گسترش مراکز داده و افزایش چگالی تجهیزات در رکها باعث شده که بیش از هر زمان دیگری به راهکارهای کارآمدی برای کولینگ دیتاسنتر نیاز داشته باشیم. اگرچه تاکنون سیستمهای خنککننده با هوا عملکرد قابل قبولی داشتهاند؛ اما با رشد چشمگیر فناوریهایی مانند رایانش ابری، هوش مصنوعی و محاسبات با کارایی بالا(HPC)، بسیاری بر این باور هستند که تکنولوژی Liquid Cooling روش مناسبتری برای خنک کردن دیتاسنترها بهحساب میآید. تکنولوژی Liquid Cooling، توانایی زیادی در انتقال حرارت دارد و به همین دلیل برای رکهایی با توان مصرفی بیش از ۲۰ کیلووات، گزینه خوبی است؛ اما آیا این روش واقع بهتر از سیستمهای خنککننده با هوا است؟ برای پاسخ به این سؤال، در ادامه به مقایسه این دو فناوری میپردازیم و مزایا و معایب آنها را بررسی خواهیم کرد.
Air Cooling چیست و چگونه کار میکند؟
Air Cooling به فرایند یا روشی گفته میشود که برای خنک کردن تجهیزات (مانند سرورها در دیتاسنتر) از جریان هوا استفاده میکند. در دیتاسنترها، سیستمهای خنککننده معمولی (مثل تهویه مطبوع و فنها) هوا را از محیط دریافت و پس از خنکسازی، آن را به سمت تجهیزات هدایت میکنند تا گرمای تولیدشده توسط سرورها را از بین ببرند. بهعبارت دیگر، در Air Cooling انتقال حرارت از سختافزار به محیط، عمدتاً از طریق گردش و جریان هوا انجام میشود.
Air Cooling یا خنکسازی با هوا در دیتاسنترها عمدتاً بر پایهی گردش و تهویهی هوای خنک بنا شده است. این روش به کمک فنها و سیستم تهویه مطبوع (CRAC یا CRAH) هوای خنک را به رکهای سرور میرساند. جزئیات کار به شکل زیر است:
تأمین هوای خنک
دستگاههای تهویه یا خنککننده (مانند CRAC Units) هوای محیط را دریافت و دمای آن را کاهش میدهند.
جریان هوای خنک به سمت سرورها
هوای خنک به راهروی سرد (Cold Aisle) یا بخشی از دیتاسنتر هدایت میشود که جلوی رکها قرار دارد. فنهای داخلی سرورها هم این هوا را به داخل سرور میکشند تا قطعات داخلی، بهویژه CPU، RAM و … را خنک کنند.
خروج هوای گرم از پشت رک
سرورها گرمای تولیدشده را بهصورت هوای داغ از پشت رک (Hot Aisle) خارج میکنند. در بعضی طراحیها این هوای داغ مستقیماً به دستگاههای خنککننده برمیگردد یا در فضای دیتاسنتر به سمت سقف هدایت و از آنجا دوباره وارد چرخهی خنکسازی میشود.
بازگشت هوا به سیستم تهویه
هوای گرم برگشتی دوباره وارد دستگاههای خنککننده میشود تا حرارت آن گرفته شود و فرایند تکرار گردد.
به طور کلی، اصل کار این است که با گردش هوای سرد و گرفتن هوای گرم، دمای تجهیزات در محدودهی امن نگه داشته شود. به خاطر همین سیستم هوارسانی (Air Cooling)، طراحی سالن سرورها، نحوهی چینش رکها، محل قرارگیری فنها و مسیر هوای سرد و گرم اهمیت بالایی دارند.
انواع سیستمهای Air Cooling
سیستمهای خنککننده هوا (Air Cooling) در کامپیوترها به منظور دفع حرارت تولید شده توسط قطعات مختلف مانند پردازنده (CPU)، کارت گرافیک (GPU) و سایر اجزا استفاده میشوند. انواع مختلفی از این سیستمها وجود دارد که هر کدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند. در ادامه به معرفی مختصر این سیستمها میپردازیم:
-
خنککنندههای هوایی با هیتسینک و فن: این نوع خنککنندهها شامل یک هیتسینک فلزی هستند که مستقیماً روی قطعه مورد نظر نصب میشود و حرارت را از آن جذب میکند. سپس یک یا چند فن، هوا را از روی هیتسینک عبور داده و حرارت را به بیرون منتقل میکنند. این سیستمها به دلیل سادگی، هزینه مناسب و نصب آسان، بسیار محبوب هستند.
-
خنککنندههای هوایی با خنککننده تاور: این خنککنندهها دارای هیتسینکهای بزرگ و عمودی هستند که به شکل برج طراحی شدهاند. فنها به صورت عمودی یا افقی در کنار هیتسینک قرار میگیرند و جریان هوای بهتری را فراهم میکنند. این طراحی باعث افزایش سطح تماس با هوا و بهبود کارایی خنککنندگی میشود.
-
خنککنندههای پروفایل پایین: این نوع خنککنندهها برای سیستمهای کوچک و فشرده مانند Mini-ITX طراحی شدهاند. ارتفاع کم این خنککنندهها امکان نصب در کیسهای با فضای محدود را فراهم میکند. البته به دلیل اندازه کوچکتر، ممکن است کارایی خنککنندگی کمتری نسبت به مدلهای بزرگتر داشته باشند.
-
خنککنندههای پسیو: این سیستمها بدون استفاده از فن عمل میکنند و تنها با استفاده از هیتسینکهای بزرگ و طراحی مناسب، حرارت را دفع میکنند. این خنککنندهها بیصدا هستند و برای سیستمهای کممصرف و بیصدا مناسباند. با این حال، در سیستمهای با توان حرارتی بالا کارایی کمتری دارند.
-
خنککنندههای هیبریدی: این خنککنندهها ترکیبی از خنککنندههای هوایی و مایع هستند. در این سیستمها، یک مایع خنککننده حرارت را از قطعه جذب کرده و سپس از طریق رادیاتور و فنها، حرارت به هوا منتقل میشود. این ترکیب باعث افزایش کارایی خنککنندگی میشود.
هر یک از این سیستمهای خنککننده هوا دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و انتخاب مناسب بستگی به نیازها، بودجه و فضای موجود در کیس کامپیوتر دارد.
بسته به طراحی مرکز داده، ممکن است از این روش به یکی از سه شکل زیر استفاده شود:
- کولینگ کل دیتاسنتر: در این روش، کل فضای مرکز داده خنک میشود. واحدهای تهویه مطبوع، هوای سرد را در کل مرکز داده به گردش درمیآورند.
- کولینگ ردیفی: در این مدل، واحدهای خنککننده بین ردیفهای رکهای سرور قرار داده میشوند تا مناطق خاصی که نیاز به خنکسازی دارند، هدف قرار داده شوند. این روش کارایی بهتری نسبت به روش قبلی دارد.
- کولینگ اختصاصی در هر رک: در این روش، هر رک دارای یک واحد خنککننده اختصاصی است که مستقیماً هوای سرد را به سرورهای داخل رک میرساند. این روش اگرچه پیچیدهتر است اما دقت بهمراتب بهتری دارد.
مزایا و معایب سیستم Air Cooling در مراکز داده
هر سیستم کولینگ مزایا و معایب خاصی دارد و به همین دلیل انتخاب بهترین گزینه به عواملی مانند چگالی رکها، هزینههای عملیاتی، الزامات زیرساختی و بهرهوری انرژی بستگی دارد. Air Cooling سابقه طولانیای در دیتاسنترها دارد و همچنان از محبوبیت زیادی برخوردار است؛ اما با افزایش توان مصرفی سرورها و نیاز به بهرهوری بالاتر، محدودیتهای آن بیشازپیش نمایان شده است. در ادامه، به بررسی دقیقتر مزایا و معایب این سیستم میپردازیم.
مزایای Air Cooling
قابلاعتماد و پرکاربرد
سیستمهای Air Cooling سالهاست که اصلیترین روش کولینگ مراکز داده هستند. این روش توانسته طی سالها اثربخشی خود را اثبات کند و مهمتر از همه اینکه متخصصان و کارشناسان دیتاسنتر بهخوبی با این روش آشنا هستند و به همین دلیل استفاده و نگهداری از آن نسبتاً ساده است.
هزینههای اولیه کمتر
یکی از بزرگترین مزایای Air Cooling در مقایسه با سیستمهای خنکسازی مایع، هزینههای اولیه کمتر است. نصب این سیستمها به سرمایه کمتری نیاز دارد و بهعلاوه تجهیزات آن هم در دسترستر هستند.
نگهداری ساده
تعمیر و نگهداری این سیستمها سادهتر است، زیرا قطعات متحرک کمتری نسبت به سیستمهای مایع دارد.
معایب Air Cooling
مصرف انرژی بالا
برای اینکه این سیستمهای خنککننده عملکرد مطلوبی داشته باشند، باید از فنهای پرقدرت و واحدهای تهویه مطبوع خوبی استفاده شود که مصرف انرژی زیادی دارند. در برخی دیتاسنترها، هزینههای ناشی از مصرف انرژی در سیستم Air Cooling بیش از نیمی از کل هزینههای عملیاتی را شامل میشود.
عملکرد ضعیف در محیطهای با چگالی بالا
نقطهضعف سیستم Air Cooling وقتی مشخص میشود که تراکم رکها و توان مصرفی سرورها افزایش یابد. در محیطهای با تراکم بالا، هوای خنک ممکن است نتواند بهطور یکنواخت در اتاق سرورها به گردش درآید. در این شرایط پدیده Hot Spots یا نقاط داغ رخ میدهد که در بهترین حالت باعث کاهش عملکرد و در بدترین حالت باعث خرابی تجهیزات میشود.
نیاز به فضای بیشتر
زیرساختهای این سیستمها به فضای زیادی نیاز دارند. به عبارتی دیتاسنتر باید ظرفیت کافی برای سیستمهای تهویه مطبوع، مجاری هوا و فضاهای خالی برای کنترل جریان هوا را داشته باشد. هر چه نیاز به فضا بیشتر باشد، هزینههای نصب و راهاندازی و سپس هزینههای نگهداری افزایش مییابد.
Liquid Cooling چیست؟
خنککننده مایع (Liquid Cooling) یکی از روشهای پیشرفته برای کاهش دمای قطعات الکترونیکی، بهویژه در کامپیوترها و مراکز داده، است. در این سیستم، بهجای استفاده از هوا برای انتقال حرارت، از مایعاتی مانند آب یا مایعات دیالکتریک استفاده میشود که توانایی بالاتری در جذب و انتقال گرما دارند. برخی از اجزای اصلی سیستم liquid cooling عبارتند از:
-
بلوک خنککننده (Water Block): این قطعه مستقیماً روی قطعهای که نیاز به خنکسازی دارد (مانند CPU یا GPU) نصب میشود و حرارت را از آن جذب میکند.
-
پمپ: مایع خنککننده را در سیستم به گردش درمیآورد تا حرارت جذبشده را به رادیاتور منتقل کند.
-
رادیاتور: حرارت را از مایع خنککننده به محیط اطراف منتقل میکند. معمولاً رادیاتور با استفاده از فنها، حرارت را به هوا منتقل میکند.
-
مخزن (Reservoir): محل نگهداری مایع خنککننده اضافی و کمک به حذف حبابهای هوا از سیستم است.
تکنولوژی Liquid Cooling نسبت به روش قبلی، فناوری جدیدتری بهحساب میآید. بااینحال،استفاده از این سیستمها در مراکز داده با عملکرد بالا خیلی زود به محبوبیت رسید. در این روش بهجای استفاده از هوا، از مایعات برای حذف گرما استفاده میشود. تکنولوژی Liquid Cooling بهمراتب کارآمدتر از Air Cooling است.
نحوه کار این نوع سیستم کولینگ دیتاسنتر به این صورت است که مایع خنککننده توسط پمپ به بلوک خنککننده منتقل میشود، جایی که حرارت از قطعه الکترونیکی به مایع منتقل میگردد. سپس مایع گرمشده به رادیاتور هدایت میشود، جایی که حرارت به محیط اطراف منتقل میشود و مایع خنک میشود. مایع خنکشده دوباره به بلوک خنککننده بازمیگردد و این چرخه تکرار میشود تا دمای قطعات در محدوده مطلوب باقی بماند.
این سیستمها بهویژه برای کاربران و مراکز دادهای که به دنبال بهبود کارایی سیستم خود هستند، مناسباند.
انواع سیستم Liquid cooling
سیستمهای خنککننده مایع (Liquid Cooling) برای کاهش دمای قطعات الکترونیکی، بهویژه پردازندهها و کارتهای گرافیک، استفاده میشوند. این سیستمها به دو دستهی اصلی تقسیم میشوند:
خنککنندههای مدار بسته (Closed Loop) یا AIO (All-In-One)
این سیستمها بهصورت یکپارچه طراحی شدهاند و شامل اجزایی مانند پمپ، رادیاتور، لولهها و مایع خنککننده هستند که از پیش مونتاژ شدهاند. نصب و نگهداری آنها ساده است و برای کاربرانی که تجربهی کمی در زمینهی خنککنندههای مایع دارند، مناسب هستند. بهعنوان مثال، خنککنندههای سری Kraken شرکت NZXT از این نوع هستند.
خنککنندههای مدار باز (Open Loop) یا کاستوم لوپ (Custom Loop)
این سیستمها به کاربر اجازه میدهند تا اجزای مختلف خنککننده را بهصورت جداگانه انتخاب و مونتاژ کنند. این اجزا شامل پمپ، رادیاتور، مخزن مایع، لولهها و بلوکهای خنککننده میشوند. این سیستمها انعطافپذیری بالایی دارند و امکان شخصیسازی بیشتری را فراهم میکنند، اما نیاز به دانش فنی و دقت بیشتری در نصب و نگهداری دارند.
انتخاب بین این دو نوع سیستم به نیازها، بودجه و سطح تجربهی کاربر بستگی دارد. برای کاربرانی که به دنبال یک راهحل ساده و کارآمد هستند، خنککنندههای AIO گزینهی مناسبی هستند. اما کاربرانی که به دنبال سفارشیسازی و کارایی بالاتر هستند، میتوانند از سیستمهای کاستوم لوپ استفاده کنند.
پیاده سازی سیستمهای Liquid Cooling
چند روش مختلف برای پیادهسازی سیستمهای مبتنی بر تکنولوژی Liquid Cooling وجود دارد که هرکدام مزایای خاص خود را دارند. اینکه از کدام روش استفاده شود، بستگی به نیاز دیتاسنتر دارد. در ادامه انواع سیستمهای خنککننده مایع را بررسی خواهیم کرد:
خنکسازی مستقیم تراشه
در این روش، مایع خنککننده مستقیماً به تراشههای داخلی سرورها انتقال داده میشود. این روش به دلیل اینکه قسمتهای داغ سرور را هدف قرار میدهد، عملکرد بسیار بالایی دارد. این روش دقت زیادی دارد و به همین دلیل معمولاً در مراکز داده با چگالی بالا از آن استفاده میشود.
نصب مبدلهای حرارتی پشت سرور
در این سیستم از مبدلهای حرارتی در پشت رکهای سرور استفاده میشود. هنگامی که هوای گرم از سرورها خارج شود، مبدل حرارتیِ حاویِ مایع خنککننده گرما را جذب و سپس دفع میکند. این روش در مقایسه با سیستمهای خنککننده با هوا، عملکرد بسیار بهتری در کاهش دمای دیتاسنتر دارد.
خنککنندگی بهوسیله غوطهوری
این روش پیشرفتهترین شکل از تکنولوژی Liquid Cooling است که در آن، تمام سرورها در یک مایع غیر رسانا غوطهور میشوند. مایع گرما را جذب و بهطور کامل محیط داخلی سرورها را خنک میکند. این سیستم برای محیطهای با چگالی بالا بسیار مناسب است؛ اما به تجهیزات خاصی نیاز دارد که ممکن است هزینههای اولیه بیشتری داشته باشد.
مزایا و معایب تکنولوژی Liquid Cooling در مراکز داده
تکنولوژی Liquid Cooling، مانند هر فناوری دیگری باوجود مزایای زیاد، با چالشهایی نیز همراه است که ممکن است استفاده از آن را غیرممکن کند. این سیستم به دلیل عملکرد فوقالعاده در انتقال گرما و مصرف انرژی کم، بهویژه در مراکز داده با چگالی بالا، گزینه محبوبی محسوب میشود؛ اما همچنان نیاز به سرمایه اولیه زیاد و مدیریت دقیق دارد. در ادامه، به بررسی مزایا و معایب سیستمهای خنککننده آبی خواهیم پرداخت.
مزایای Liquid Cooling
عملکرد بهتر
مایعات قابلیت بهتری در جذب گرما نسبت به هوا دارند. بهطور دقیقتر آب میتواند گرما را ۱۰۰۰ برابر بهتر از هوا جذب کند. این ویژگی باعث میشود که تکنولوژی Liquid Cooling برای مراکز داده با چگالی بالا بسیار مناسب باشد، چون میتواند گرمای تولید شده توسط سرورهای قدرتمند را بهخوبی کنترل کند.
کاهش مصرف انرژی
سیستمهای Liquid Cooling به دلیل کاهش وابستگی به سیستمهای تهویه مطبوع، بهطور قابلتوجهی مصرف انرژی کمتری دارند. استفاده کمتر از سیستمهای تهویه مطبوع، هزینههای عملیاتی را کاهش میدهد و باعث صرفهجویی در مصرف انرژی میشود. بهعنوان مثال، استراتژیهای خنکسازی غوطهوری میتوانند مصرف انرژی را تا ۲۰٪ یا بیشتر کاهش دهند.
کاهش فضای مورد نیاز
این سیستمها به دلیل نیاز نداشتن به واحدهای خنککننده و فنهای بزرگ، فضای کمتری در مرکز داده اشغال میکنند.
عملکرد بهتر برای پردازشگرهای پرقدرت
تکنولوژیLiquid Cooling برای سرورهایی که بار کاری زیادی دارند مانند AI، پردازشگرهای با عملکرد بالا (HPC) و مراکز داده بزرگ مقیاس (Hyperscale) بسیار مناسب است. این فناوری به دلیل عملکرد خوبی که در جذب و دفع گرما دارد، موجب حفظ عملکرد بهینه سرورها میشود.
نکته: سرورهای اختصاصی معمولاً سختافزارهای قدرتمندتری دارند، مصرف برق در آنها زیاد است و در نتیجه گرمای بیشتری تولید میکنند. بهعنوان مثال، در مراکزی که میزبان تعداد زیادی سرور اختصاصی مانند سرور اختصاصی ایران هستند و با پردازشهای سنگین و مصرف انرژی بالا مواجهاند، استفاده از فناوری Liquid Cooling میتواند به کاهش هزینههای انرژی و بهبود پایداری سیستم کمک کند
همچنین، اگر قصد خرید یک سرور مجازی مانند سرور مجازی ایران را دارید، توجه به نوع سیستم خنککننده دیتاسنتر میزبان اهمیت دارد؛ چرا که سیستمهای کولینگ پیشرفته میتوانند در تضمین پایداری و طول عمر سختافزار تأثیر بسزایی داشته باشند.
معایب Liquid Cooling
هزینه اولیه بالا
کنولوژی Liquid Cooling معمولا نیاز به سرمایه اولیه زیادی دارد. نصب زیرساختهای لازم برای این سیستمها، ازجمله لولهکشی ممکن است هزینههای بالایی داشته باشد. علاوه بر این، برای پیادهسازی این سیستمها باید به پرسنل مراکز داده در خصوص نگهداری و تعمیرات آموزشهای لازم داده شود.
احتمال نشت
یکی از نگرانیهای اصلی در مورد سیستمهای خنککننده مایع، احتمال نشت مایع است که موجب آسیب دیدن تجهیزات IT و ایجاد وقفه در کار سرورها میشود. اگرچه برای کاهش این ریسک، از سیالات غیر رسانا (Dielectric Fluids) استفاده میشود، اما همچنان احتمال بروز آن وجود دارد.
نگهداری پیچیدهتر
نگهداری سیستمهای Liquid Cooling پیچیدهتر از سیستمهای Air Cooling است. نگهداری از این سیستمها نیاز به دانش تخصصی دارد.
معیارهای انتخاب سیستم کولینگ مناسب
هنگام انتخاب سیستم خنکسازی مناسب برای مراکز داده، باید چند عامل مهم را در نظر بگیرید.
- هزینهها: سیستم خنکسازی مایع معمولاً نیاز به سرمایه اولیه بیشتری دارد. بااینحال چون بهرهوری انرژی بالاتری دارند، ممکن است در طولانیمدت مقرونبهصرفه تر سیستمهای خنککننده با هوا باشند.
- نگهداری: سیستمهای Air Cooling نسبت به روش خنکسازی مایع، نگهداری سادهتری دارند و بهعلاوه احتمال نشت هم وجود ندارد.
- موقعیت جغرافیایی: سیستمهای خنکسازی مایع برای مناطق گرمتر و سیستمهای خنککننده با هوا برای مناطق سردتر مناسب هستند.
- استراتژی و نقشه راه: اگر قرار باشد دیتاسنتر به سمت پردازشهای پیشرفته مانند هوش مصنوعی (AI) یا پردازندههای پیشرفته حرکت کند، احتمالاً استفاده از سیستمهای خنکسازی مایع، ایده بهتری برای کنترل دمای آن خواهد بود.
- پایداری: با توجه به اهمیت کاهش مصرف منابع طبیعی، بهتر است از سیستمهایی استفاده شود که مصرف انرژی و آب کمتری داشته باشند. سیستمهای خنکسازی مایع در این زمینه عملکرد بهتری دارند.
توصیه میکنیم قبل از خرید vps حتماً به نکات بالا توجه کنید.
تکنولوژی Liquid Cooling بهتر است یا Air Cooling؟
انتخاب سیستم خنکسازی مناسب برای مراکز داده بستگی به نیازهای خاص آن مرکز دارد. سیستمهای خنکسازی با هوا برای محیطهایی با چگالی کم مناسب هستند؛ اما این سیستمها در برابر چالشهای ناشی از افزایش قدرت سرورها و چگالی بالای آنها با مشکل مواجه میشوند. از سوی دیگر، سیستمهای خنکسازی مایع بهویژه در محیطهای با چگالی بالا و برای سرورهای که پردازشهای سنگین (مانند هوش مصنوعی و محاسبات با عملکرد بالا) انجام میدهند، عملکرد بهتری دارند. این سیستمها گرما را بهخوبی کنترل میکنند، انرژی کمتری مصرف میکنند و مهمتر از همه اینکه میتوان از حرارت جذبشده در این سیستم در بخشهای دیگر استفاده کرد. درنهایت اینکه باوجود هزینههای اولیه بالاتر به نظر میرسد تکنولوژی Liquid Cooling به دلیل صرفهجویی در انرژی و کاهش هزینههای نگهداری در بلندمدت، گزینه جذابتری خواهند بود.
سؤالات متداول
آیا میتوان از هر دو روش Air Cooling و Liquid Cooling در یک دیتاسنتر استفاده کرد؟
بله، بسیاری از مراکز داده جدید از یک مدل هیبریدی استفاده میکنند. در بخشهایی با چگالی پایین از Air Cooling و در بخشهای با چگالی بالا از Liquid Cooling استفاده میشود.
آیا Liquid Cooling میتواند بهطور کامل جایگزین Air Cooling شود؟
در حال حاضر، به دلیل هزینههای بالا و پیادهسازی دشوار از Liquid Cooling بیشتر در مراکز داده با عملکرد بالا استفاده میشود؛ اما با پیشرفت فناوری، احتمال دارد در آینده جایگزین Air Cooling در بسیاری از دیتاسنترها شود.
چه نوع مایعاتی در سیستمهای Liquid Cooling استفاده میشود؟
معمولاً از آب، روغنهای مخصوص و سیالات دیالکتریک (غیر رسانا) برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات الکترونیکی استفاده میشود.