Учёные из Переславля предлагают кипящее охлаждение для суперкомпьютеров

12 декабря 2016 года

1 декабря 2016 года на пятом Национальном Суперкомпьютерном Форуме профессор Анатолий Михайлович Цирлин рассказал о революции в компьютерном охлаждении. Новый подход к нему предлагает Институт программных систем РАН.

Охлаждение суперкомпьютеров сегодня

Охлаждение больших компьютеров связано с интересным противоречием. Процессоры внутри корпуса установлены очень плотно и места для системы охлаждения почти не остаётся. Однако снаружи, где тепло уходит в окружающую среду, места очень много. Поэтому возникает вопрос: как же отвести тепло от процессоров, собирая как можно больше джоулей и занимая как можно меньше площади?

Привычное нам воздушное охлаждение здесь не годится. Например, суперкомпьютер «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» в Южно-Уральском государственном университете потребляет 2,8 мегаватта. Такой суперкомпьютер отдаёт огромное количество тепла, и тратить ещё треть энергии на воздушное охлаждение — слишком дорого. Ведь при низкой теплопередаче воздуха пришлось бы очищать, охлаждать и прокачивать через машинный зал огромные потоки, бросая деньги на ветер!

Чем же заменить воздух? Сначала возникли водяные системы, похожие на охлаждение автомобильных двигателей. На каждую плату суперкомпьютера ставится металлическая накладка, внутри которой бежит вода. Этот приём и был использован для уральского суперкомпьютера. Следующим шагом стали погружные компьютеры, чья электроника плавает в охладителе. Такая погружная система «Иммерс» была показана на выставке НСКФ.

Однако жидкость придётся отводить и охлаждать во внешнем теплообменнике. На крупном и мощном суперкомпьютере получается внешний блок огромного размера. И это — настоящая проблема.

Решения завтрашнего дня

Учёные предполагают, что будущее принадлежит системе с фазовым переходом — из жидкости в газ. Особая жидкость станет кипеть прямо на микросхемах, охлаждая приборы. Эксперимент подтвердил, что отводимая мощность при кипении в 3 раза больше, чем при омывании, и в 90 раз больше, чем при обдуве.

Если тепло передаётся в воздух, нам нужны массивные радиаторы, которые увеличат площадь теплосъёма в сотни раз. А если тепло передаётся в кипящую жидкость, то радиаторы совсем не нужны. Это позволяет существенно уменьшить объём вычислительного комплекса. Температура кипящей жидкости безо всяких регуляторов останется постоянной — на уровне температуры кипения. Будет увеличиваться только число пузырьков пара.

Институт предлагает такую систему

Сотрудники ИПС РАН рассчитали проект герметично закрытого вычислительного блока. Внизу блока происходит кипение вокруг серверных плат, а вверху идёт конденсация паров. Сервер будет полностью замкнут, туда подводится только электрическое питание и сетевой сигнал.

Такая система позволит плотно размещать электронные устройства и полностью изолировать их от внешней среды. Вычислительный блок можно зарыть в снегу или утопить в пруду, и он будет работать. Охлаждением станет вся поверхность его корпуса. Внешние механизмы будут просто не нужны.

Совсем небольшой корпус компьютера — размером с бензиновую канистру — может отдавать 4 кВт тепла (при внешней температуре 27 градусов). Это втрое больше, чем очень мощный домашний компьютер. И для этого не нужны вентиляторы и насосы, нет никакой механики, нет шумов, увеличивается надёжность работы.

Конечно, у системы есть свои ограничения. Нельзя открывать корпус и ремонтировать его, придётся держать внутри резервные элементы. Вместо пузырькового может начаться плёночное кипение, при котором вокруг горячего элемента возникает паровая плёнка и теплоотдача уменьшается. Над этой проблемой продолжают работать сотрудники ИПС РАН.

Герметичные блоки можно объединить в кластерный суперкомпьютер. Тогда надёжность вычислений будет обеспечена не только резервной внутренней электроникой, но и запасными блоками. Вся энергия пойдёт на вычислительный процесс, не тратя ни ватта на организацию охлаждения.

Следствие из этого доклада — что самое лучшее было бы установить суперкомпьютер на Земле Франца-Иосифа или отхватить кусок Антарктиды!

профессор Н. Н. Непейвода

Справка об исследователях

Сергей Михайлович Абрамов (25.03.1957) — доктор физико-математических наук (1995), профессор (1996), член-корреспондент РАН (2006), директор Института программных систем РАН, специалист в области системного программирования и информационных технологий.
Сергей Анатольевич Амелькин (11.03.1968) — кандидат технических наук (1994), старший научный сотрудник (2000), директор Исследовательского центра системного анализа Института программных систем РАН, специалист в области оптимального управления и системного анализа.
Анатолий Михайлович Цирлин (13.07.1933) — доктор технических наук (1978), профессор (1985), главный научный сотрудник Института программных систем РАН, специалист в области оптимального управления и оптимизационной термодинамики.
Александр Александрович Чичковский (21.12.1970) — генеральный директор группы компаний «Сторус», специалист в области инфраструктуры для суперкомпьютеров и центров обработки данных.

Институт программных систем РАН создан в апреле 1984 года и работает в городе Переславле (Ярославская область). Институт состоит из пяти исследовательских центров, занимаясь разработкой и созданием суперкомпьютеров по всей России.

Источники

Национальный Суперкомпьютерный Форум.

Оригинальный репортаж Викиновостей

Эта статья опубликована в Викиновостях и содержит эксклюзивный репортаж и исследования, написанные одним из участников нашего проекта специально для Викиновостей.

Если автор репортажа не указал свои источники, источником информации является он сам. Вы можете узнать, кто создал эту статью, из истории статьи: тот, кто внёс первую правку, и является автором статьи. Если у вас есть замечания или предложения, первым делом напишите о них на странице обсуждения. Если у автора имелись в распоряжении не все факты, дополните статью известной вам информацией. Если с течением времени ситуация изменилась, напишите о новых фактах в новой статье. Если у вас есть вопросы к участникам русских Викиновостей, напишите на форум.