با پیشرفت هوش مصنوعی و 5G، نگرانی در مورد حفظ حریم خصوصی، و گسترش مداوم اینترنت اشیا، تقاضا برای محاسبات لبه ای رو به افزایش است. محبوبیت مراکز داده مدولار برای پاسخگویی به این تقاضا افزایش یافته است، زیرا می توان آنها را به سرعت در مناطق دورافتاده و همچنین مکمل مراکز داده آجر و ملات مستقر کرد.
با این حال، یک مسئله مهم برای همه مراکز داده، مصرف انرژی و آب آنها است (به ویژه برای سرمایش، که تا 40 درصد از انرژی مرکز داده را مصرف می کند)، که آنها را به موضوع صفحه اول اخبار تبدیل کرده است.
در فوریه 2023، مشخص شد که مرکز داده گوگل از یک چهارم استفاده می کند آب شهر اورگانو طبق یک 2021 مطالعه از ویرجینیا تک، “یک پنجم ردپای مستقیم آب سرورهای مرکز داده از حوضه های آبخیز متوسط تا شدیداً با تنش آبی می آید.” بیشتر این آب برای خنک‌سازی تبخیری استفاده می‌شود، که در شرایط خشکسالی تاریخی که در جنوب غربی ایالات متحده تجربه می‌شود، به یک مسئله تبدیل می‌شود.
برای مراکز داده ماژولار، خنک‌سازی به دلیل فضاهای تنگ و قابلیت استقرار در مکان‌های دور که نیاز به خنک‌سازی غوطه‌وری مبتنی بر مایع با استفاده از چیلرهای پرانرژی یا بیرون کشیدن خنک‌کننده تبخیری از منبع آب دارند، موضوع مهمی است.
در ماه مه، آژانس پروژه تحقیقاتی پیشرفته وزارت انرژی ایالات متحده – انرژی (ARPA-E) برنامه عملیات خنک کننده خود را بهینه سازی شده برای جهش در انرژی، قابلیت اطمینان و افزایش کارایی کربن برای سیستم های پردازش اطلاعات (COOLERCHIPS) اعلام کرد که بودجه پروژه هایی را برای کاهش اثرات زیست محیطی مراکز داده با توسعه “فناوری های خنک کننده بسیار کارآمد و قابل اعتماد” تامین می کند.
هدف اساسی این پروژه، به گفته دکتر پیتر دو بوک، تیاو مدیر برنامه COOLERCHIPS، به عنوان بخشی از امید بزرگتر کاهش انتشار کربن، به عنوان بخشی از امید بزرگتر کاهش انتشار کربن، به عنوان بخشی از امید بزرگتر برای کاهش انتشار کربن، به گفته جنیفر ام. گرانهولم، “تغییر آب و هوا را شکست داده و به آینده انرژی پاک خود برسیم.”
یکی از پروژه‌های تامین‌شده که امید خاصی را برای خنک‌سازی مراکز داده مدولار نشان می‌دهد، دانشگاه کالیفرنیا، دیویس است. پروژه راه‌حل‌های خنک‌کننده هدایت‌شده با انرژی کارآمد مدولار (HoMEDUCS).
چگونه HomeDUCS خنک کننده مرکز داده مدولار را بهبود می بخشد
پروژه HomeDUCS به جای تلاش برای دستیابی به خنک‌سازی بهتر از طریق یک عنصر منفرد یا ارتقای ساده به روش‌های خنک‌سازی قبلی، مجموعه‌ای از پیشرفت‌های قابل‌توجه را در کل سیستم خنک‌کننده مرکز داده مدولار به کار می‌گیرد، که از اصل اساسی آنچه واقعاً باید خنک شود شروع می‌شود.
مرکز داده هومدوکس در حالت عملیاتی (تشخیص داده شده از تیم UC Davis HomeDUCS)
بر خلاف دفاتر با دمای راحت بین 68-76 درجه فارنهایت (20-24.4 درجه سانتیگراد) – همانطور که توسط OSHA – تراشه های کامپیوتری دمای بسیار بالاتری را تحمل می کنند (158-176 درجه فارنهایت / 70-80 درجه سانتیگراد). (این واقعیتی است که همه ما از لپ‌تاپ‌های داغ یاد می‌گیریم، که گاهی اوقات باعث شدید می‌شود می سوزد). تراشه های کامپیوتری می توانند دمایی را تحمل کنند که حتی در گرم ترین روزها، جنوب غربی ایالات متحده به آن نمی رسد.
با تمرکز بر این ایده، دکتر وینود نارایانان، سرپرست پروژه HomeDUCS، می‌گوید: «اگر یک تراشه کامپیوتری با دمای 80 درجه سانتیگراد دارید، حتی اگر محیط بیرونی با دمای 40 درجه سانتیگراد (104 درجه فارنهایت) داشته باشید… [temperature difference] می توان از آن برای دور کردن گرما از تراشه استفاده کرد.” پروژه خنک کننده HomeDUCS بر استخراج و پخش گرما از تراشه به هوای محیط متمرکز است و با خنک کردن مستقیم مایع تراشه شروع می شود.
هومدوکس از طراحی صفحه سرد استفاده می کند که با طراحی کانال سیال منحصر به فرد خود که بر مقیاس های کوچکتر و هندسه متفاوت تمرکز دارد که انتقال حرارت را در عین کاهش افت فشار افزایش می دهد، با دیگر طرح های صفحه سرد متفاوت است و در نتیجه قدرت پمپاژ مورد نیاز سیال صفحه سرد (پروپیلن گلیکول) را کاهش می دهد.
هنگامی که سیال از صفحات سرد خارج می شود، به دیواری از مبدل های حرارتی فوق کارآمد می رود که از طراحی مبدل حرارتی “خالص” نوآورانه تیم هومدوکس استفاده می کند و از پلیمر (برای کاهش هزینه) ساخته شده است. سپس گرما با کمک فن ها به هوای محیط پخش می شود. برخلاف طرح‌های خنک‌کننده مرکز داده مدولار، هیچ کمپرسور یا چیلر در کار نیست. استفاده از پمپ های ساده و نه از کمپرسورها یا چیلرها، صرفه جویی در مصرف انرژی را به شدت افزایش می دهد، دقیقاً به همان روشی که یک پنکه سقفی ساده برق کمتری نسبت به یک واحد AC مصرف می کند. سیال خنک شده به صفحه سرد روی تراشه برمی گردد و فرآیند را تکرار می کند.
اگر دمای بیرون از 40 درجه سانتیگراد (104 درجه فارنهایت) فراتر رود، طراحی HomeDUCS شامل Skycoolپانل های خنک کننده تابشی روی سقف ماژول، که می تواند مایع را در زیر دمای محیط بدون برق، حتی در یک روز آفتابی خنک کند. سیال خنک شده در زیر ماژول ذخیره می شود و در زمان گرمای شدید استفاده می شود.
در حال حاضر، مراکز داده خنک‌کننده با استفاده از سرمایش تبخیری یا مبتنی بر چیلر، معمولاً حدود 25 تا 40 درصد انرژی خود را مصرف می‌کنند، بدون احتساب مقادیر باورنکردنی آب مصرف‌شده، که خشم جوامع تحت فشار خشکسالی را برانگیخته است. سه عنصر طراحی هومدوکس – صفحات سرد، مبدل های حرارتی فوق العاده کارآمد و پانل های خنک کننده تابشی – و سایر عناصر که هنوز فاش نشده اند، پیش بینی می شود که کمتر از 5 درصد از برق مصرفی مرکز داده را برای خنک کردن مصرف کنند و از آب استفاده نکنند.
“آنچه ما را منحصر به فرد می کند” نارایانان می‌گوید: «ترکیبی از فناوری‌هایی است که ما ارائه می‌کنیم که آن را کارآمدتر و فشرده‌تر می‌کند»، همان چیزهایی که برای مراکز داده ماژولار به راحتی قابل استقرار لازم است که می‌توانند در هر نقطه از آمریکا که قدرت در دسترس است، کار کنند.
تأثیرات بر خنک سازی مرکز داده
علاوه بر یو سی دیویس پروژه Homeducs ، 14 پروژه CoolerChips دیگر با بهره وری انرژی به عنوان هدف خود وجود دارد ، از پروژه Nvidia برای استفاده از “مبردهای سبز” به طور مستقیم به صفحه سرد تراشه با منیفولدهای قفسه ای با پمپ های داخلی و جداکننده های مایع وراپور به “نرم افزار چند منظوره” مریلند “که هدف آن پشتیبانی از تصمیم گیری برای توسعه داده ها در مرکز داده های بعدی است.
لوئیس کولون، مبشر ارشد فناوری fauna.com، که سابقه طولانی در کار با مراکز داده خصوصی و اجاره‌ای دارد، می‌گوید که تأثیر برنامه COOLERCHIPS به طور قابل توجهی توسط مراکز داده در مقیاس فوق‌العاده احساس خواهد شد. آنها قادر خواهند بود بار روی شبکه انرژی محل خود را کاهش دهند، به ویژه در طول نوسانات شدید دما در زمستان ها و تابستان ها که شبکه های محلی بیشترین فشار را دارند و به آنها امکان می دهد “همسایگان بهتری” باشند.
دی باک معتقد است که برنامه COOLERCHIPS چیزی بیش از یک مسیر به سمت مراکز داده کارآمد است. فن‌آوری‌های توسعه‌یافته «به طور کلی برای بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی که به دلیل کارایی سیستم‌های خنک‌کننده محدود شده‌اند اعمال می‌شوند و همچنین می‌توانند برای سیستم‌های تبدیل نیرو برای سیستم‌های خورشیدی مفید باشند. [and] توربین های بادی.”
دی باک می افزاید که مراکز داده ماژولار احتمالاً بزرگترین سودمند هر فناوری که توسط برنامه COOLERCHIPS توسعه می یابد، خواهند بود. او می‌گوید: «مراکز داده‌های مدولار یا مراکز داده لبه‌ای، ساختار ساختمان خود را دارند و بنابراین می‌توانند با سرعت بیشتری از فناوری‌های COOLERCHIPS توسعه‌یافته استفاده کنند.» آنها همچنین موارد استفاده منحصر به فردی را ارائه می دهند که در آن محاسبات می تواند در نزدیکی مشتری برای تأخیر کم، ارتباط سریع بین مرکز داده و سایت کاربر، و پتانسیل استفاده مجدد از گرمای اتلاف برای گلخانه، گرمایش، خشک کردن یا سایر کاربردها رخ دهد.»
شاید بزرگترین مزیت بالقوه پروژه هایی مانند HomeDUCS آینده ای باشد که در آن مراکز داده می توانند، همانطور که کولون می گوید، با استفاده از انرژی و آب کمتر، و افزایش محاسبات لبه برای کاربران در هر کجا که زندگی می کنند، “همسایگان بهتری” باشند.