menimbulkan kebisingan yang signifikan, dampak panas terhadap lingkungan yang lebih besar, serta peningkatan biaya konstruksi dan pengoperasian. Pendinginan cair menawarkan rasio biaya-kinerja yang lebih baik.

 

Kedua, kebijakan manajemen efisiensi energi mendorong penerapan teknologi pendingin cair. Alasan penting lainnya mengapa industri pusat data berfokus pada pendingin cair adalah karena kebijakan manajemen efisiensi energi nasional dan lokal. Persyaratan nasional dan lokal untuk Efektivitas Penggunaan Daya (PUE) pusat data menjadi lebih ketat, menjadikan pendingin cair menjadi sorotan industri pusat data. Standar nasional terbaru, Nilai Batas Efisiensi Energi Pusat Data dan Tingkat Efisiensi Energi (GB 40879-2021), mengharuskan konsumsi energi berada di bawah 1,3, yang sulit dicapai hanya dengan menggunakan pendingin udara di sebagian besar wilayah negara, sehingga memerlukan penggunaan teknologi pendingin cair.

 

Ketiga, kenyamanan pemulihan limbah panas dapat mendorong penerapan pendingin cair di pusat data. Pusat data yang dibangun menggunakan solusi pendingin cair memiliki kualitas limbah panas yang relatif lebih tinggi dan lebih mudah untuk dipulihkan. Proyek pemulihan panas limbah di pusat data berpendingin cairan merupakan cara efektif untuk mencapai pemanfaatan energi yang komprehensif dan meningkatkan efisiensi energi. Beberapa sarjana telah mengusulkan gagasan membangun pusat data berskala besar sebagai sumber panas untuk kota atau kawasan industri.

 

 

III Pengembangan Teknologi Rekayasa Pusat Data Berpendingin Cairan

 

Proses menghilangkan panas yang dihasilkan oleh chip elektronik melalui pendingin cair hanyalah awal dari proses pendinginan di pusat data. Pembangkitan panas berkelanjutan dari chip elektronik memerlukan pengoperasian teknologi rekayasa pusat data pendingin cair yang berkelanjutan, stabil, dan andal untuk menjaga pendinginan chip.

 

Prinsip dan praktik pendinginan cair berbeda dengan pendinginan udara. Secara khusus, konsep pembuangan panas dan pendinginan menunjukkan perbedaan yang halus: mulai dari di atas suhu ruangan atau di bawah suhu ruangan. Untuk mengatur kerangka teknologi rekayasa pusat data berpendingin cairan dengan lebih baik, chip elektronik dipandang sebagai sumbernya, dengan tujuan mentransfer panas yang dihasilkan oleh chip ke luar pusat data, memastikan pengoperasian peralatan TI yang stabil. Dengan demikian, teknologi rekayasa pusat data berpendingin cairan dibagi menjadi proses pendinginan primer dan sekunder. Konsep ini berbeda dengan sisi primer dan sekunder pendingin udara pusat data konvensional.

 

Proses pendinginan utama dari teknologi rekayasa pusat data berpendingin cairan mendinginkan komponen peralatan TI elektronik dengan kepadatan fluks panas yang tinggi dan mentransfer panas yang dihasilkan ke luar rak. Ini juga disebut sebagai pendinginan primer (pembuangan panas), pendinginan awal, pendinginan internal, atau pendinginan sirkulasi internal. Proses pendinginan primer benar-benar merupakan proses pendinginan cair, dan biasanya melibatkan loop tertutup peralatan atau komponen pendingin cair di ujung chip, unit distribusi pendingin (CDU), dispenser pendingin, dan saluran pipa. Unit distribusi pendingin (CDU) berisi pompa dan penukar panas, yang menyediakan kekuatan sirkulasi untuk cairan pendingin. Proses pendinginan primer pada umumnya melibatkan sirkulasi suhu dan aliran cairan pendingin tertentu dari CDU ke peralatan atau komponen pendingin cair di ujung chip. Pendingin menukar panas dengan chip melalui kontak langsung atau kontak tidak langsung melalui bahan dengan konduktivitas termal tinggi seperti logam. Pendingin atau uap pendingin bersuhu tinggi yang dipanaskan kemudian mengalir kembali ke CDU melalui pipa, di mana ia bertukar panas dengan pendingin sekunder. Setelah pendinginan, cairan pendingin bersuhu rendah didorong kembali ke peralatan atau komponen pendingin cair di ujung chip oleh CDU, menyelesaikan satu siklus penuh. Pendingin umum yang digunakan dalam proses pendinginan primer mencakup larutan etilen glikol, larutan propilen glikol, air deionisasi, dll., dan beberapa larutan menggunakan cairan berfluorinasi, meskipun persyaratan fisik untuk cairan pendingin sangat bervariasi di berbagai larutan pendingin cair.

 

Unit distribusi pendingin (CDU) adalah peralatan yang umum digunakan. Arsitektur CDU yang khas ditunjukkan pada Gambar 1. Selain memberikan gaya sirkulasi dan pertukaran panas untuk cairan pendingin pada proses pendinginan primer, peralatan ini juga berperan mendistribusikan daya pendinginan (bukan hanya aliran cairan pendingin). Oleh karena itu, biasanya memiliki fungsi berikut:

 

1) Kontrol suhu dan aliran: Pemantauan dinamis suhu dan aliran cairan pendingin dalam proses pendinginan primer melalui sensor suhu dan aliran. Berdasarkan model bawaan, CDU secara dinamis menyesuaikan suhu, aliran, atau tekanan suplai cairan pendingin untuk menyediakan kapasitas pendinginan yang memadai sekaligus menghindari kondensasi pada loop pendinginan primer.

2) Memastikan pemisahan fisik antara pendingin primer dan pendingin sekunder.

3) Filtrasi cairan pendingin online atau bypass.

4) Mendukung manajemen jaringan.

 

▲ Gambar 1: Arsitektur Unit Distribusi Pendinginan (CDU).

 

Proses pendinginan sekunder dari teknologi rekayasa pusat data berpendingin cairan mentransfer panas yang dibuang melalui proses pendinginan primer ke luar pusat data, yang juga dikenal sebagai pendinginan sekunder, pendinginan eksternal, pendinginan sirkulasi eksternal, atau pembuangan panas. Pendingin sekunder dalam proses ini dapat berupa udara, air pendingin, larutan berbahan dasar air (misalnya larutan etilen glikol, larutan gliserin), atau zat pendingin, yang secara kolektif disebut sebagai pendingin sekunder. Jika udara digunakan sebagai pendingin sekunder, proses pendinginan sekunder serupa dengan proses pendinginan konvensional di dalam pusat data. Jika larutan berbahan dasar air digunakan, pendingin sekunder bersirkulasi dalam apa yang disebut loop pendingin sekunder.

 

Pertukaran panas antara loop pendingin primer dan sekunder terjadi di CDU. Setelah pertukaran panas di CDU, pendingin sekunder bersuhu tinggi memasuki sumber pendingin atau peralatan pemulihan panas limbah, memindahkan panas ke lingkungan atau memungkinkan penggunaan kembali. Pendingin sekunder kemudian mengalir kembali ke penukar panas setelah pendinginan, menyelesaikan satu siklus penuh. Sumber pendingin dapat berupa menara pendingin, pendingin kering, chiller, dll. Karena proses pendinginan primer memungkinkan suhu masuk pendingin sekunder mencapai 30 derajat atau lebih tinggi, sumber pendingin dapat beroperasi hanya pada pendinginan alami, yang menjelaskan mengapa pendinginan cair teknologi dapat mencapai Efektivitas Penggunaan Daya (PUE) yang relatif ideal. Diagram khas teknologi rekayasa pendingin cair ditunjukkan pada Gambar 2.

 

▲ Gambar 2: Diagram Teknologi Rekayasa Pendingin Cair

 

Beberapa teknologi pendingin cair menggunakan desain yang hanya didasarkan pada proses pendinginan primer, di mana cairan pendingin langsung memindahkan panas ke lingkungan. Namun, dalam banyak kasus, hal ini memerlukan standar kemurnian fisik yang tinggi untuk cairan pendingin, sehingga meningkatkan biaya. Jika jaringan pipa terlalu panjang, maka keekonomian sistem secara keseluruhan akan terpengaruh. Oleh karena itu, desain pendingin primer paling cocok untuk konfigurasi kompak.

 

 

IV Diskusi Tren Perkembangan Masa Depan Data Center Berpendingin Cairan

 

Secara keseluruhan, pengembangan pusat data berpendingin cairan di masa depan masih mengandung ketidakpastian.

 

Pertama, kekuatan pendorong promosi teknologi pendingin cair masih akan didasarkan pada kebutuhan pendinginan (pembuangan panas) peralatan TI. Namun, hal ini didasarkan pada prediksi tren masa depan dalam pengembangan chip elektronik, serta asumsi bahwa efektivitas biaya teknologi pendingin cair akan secara bertahap memberikan keunggulan dibandingkan teknologi pendingin udara. Meskipun demikian, masih ada kemungkinan bahwa tingginya biaya pendinginan cair dapat menyebabkan desain chip alternatif yang mengurangi kebutuhan pendinginan dan pembuangan panas.

 

Kedua, model konstruksi dan penggunaan pusat data berpendingin cairan berbeda secara signifikan dari pusat data berpendingin udara konvensional. Karakteristik pusat data berpendingin cairan adalah tingkat keterhubungan yang tinggi antara peralatan TI dan infrastruktur. Dalam hal prinsip teknis dan jaminan keandalan, mereka pada dasarnya tidak dapat mencapai tingkat pemisahan yang sama seperti pusat data konvensional berpendingin udara. Akibatnya, berbagai vendor solusi teknis dan peralatan beroperasi secara independen satu sama lain. Pemilik pusat data cenderung terikat erat dengan penyedia solusi teknologi tertentu. Penerapan teknologi pendingin cair di pusat data dapat dilihat berkembang berdasarkan disrupsi dari model komersial asli, model konstruksi, dan model industri dari pusat data berpendingin udara konvensional. Layanan penyewaan kabinet tradisional sebagian besar tidak dapat diterapkan pada pusat data berpendingin cairan. Hal ini menghadirkan hambatan yang signifikan terhadap promosi lebih lanjut teknologi pendingin cair.

 

Ketiga, keandalan pusat data berpendingin cairan masih memerlukan validasi. Meskipun penyedia solusi pusat data berpendingin cairan saat ini telah mengusulkan solusi seperti pengujian keandalan yang ditingkatkan dan penambahan perangkat pendeteksi kebocoran dan alarm untuk cairan pendingin, kekhawatiran mengenai potensi kebocoran pada loop pendingin cair di dalam kabinet, yang dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan TI, tetap menjadi topik yang menjadi perhatian luas di industri ini.

 

Penyelesaian ketidakpastian ini sangat bergantung pada skala penerapannya. Untuk mengatasi permasalahan yang tampaknya tak terselesaikan ini, memonopoli pasar dan menguasai industri hulu dan hilir, yang sudah berkali-kali terbukti melanggar hukum pembangunan ekonomi, bukanlah jawabannya. Sejarah telah berulang kali menunjukkan bahwa mereka yang pertama kali dapat membangun rantai dan ekosistem industri berdasarkan pembagian kerja dan kerja sama, kemungkinan besar akan berhasil dalam persaingan. Sebelum menemukan jalur teknis yang memisahkan peralatan TI dari infrastruktur, standardisasi tidak akan menjadi solusi ajaib terhadap masalah pemisahan tersebut, juga tidak akan menjadi cara yang efektif untuk membatasi atau menyerang pesaing. Namun, menggunakan standardisasi sebagai alat untuk terus memajukan pemisahan berdasarkan pada menemukan kesamaan sambil menjaga perbedaan, berbagi pengalaman secara efektif, dan mendorong pemisahan proses manufaktur dan jasa untuk mencapai spesialisasi dan penyempurnaan, dapat membantu mengurangi biaya penerapan secara keseluruhan. Perbaikan berkelanjutan melalui pengujian aplikasi dapat mengarah pada pembentukan umpan balik positif yang memperluas skala pendinginan cair, yang berpotensi menjadi jalur yang diperlukan untuk pengembangan teknologi pendingin cair.

 

 

V Kesimpulan

 

Tergantung pada faktor-faktor seperti kompatibilitas server, jenis cairan pendingin, dan suhu pengoperasian pendingin cair, teknologi rekayasa untuk pusat data berpendingin cairan bervariasi. Saat ini, teknologi rekayasa pada setiap jalur teknis masih dalam proses pengembangan dan finalisasi, dan belum ada jalur teknis sempurna yang diakui industri. Juga tidak ada konsensus mengenai subbidang spesifik yang dapat diterapkan pada setiap rute teknis. Mencari kepastian tertinggi akan bergantung pada faktor-faktor seperti keekonomian, keandalan, dan pemeliharaan teknologi rekayasa pusat data berpendingin cairan, serta menemukan solusi optimal melalui penerapan praktis yang berkelanjutan.