Теплоотвод на уровне сервера

На уровне сервера применяются технологии непосредственного отвода тепла от электронных компонентов, когда обычное воздушное охлаждение становится недостаточным. Основное направление развития — переход к жидкостному отводу тепла: через холодные пластины (cold plate) или полное погружение в диэлектрическую жидкость (иммерсионное охлаждение).

Охлаждение через холодные пластины

Метод основан на теплопроводности. Через металлическую пластину, установленную на процессоре или другом источнике тепла, циркулирует жидкость (вода, масло или гликоль), отводящая тепло в внешний контур.

Принцип работы: Жидкость проходит внутри канала пластины, забирая тепло от горячей поверхности и передавая его в теплообменник. В сервере пластины соединяются с коллектором подачи и обратки — обычно это вода технического контура или гликолевый раствор. Поток может быть ламинарным или турбулентным. При низких скоростях уменьшаются потери давления, но снижается эффективность теплообмена; при высоких скоростях — наоборот.

Преимущества:

высокая эффективность отвода тепла благодаря непосредственному контакту с источником;
возможность использования «тёплой воды» (температура подачи до +40 °C), что позволяет отказаться от чиллеров;
снижение энергопотребления систем кондиционирования зала;
компактность и низкий уровень шума.

Ограничения:

сложность герметизации соединений и обслуживания;
необходимость использования антикоррозионных жидкостей и фильтрации;
возможность утечки и повреждения оборудования при нарушении целостности контура.

Холодные пластины применяются в серверах плотностью от 50 до 100 кВт на стойку и обеспечивают тепловую проводимость до 400 Вт/м·К.

Иммерсионное охлаждение

Иммерсионная (погружная) технология основана на прямом контакте оборудования с жидкостью, отводящей тепло. Серверы полностью погружаются в диэлектрический теплоноситель.

Принцип работы: Тепло передаётся от компонентов непосредственно к жидкости, которая циркулирует по замкнутому контуру. Жидкость проходит через теплообменник, где отдаёт тепло воде или воздуху, и возвращается обратно в резервуар. В зависимости от состава теплоносителя используют три типа жидкостей:

вода — применяется редко, только в изолированных каналах, так как не является диэлектриком;
минеральное масло — наиболее распространённый вариант, не проводит ток, безопасно и стабильно, но имеет высокую вязкость;
фторсодержащие жидкости — химически инертные и негорючие, но самые дорогие.

Преимущества:

снижение энергозатрат на охлаждение на 90–95 % по сравнению с воздушным ЦОДом;
возможность эксплуатации без традиционных кондиционеров и чиллеров;
снижение уровня шума и пылеобразования;
высокая плотность мощности — до 200 кВт на одну стойку;
равномерное охлаждение и отсутствие «горячих точек»;
компактность и простота компоновки.

Ограничения:

высокая стоимость жидкостей и оборудования;
сложность обслуживания — требуется специальная подготовка персонала;
несовместимость некоторых компонентов (оптические модули, SSD-диски) с жидкостью;
риск загрязнения и необходимость контроля за состоянием теплоносителя;
зависимость от качества проектирования гидравлического распределения.

Иммерсионные системы позволяют достигать PUE < 1.2 и обеспечивают низкий уровень шума при плотности более 100 кВт/стойку.

Сравнение теплоносителей

Среда	Теплопроводность, Вт/м·К	Удельная теплоёмкость, кДж/кг·К	Объёмная теплоёмкость, кДж/м³·К	Комментарий
Воздух	0.024	1.0	1.17	Низкая способность к отводу тепла, используется только при малых плотностях
Вода	0.58	4.18	4180	Наиболее эффективный теплоноситель, требует изоляции электрических частей
Диэлектрическая жидкость	0.15	1.7	1632	Электробезопасна, подходит для иммерсии, но дорогая и требует фильтрации

Энергетическая эффективность

$$ \eta_{liq} = \frac{Q_{IT}}{Q_{IT} + P_{pump}} $$

где: - $ Q_{IT} $ — тепловая мощность, отводимая от оборудования; - $ P_{pump} $ — мощность насосов.

Благодаря высокой теплоёмкости жидкостей КПД жидкостного отвода тепла превышает 95 %, а циркуляция требует в 10–20 раз меньшего расхода по сравнению с воздушным охлаждением.

Практические соотношения

Параметр	Воздушное охлаждение	Жидкостное охлаждение
Температура на входе, °C	22	35
Температура на выходе, °C	17	30
Расход среды, м³/ч	21.8	0.05
Температура поверхности процессора, °C	77	47

Переход на жидкостное охлаждение уменьшает перепад температур, снижает энергопотребление насосов и вентиляторов, повышает стабильность теплового режима и продлевает срок службы компонентов.

Выводы

Жидкостный отвод тепла становится основным направлением для серверов высокой плотности.
Наиболее зрелое решение — холодные пластины; перспективное — иммерсионное охлаждение.
Применение воды и диэлектрических жидкостей позволяет достичь крайне низких значений PUE.
Технологии требуют проработки вопросов обслуживания, герметичности и совместимости материалов.
Наиболее эффективно внедрение таких систем в новых проектах, где возможно сразу учесть компоновку и контуры подачи жидкости.