Как суперкомпьютеры на водяном и иммерсионном охлаждении обогревают дома

В 2009 году стало известно об уникальном проекте Швейцарского федерального технологического института и IBM. В проекте был заявлен суперкомпьютер на водяном охлаждении, выделяемое которым тепло планировали направлять на отопление университетского кампуса. Устройство Aquasar хотели разместить в ETH в Цюрихе.

Хладагент упрятали в медные трубы, которые располагались в стандартных блейд-серверах. В прототипе суперкомпьютера хотели объединить два монтируемых в стойку сервера IBM BladeCenter, в каждом из которых находились бы несколько процессоров IBM PowerXCell 8i и Intel Nehalem. Пиковая производительность вычислительного устройства могла превысить 10 терафлопс, что впрочем далеко от тех характеристик, которыми располагают действительно мощные суперкомпьютеры.

Нагретый теплоноситель должен был отдавать тепло внутри здания. По оценкам IBM, предложенная схема утилизации тепла снижала углеродный след системы на 85% и экономила до 30 тонн углекислого газа в год по сравнению со стандартными подходами к охлаждению. Сравнение проводили на основе данных о среднегодовой эксплуатации системы отопления на ископаемом топливе.

Тогда же подсчитали, что энергопотребление систем кондиционирования, применяемых в ЦОДах, составляет 50% всей потребляемой центром энергии. Поскольку Aquasar более не нуждался в таком оборудовании, IBM планировала сократить энергопотребление минимум на 40%.

«Экономия энергии — это проблема №1 с которой человечество столкнётся в XXI веке. Мы больше не можем позволить себе проектировать компьютерные системы, основываясь только на критериях скорости вычислений и производительности», — заявил профессор Пуликакос из ETH Zurich, руководитель проекта Aquasar. Новой целью должны стать высокопроизводительные суперкомпьютеры с низким энергопотреблением и центры обработки данных. А это неизбежно означает переход к системам на жидкостном охлаждении или тем, в которых используется иммерсионная жидкость. И полезному использованию выделяемого тепла, добавим мы.

Представители Aquasar сообщили, что их главной «фишкой» стало использование теплой воды для охлаждения, а не холодной. По расчётам специалистов IBM, вода примерно в 4 раза эффективнее в качестве хладагента, чем воздух. Она циркулирует в системе охлаждения с температурой 60 градусов Цельсия. Рабочая температура чипов находится в диапазоне 80-85ºC. В системе используется струйное охлаждение — вода вступает в контакт с задней поверхностью чипа через микроканалы в радиаторе. Фактически, жидкость снимает только тепло только с самых нагретых участков.

Трубопроводы отдельных блейд-серверов соединяются с водопроводом серверной стойки, которая подключается к трубопроводной магистрали. Система охлаждения выглядит как замкнутый контур. Вода (60 градусов Цельсия) забирает тепло у чипов и охлаждается до нужной температуры в пассивном теплообменнике. После этого она поступает в систему отопления здания. Высокая температура «на входе» способствует получению оптимальной температуры «на выходе». При подаче в систему отопления температура остаётся на уровне 65 градусов Цельсия.

Цикл охлаждения занимает около 20 секунд. В ходе тестов система расходовала всего 10 литров при скорости работы 30 литров/минуту.

Сравнение воздушного и водянного охлаждения для компьютера

Каждый компьютер, от самого маленького ноутбука, до навороченных игровых, генерируют тепло в процессе работы. Проблема температуры вообще очень актуальная в электронике. Потому что под действием температуры «плывут» параметры полупроводниковых элементов. А в частности у компьютера уменьшается производительность, а то и что-нибудь может выйти из строя.

В настоящее время существует два способа принудительного охлаждения с традиционный- воздухом и дорогой, но более эффективный жидкостный.

Воздушное охлаждение

Видеокарты и процессоры почти всегда поставляются с мощными вентиляторами. И в сочетании с корпусным вентилятором, составляют «Святую Троицу» воздушного охлаждения типичного настольного ПК.

Конечно вентиляторы для охлаждения, по сравнению с установками для жидкостного охлаждения, стоят намного дешевле. Даже если вы приобретете самые эффективные вентиляторы, то заплатите гораздо меньше денег для этой модернизации.

Простота установки. Намного проще использовать четыре винта, и прикрепить вентилятор к вашей системе, чем создать свою собственную установку водяного охлаждения.

Но существуют три основных недостатка традиционного воздушного охлаждения

• Во-первых, маленькая эффективность. Могут возникнуть проблемы с сильно разогнанными процессорами или мощными системами, где используются две видеокарты
• Во-вторых, большие габариты радиаторов
• В-третьих, высокий уровень шума

Плюсы водяного охлаждения

Начнем с приятных моментов при переходе на водяное охлаждение.

• Самый первый это эффективность охлаждения. Для среднего пользователя это не актуально, но для фанатов разгона и прочих «усовершенствований» лучшего способа охлаждения и не бывает.
• Водяное охлаждение значительно снижает уровень шума. Для офисов или компьютерных классов – это весьма актуально. После двух пар лабораторных, когда я учился университете, у меня быстро начинала болеть голова.
• Жидкостное охлаждение не использует больших радиаторов
• Не можем сбрасывать тот фактор эстетичности. Наполненные жидкостью трубки выглядят красиво и необычно.

Недостатки водяного охлаждения

• Недостатком водяного охлаждения является его сравнительно высокая стоимость.
• Если вы купите некачественный вентилятор, то никаких последствий для компьютера. Но если лопнет, например трубка, то весь ваш комп зальется водой, и наверняка сгорит.
• Тщательное планирование и покупка большого количества комплектующих. Планирование займет много времени. Вам придется подобрать водоблок для процессора, который соответствует его гнезду, фитинги, которые соответствуют вашим блоком и трубкой размера, трубки, насос, резервуар, радиатор, вентилятор (или вентиляторы) для радиаторов, и охлаждающую жидкость. И это только типичные установки для процессора. Если вы хотите, установить отдельными петли охлаждения для вашей видеокарты, материнской платы, оперативной памяти или жесткого диска, вам придется закупать еще больше.
• Трудность установки если вентилятор установит и ребенок на раз два, тут придется попотеть. А то и во все ничего не получится. Необходимо грамотно расположить компоненты, продумать расположение трубок и т.д. А если вы еще что сделаете не правильно, то может дать течь или охлаждение будет плохим.

Автономные жидкостные охладители

Если все эти разговоры о сложности водяного охлаждения вас утомили, то не беспокойтесь есть и другое решение.

Автономные жидкостные охладители, продаются полностью собранном виде и полностью герметичными. Позволяют воспользоваться преимуществами водяного охлаждения. Без необходимости иметь дело со сложностями установки. Вам просто нужно приложить водоблок к процессору и закрепить радиатор / вентилятор. И ни одной капли охлаждающей жидкости для беспокойства. Часто трубки сделаны из прочной резины, потому проблем с установкой не будет, можно будет проводить как угодно. Установка автономного жидкостного охлаждения находится примерно на одном уровне с трудностями установки кулера для CPU.

Преимущества воздушного охлаждения

Намного ниже стоимость. Целесообразней купить хорошее воздушное охлаждение, чем дешевое жидкостное.

Простота в установке и обслуживании. Достаточно прочистки от пыли раз в год.

Надёжность. Позволяет не беспокоиться о протечках, которые могут повредить комплектующие. Не ломаются помпы (так как их нет).

Доступность в магазинах. Вариантов выбора кулера и вентилятора от разных производителей на порядок больше.

Воздушное охлаждение: плюсы и минусы

К этой категории относятся всевозможные «ветродуйки». От обычных кулеров и вентиляторов до мощных радиаторов с теплоотводами, которые устанавливают возле процессора или видеокарт. Принцип их работы предельно простой – нагретые детали обдуваются холодным воздухом.

Такие системы легко монтируются, не тянут много электричества, а в холодную пору даже дают дополнительный обогрев (за счет потока горячего воздуха от майнинговой установки). К сожалению, на этом плюсы заканчиваются. Начинаются минусы:

• Низкая эффективность при сильном разгоне оборудования.
• Ощутимый шум (который нарастает вместе с производительностью майнинга).
• Загрязнение помещение (нагретый воздух не фильтруется, грязь из фермы или ПК выдувается прямо в комнату).

Частично исправить ситуацию способно усовершенствованное оборудование от топовых производителей: Cooler Master, Zalman, Skythe. Правда, стоит оно на порядок дороже стандартных кулеров, а для активного майнинга его функционала все равно не хватает.

Оверклокинг

Водяное охлаждение целесообразно устанавливать для мощных производительных систем, чтобы обеспечить более эффективный отвод тепла от внутренних компонентов ПК и одновременно снизить уровень шума. Кроме того, СВО просто необходима для разгона системы в том случае, если охлаждение стандартными средствами не дает необходимого результата. Недаром системы водяного охлаждения пользуются такой заслуженной популярностью у оверклокеров.

Проведено немало показательных тестов, в которых сравнивался разгон процессора с использованием, соответственно, воздушной и водяной систем охлаждения. Доказано, что стандартные кулеры не очень хорошо справляются со своей работой, ядро процессора достаточно быстро нагревается до таких температур, при которых дальнейший разгон системы становится опасным. В свою очередь, система жидкостного охлаждения успешно справляется с отводом тепла от процессора и даже при увеличении нагрузки на него рабочая температура ЦП остается на нормальном, приемлемом уровне.

Водяное охлаждение можно использовать не только для процессора, но и для других компонентов ПК. Например, нередко геймеры подключают к своему компьютеру параллельно несколько мощных видеокарт, работающих в режиме 3-Way SLI или CrossFire X. Графические карты устанавливаются вплотную одна к другой, что неизбежно приводит к их нагреву до температуры свыше 90 градусов. Из-за необходимости сильного охлаждения видеокарт вентиляторы в корпусе ПК начинают работать на полную мощность. Как следствие, создается очень высокий уровень шум. Прекрасной альтернативой воздушному охлаждению в такой ситуации выступают водяные системы охлаждения. В принципе, каждому компоненту компьютера можно организовать водяное охлаждение посредством установки собственного ватерблока. Таким способом можно охлаждать не только процессор и видеокарту, но и чипсет материнской платы или жесткий диск.

Установка СВО для компьютера потребует от Вас предварительного планирования. Во-первых, нужно определиться с тем, какие компоненты ПК Вы будете охлаждать посредством воды. Во-вторых, следует нарисовать схему расположения собственной системы водяного охлаждения для ее последующей сборки и установки. Тут нужно помнить о двух важных вещях. Во-первых, что течение воды в системе не должно быть ничем ограничено. А во-вторых, что при прохождении через каждый ватерблок вода нагревается. Это, в свою очередь, означает, что нежелательно пускать охлаждающую жидкость сразу через все нагревающиеся компоненты компьютера (процессор, чипсет, видеокарта), иначе в последний компонент на этом пути вода будет приходить уже теплой.

При наличии нескольких ватерблоков рекомендуется продумать, как пустить воду по отдельным, параллельным путям к каждому ватерблоку. Предварительно начертив план системы водяного охлаждения на бумаге, Вы сможете правильно подобрать все компоненты такой системы и облегчить ее дальнейшую установку.

Итак, как мы уже успели убедиться, водяное охлаждение намного эффективнее традиционного воздушного охлаждения. Не говоря уже о том, что такое охлаждение позволит Вашему мощному компьютеру работать гораздо тише. Мифы о том, что водяное охлаждение – это слишком дорого и сложно, постепенно уходят в прошлое. Сегодня разобраться в тонкостях сборки и установки СВО под силу даже не профессионалу. Можно с уверенностью утверждать, что в ближайшем будущем системы водяного охлаждения для компьютеров потеснят традиционное воздушное охлаждение, поскольку обладают рядом серьезных преимуществ.

Почему стоит выбирать СВО?

Значительный рост производительности ПК повлек за собой необходимость совершенствовать и системы охлаждения. Если раньше об охлаждении системного блока знали только как о наборе кулеров и радиаторов, то сегодня на рынке можно встретить фрионовые и комбинированные системы с элементами Пельтье. Правильное охлаждение — залог стабильной работы Вашего компьютера, особенно в жаркое время года, когда обычный набор кулеров давно не справляется.

Превосходство СВО над остальными системами заключается в высоком уровне теплопроводности рабочей жидкости в отличии от аэрогенных охладителей и гораздо более длительной эксплуатацией по сравнению с системами открытого испарения. Также существует множество видеоуроков и инструкций, как сконструировать надежную водяную систему своими руками. Зачастую СВО сделанные самостоятельно ничем не хуже готовых решений от производителей компьютерных комплектующих.

Работа жидкостного охлаждения процессора

Поскольку сейчас мы кратко рассмотрим большинство деталей, обычно встречающихся в жидкостном охлаждении ЦП, мы можем продолжить обсуждение того, как на самом деле работает жидкостное охлаждение ЦП.

Вы можете легко понять, как работает жидкостное охлаждение ЦП, если разбираетесь в системах охлаждения, установленных в автомобилях.

Установленный CPU в вашем компьютере работает как мозг, чтобы обработать всю информацию, брошенную на него, и в этом процессе, он использует электричество.

Этот процесс выделяет много тепла, которое обычно пропорционально сложности задач, выполняемых ЦП, и его общей мощности.

Тепло, выделяемое в процессе работы ЦП, необходимо отводить.

Это потому, что если вы в конечном итоге проигнорируете весь нагрев, это может привести к ухудшению внутренних компонентов вашего процессора.

Кроме того, процессоры спроектированы так, чтобы замедляться по мере того, как их температура продолжает расти, и могут перестать работать (ваш компьютер выключается), если они достигают определенной температуры, которая в большинстве случаев составляет около 100 градусов Цельсия.

Именно здесь охлаждение ЦП вступают в свою работу.

Оно очень важно по своей основной функции, которая, несомненно, отводит тепло от вашего процессора и вашего компьютера с помощью сложного механизма.

Жидкостное охлаждение ЦП — это один из множества различных типов охлаждений ЦП, доступных на рынке.

Давайте обсудим весь процесс охлаждения, через который проходит обычное жидкостное охлаждение для охлаждения вашего процессора.

Все начинается с радиатора

У жидкостного охлаждения ЦП, установленного на вашем компьютере, есть пластина, которая находится прямо на радиаторе вашего ЦП.

Это потому, что радиатор ЦП собирает все тепло, выделяемое при работе процессора.

Этот процесс жизненно важен для поддержания допустимого температурного режима ЦП.

Однако радиатор не является самодостаточным, чтобы отводить все или даже большую часть тепла, выделяемого вашим процессором при умеренной или высокой рабочей нагрузке.

Охлаждающая жидкость играет важную роль

Жидкостный кулер ЦП имеет пластину (раковину), которая находится сверху радиатора ЦП.

Раковина подсоединяется к насосу и резервуару через шланги.

Насос направляет охлаждающую жидкость в сторону раковины, и охлаждающая жидкость поглощает большую часть тепла, накопленного в раковине.

После поглощения тепла охлаждающая жидкость направляется к радиатору, от которого она теряет тепло, и цикл продолжается.

Вентиляторы радиатора обеспечивают поступление наружного воздуха

Радиаторы жидкостного охлаждения ЦП оснащены вентиляторами, которые помогают направлять окружающий воздух через радиатор.

Таким образом, нагретая охлаждающая жидкость, присутствующая в каналах радиатора, остывает и готовится к повторному прохождению через всю систему.

Теплообмен между стоком и охлаждающей жидкостью, а также между охлаждающей жидкостью и воздухом происходит практически сразу.

Системный вентилятор направляет горячий воздух наружу

После всего этого часть нагретого воздуха остается в системе, что увеличивает общую температуру системы.

Здесь на помощь приходит системный вентилятор(ы).

Этот вентилятор помогает отводить нагретый воздух из системы, обеспечивая охлаждение.

Цикл продолжается

Пройдя через радиатор, остывшая охлаждающая жидкость снова готовится уйти в раковину через шланг, соединяющий нижнюю часть радиатора с раковиной.

Когда дело доходит до выбора лучшей охлаждающей жидкости, обычно это зависит от производителя вашего жидкостного охлаждения процессора.

В то время как некоторые жидкостные охладители ЦП работают наилучшим образом за счет использования воды, другим для правильной работы требуются специальные жидкие охлаждающие жидкости.

Специальные жидкие охлаждающие жидкости состоят из воды, смешанной с другими специализированными материалами.

Его особенностью является то, что они имеют более высокую температуру кипения, чем вода, и поэтому могут поглощать больше тепла без кипения.

Более того, эти охлаждающие жидкости специально созданы для ускорения процесса поглощения тепла, что очень помогает поддерживать охлаждение вашего процессора даже при тяжелых рабочих нагрузках.

Высокая температура кипения гарантирует, что ни одна из охлаждающих жидкостей не испарится, поскольку испарение может привести к образованию минеральных отложений внутри жидкостного кулера ЦП.

Известно, что минеральные отложения в жидкостных охладителях ЦП снижают общую эффективность охлаждения жидкостного охладителя, а также могут ограничивать общий поток охлаждающей жидкости во всей системе.

Одним из огромных преимуществ жидкостных кулеров для ЦП является то, что их можно подключать к нескольким компонентам внутри вашего компьютера, например к процессору и графическому процессору, для их эффективного охлаждения.

К тому же эти кулеры тише своих аналогов.

Это основная причина, по которой многие энтузиасты ПК используют жидкостные кулеры ЦП в своих сборках.