데이터 센터에는 밀도가 높은 장비가 있으며 지속적인 작동 중이므로 많은 열이 생성됩니다 (각 서버는 여러 킬로와트의 전력을 수십 킬로와트까지 가질 수 있습니다). 열을 제 시간에 소산 할 수 없으면 장비 과열, 성능 저하 및 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 냉각 시스템의 설계는 데이터 센터의 에너지 효율, 신뢰성 및 운영 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 다음은 시스템 구성, 냉각 방법, 주요 기술 및 개발 동향의 측면에서 자세한 소개입니다.
1. 데이터 센터 냉각 시스템의 코어 구성 요소
데이터 센터 냉각 시스템은 일반적으로 다음 부품으로 구성되며 효율적인 열 전달 및 방전을 달성하기 위해 함께 작동합니다.
● 열원 측면 장비
서버, 스토리지 장치, 전원 공급 장치 장비 (예 : UPS) 등과 같은 열 발생 구성 요소는 처음에는 팬 또는 수동 방열판에 의해 냉각됩니다.
● 열 전달 매체
공기 : 전통적인 공기 냉각 시스템의 매체, 저렴한 비용이지만 열 전도 효율 (공기의 열전도율은 0. 026 w\/m ・ k)입니다.
액체 : 미네랄 오일 및 형광성 액체와 같은 물 또는 냉각제와 같은 액체 냉각 시스템의 배지는 공기보다 열전도율이 상당히 높습니다 (물의 열전도율은 약 {{{0}}.
● 냉장 및 열 소산 장비
정밀 에어컨 (CRAC\/CRAH) : 데이터 센터 환경을 제어하기 위해 일정한 온도 및 습도 차가운 공기를 제공합니다 (일반적인 온도 20-24 정도, 습도 40%-60%).
Chiller : 대형 데이터 센터 또는 액체 냉각 시스템에서 일반적으로 사용되는 물 순환을 통해 열을 제거합니다.
냉각 타워\/드라이 냉각기 : 열을 실외 대기로 배출하고 (물 냉각) (물 필요) 및 건식 냉각 (공기 냉각, 물 절약이지만 효율적이지 않음)으로 나뉩니다.
열교환 기 : 예를 들어 플레이트 열교환 기 및 열 파이프 열 교환기와 같은 다른 매체 간의 열 교환에 사용됩니다.
● 공기 흐름\/액체 흐름 관리 구성 요소
덕트와 덕트 : 공기 흐름을 안내하여 차갑고 뜨거운 분리를 달성합니다.
액체 냉각 파이프 라인 : 펌프, 밸브, 유량계 등을 포함하여 냉각수의 순환을 보장합니다.
캐비닛 수준 구성 요소 : 백플레인 팬, 콜드 플레이트 및 스프레이 장치 (침수 액체 냉각)와 같은.
● 제어 시스템
센서 (온도, 습도, 압력) 및 지능형 컨트롤러는 냉장 장비의 작동을 동적으로 조정하여 에너지 효율을 최적화합니다.
2. 데이터 센터 냉각 방법의 분류
열 전달 매체 및 기술 경로를 기반으로 냉각 방법은 공기 냉각, 액체 냉각 및 천연 냉각의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 각 방법에는 적용 가능한 시나리오와 장점 및 단점이 있습니다.
● 공기 냉각 (공기 냉각)
원리 : 장비의 열은 공기 흐름에 의해 제거되고, 에어컨 시스템에 의해 열기가 냉각 된 다음 외부로 재활용되거나 배출됩니다.
일반적인 기술 :
컴퓨터 룸 수준의 공기 냉각 :
정밀 에어컨은 컴퓨터 실에 공기를 직접 공급하고 뜨거운 공기는 천장을 통해 또는 바닥 아래로 돌아옵니다. 비용은 낮지 만 에너지 효율은 평균입니다 (Pue는 높습니다. 약 1. 5-2. 0).
개선 조치 : 핫 및 콜드 채널의 분리 (공기 흐름 혼합을 피하기 위해 핫 채널 또는 콜드 채널을 동봉 함), 바닥 공기 공급 (기존 데이터 센터에서 흔히 볼 수있는 냉기를 운송하기 위해 높은 바닥을 사용).
캐비닛 수준의 공기 냉각 :
캐비닛에는 단일 캐비닛의 열 소산을 향상시키기 위해 내장 된 팬 또는 백플레인 팬이 있습니다 (중간 밀도 캐비닛에 적합한 15kW 이상의 전력).
항로 간 에어컨과 결합하여 (에어컨은 캐비닛 행 사이에 배치되어 공기 흐름 경로를 단축하고 효율성을 향상시킵니다).
장점 : 성숙한 기술, 낮은 배포 비용, 유지 보수 쉬운.
단점 : 높은 전력 밀도 시나리오의 공기 열 용량, 불충분 한 효율성 (단일 캐비닛 전력> 20 kW의 경우 액체 냉각으로 업그레이드).
● 액체 냉각 (액체 냉각)
원리 : 액체 매체를 사용하여 열 생성 성분을 직접 또는 간접적으로 접촉하고 순환을 통해 열을 제거한 다음 열 교환기를 통해 실외 냉각 시스템으로 전환하십시오.
분류 및 기술 :
간접 액체 냉각 (콜드 플레이트 타입) :
열 생성 성분 (예 : CPU, GPU)은 금속 콜드 플레이트를 통해 접촉하고, 냉각수 (물 또는 비 공동 액체)는 전자 성분에 직접 접촉하지 않고 열을 흡수하기 위해 콜드 플레이트에 흐릅니다.
장점 : 높은 안전성 (비전 도성 액체는 선택 사항)이며 기존 서버 아키텍처와 호환되며 변환의 어려움이 적습니다.
응용 프로그램 : 고밀도 컴퓨팅 시나리오 (예 : AI 서버, HPC 클러스터), 단일 캐비닛의 전력은 20-50 kw에 도달 할 수 있습니다.
직접 액체 냉각 (침수) :
서버 하드웨어는 비전도 형광 화 액체 또는 미네랄 오일에 완전히 담겨 있습니다. 액체는 열을 흡수하고 기화시키고 증기 액화와 응축기를 통해 다시 흐릅니다 (위상 변화 냉각, 더 높은 효율).
장점 : 매우 높은 열 소산 효율 (단일 캐비닛 전력은 100kW 이상에 도달 할 수 있음), 팬이 필요하지 않음, 저음이 적고, PUE는 1.05 이하로 낮을 수 있습니다.
응용 프로그램 : 초고 성능 컴퓨팅, 블록 체인 마이닝 농장, 대규모 AI 훈련 클러스터.
스프레이 액체 냉각 :
냉각수는 노즐을 통해 가열 요소의 표면에 분무되어 증발과 결합하여 콜드 플레이트 유형과 침지 유형 사이에 열을 흡수합니다.
장점 : 고열 소산 효율이 높고 PUE가 크게 감소하며 초고 전력 밀도를지지합니다.
단점 : 높은 초기 투자 (캐비닛 및 파이프 라인 수정이 필요), 높은 유지 보수 복잡성 및 전문 냉각수 관리가 필요합니다.
● 천연 냉각 (무료 냉각)
원리 : 에너지 소비를 줄이기 위해 기계식 냉장을 대체하기 위해 야외 천연 냉수 (예 : 저온 공기, 지하수, 냉각탑)를 사용하십시오.
일반적인 기술 :
공기 측 천연 냉각 :
신선한 공기 냉각 : 여과 후 (습도와 먼지가 엄격하게 제어되어야 함) 야외 저온 공기가 데이터 센터에 직접 도입되고 야외에서 배출됩니다.
히트 파이프\/열교환 기 : 직접 공기 혼합을 피하기 위해 열 파이프 또는 플레이트 열교환기를 통해 실내 열이 외부로 옮겨집니다 (습도가 높은 영역에 적합).
수면 자연 냉각 :
냉각탑이나 드라이 냉각기를 사용하여 냉각기를 직접 사용하여 실외 온도가 낮을 때 저온 냉각수를 제공하여 압축기의 달리기 시간이 줄어 듭니다.
폐쇄수 순환 시스템과 결합하여 수질 오염은 열 소산에 영향을 미치지 않습니다.
지상 소스\/수원 냉각 :
지하수, 호수 또는 토양 열 교환기를 사용하여 환경 친화적이지만 지리적 위치에 따라 제한된 열 펌프 시스템을 통해 자연 냉장 공급원을 추출하십시오.
장점 : 냉각 에너지 소비를 크게 줄이면 Pue는 1.1 이하의 녹색 및 에너지 절약만큼 낮을 수 있습니다.
단점 : 야외 기후 조건 (추운 지역의 명백한 장점)에 따라 다르며 추가 열 교환 장비가 필요합니다.
3. 주요 냉각 기술 및 혁신
위의 기본 방법 외에도 데이터 센터 냉각 기술은 고효율, 인텔리전스 및 낮은 탄화로 발전하고 있습니다. 다음은 현재 주류 및 최첨단 기술입니다.
● 고효율 냉장 기술
자기 부상 냉각기 : 자기 부상 압축기를 사용하여, 윤활유가없고, 에너지 효율 비율 (COP)은 10 개 이상에 도달 할 수 있으며, 이는 전통적인 원심 냉각기보다 30% 이상 에너지 절약입니다.
증발 냉각 : 건조 영역에 적합한 물 증발 (예 : 습식 필름 가습기 + 팬)을 통한 열을 흡수하여 공기 온도를 낮추면 기계적 냉장에 대한 수요가 크게 줄어들 수 있습니다.
2 상 흐름 냉각 : 칩 레벨 열 소산을위한 루프 히트 파이프 (LHP) 및 맥동 열 파이프 (PHP)와 같은 효율적인 열 전달을위한 액체 상 변화 (증발 응고) 사용.
● 지능 및 에너지 효율 최적화
AI 및 기계 학습 :
AI 알고리즘을 통해 과거 데이터를 분석하고, 하중 변경을 예측하며, 에어컨, 팬, 워터 펌프 및 기타 장비의 작동 매개 변수를 동적으로 조정하며 에너지 효율 최적화를 달성합니다 (예 : Google의 심해 기술은 냉장 에너지 소비를 40%줄일 수 있음).
핫스팟의 실시간 모니터링, 공기 흐름의 자동 조정 또는 로컬 과열을 피하기 위해 액체 흐름 분포.
디지털 트윈 : 데이터 센터의 가상 모델을 구축하고, 다양한 냉각 솔루션의 효과를 시뮬레이션하며, 레이아웃 및 작동 및 유지 보수 전략을 최적화합니다.
● 폐 열 회수 및 탄소 중립
폐 열 재사용 : 전반적인 에너지 활용을 향상시키기 위해 가열, 온수 또는 산업 공정 (지역 난방 시스템과 결합 된 북유럽 데이터 센터와 같은)을 위해 냉각 시스템에서 배출 된 열을 재활용합니다.
Green Energy Synergy : 광전지 및 풍력과 같은 재생 에너지를 결합하여 냉각 시스템에 전력을 공급하고 탄소 배출을 줄입니다. 일부 데이터 센터는 연료 전지를 사용하는데, 그의 폐열은 난방 또는 발전에 직접 사용할 수 있습니다.
자연적인 작업 유체 냉매 : 환경 규정 (예 : EU F-GAS 규정)을 준수하여 전통적인 프레온을 대체하기 위해 암모니아 (NH3) 및 이산화탄소 (CO₂)와 같은 낮은 GWP (지구 온난화 전위) 냉매를 사용하십시오.
● 침지 액체 냉각 기술의 대중화
AI의 폭발 및 고성능 컴퓨팅으로 고밀도 서버 (예 : GPU 클러스터)는 침수 액체 냉각을 촉진하여 핫 스팟이되었습니다.
불소화 액체의 특징 : 절연, 낮은 비등점 (약 50-60도), 위상 변화 냉각에 적합하며 서버 하드웨어를 수정할 필요가 없습니다.
비용 절감 추세 : 대규모 적용으로 불소화 된 액체의 가격이 점차 감소했으며 재사용 (10 년 이상 수명)이 될 수 있으며 장기 비용 이점이 분명합니다.
4. 냉각 기술의 선택 및 응용 시나리오
데이터 센터를위한 냉각 솔루션의 선택은 전력 밀도, 지리적 위치, 예산 및 에너지 효율 목표를 종합적으로 고려해야합니다.
| 대본 | 권장 냉각 방법 | 전형적인 푸우 | 단일 캐비닛 전원 |
| 저전력 밀도 (<5 kW) | 컴퓨터 룸 수준의 공기 냉각 + 콜드 및 핫 채널 격리 | 1.5-1.8 | 5kW보다 작거나 동일합니다 |
| 중간 전력 밀도 (5-20 kw) | 캐비닛 수준의 공기 냉각 + 행-로우 에어컨 | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| 고출력 밀도 (20-50 kw) | 콜드 플레이트 액체 냉각 + 천연 냉각 | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50kW) | 침지 된 액체 냉각 + 폐 열 회수 | 1.05-1.1 | 50-100 kw+ |
| 추운 지역 | 자연 냉각 (공기\/물면) + 보조 냉각 | 1.08-1.2 | 유연한 |
| 건조한 지역 | 증발 냉각 + 천연 냉각 | 1.1-1.3 | 유연한 |
5. 미래 개발 동향
●저탄소 및 제로 탄소 데이터 센터 :정책 (중국의 "이중 탄소"목표와 같은)에 의해 주도되면, 자연 냉각, 폐 열 회수 및 재생 에너지는 주류가 될 것이며 Pue Target은 1. 0으로 이동합니다.
● 액체 냉각 기술의 스케일링 :AI 및 Edge Computing Drive 고밀도 수요, 침수 액체 냉각은 고급 시나리오에서 일반 데이터 센터로 침투하며 산업 표준 (예 : OCP 액체 냉각 사양)은 점차 통합됩니다.
● 칩 레벨 정밀 열 소비 :마이크로 채널 냉각, 스프레이 냉각 및 기타 기술은 칩에 직접 작용하여 열 전달 경로 손실을 줄입니다.
● 풀 체인 지능 :장비 모니터링에서 글로벌 최적화에 이르기까지 AI 및 사물 인터넷 (IoT)은 "예측 유지 보수"및 적응 형 냉각을 달성하기 위해 깊이 통합됩니다.
●모듈화 및 조립식 :조립식 액체 냉각 캐비닛 및 컨테이너 유형 데이터 센터가 가속되어 구조주기를 단축하고 운영 및 유지 보수 비용을 줄이기 위해 가속됩니다.
데이터 센터 냉각 시스템은 성능, 비용 및 에너지 효율 균형을 유지하는 핵심 링크입니다. 기술 선택은 지역 조건과 요구에 맞게 조정되어야합니다. 컴퓨팅 전력 수요의 폭발과 녹색 변형의 발전으로, 효율적인 액체 냉각, 자연 냉각 및 지능 관리는 미래 개발의 핵심 방향이되어 "저탄소, 효율적이고 지속 가능한"데이터 센터의 진화를 이끌 것입니다.