O que é um interruptor refrigerado a líquido?

A FiberMall analisará a necessidade de introduzir a tecnologia de resfriamento líquido em switches de data center do ponto de vista da política e do chip e discutirá a diferenciação de diferentes soluções de tecnologia de resfriamento líquido, bem como a experiência em pesquisa e desenvolvimento e as conquistas de Ruijie em resfriamento líquido de placas frias interruptor e interruptor de resfriamento líquido de imersão.

Com o aumento da Internet, computação em nuvem e serviços de big data, o consumo total de energia dos data centers está aumentando e sua eficiência energética está recebendo cada vez mais atenção. De acordo com as estatísticas, a eficiência média de uso de energia (PUE) de um data center é de 1.49, muito maior do que o requisito de que o PUE seja inferior a 1.25 para um novo data center grande.

A redução da PUE é iminente. Como os fabricantes de equipamentos de rede podem reduzir significativamente o consumo de energia e, ao mesmo tempo, garantir alto desempenho? Como um fator chave que afeta o desempenho e o consumo de energia, o sistema de resfriamento tornou-se o foco da reforma do data center, e a tecnologia de resfriamento líquido está gradualmente substituindo o resfriamento a ar tradicional como a solução de resfriamento principal devido às suas vantagens exclusivas.

Compreendendo interruptores refrigerados a líquido: uma definição básica

A interruptor refrigerado a líquido é um dispositivo de rede avançado projetado para data centers, utilizando sistemas de resfriamento à base de líquido para dissipar o calor de forma mais eficiente do que as alternativas tradicionais de resfriamento a ar. Em essência, refrigerado a líquido a tecnologia circula refrigerantes — como água ou fluidos especializados — direta ou indiretamente sobre componentes de alto calor, como chips e processadores, garantindo desempenho ideal sob cargas pesadas.

Esta inovação atende às crescentes demandas dos data centers modernos, onde o crescente consumo de energia proveniente de IA, computação em nuvem e big data exige um gerenciamento térmico superior. Ao integrar refrigerado a líquido Com mecanismos de segurança, os switches podem lidar com larguras de banda maiores, como 51.2 Tbps, sem comprometer a confiabilidade. A expertise da FiberMall em soluções de comunicação óptica nos torna uma fonte confiável para implementação interruptores refrigerados a líquido que estejam alinhados com políticas de eficiência energética e designs de chips de ponta.

Consumo de energia e perspectiva política

O valor de PUE é a razão entre o consumo total de energia de um data center e o consumo de energia do equipamento de TI. Quanto mais próximo o valor de PUE estiver de 1, menor será o consumo de energia de equipamentos não relacionados a TI, melhor será o nível de eficiência energética e mais ecológico será o data center.

Figura 1. A métrica PUE

A FiberMall descobriu que o consumo médio de energia do sistema de resfriamento chega a 33% do consumo de energia do data center, o que representa quase um terço do consumo total. Isso ocorre porque o sistema de resfriamento de ar usado no data center tradicional usa ar com capacidade de calor específico deficiente como meio de resfriamento. Acionado pelo ventilador do equipamento, o calor transferido pela CPU e outras fontes de calor para o radiador é retirado do equipamento de TI, e o ar é resfriado pela circulação do trocador de calor fan coil ou refrigeração do ar condicionado, que também é o limitação do resfriamento do ar. Portanto, resolver a eficiência do uso de energia do sistema de resfriamento tornou-se um desafio de iteração de tecnologia enfrentado pelos fabricantes de equipamentos sob o novo ambiente de política.

Figura 2. Painel do Composição do Consumo de Energia do Data Center

Perspectiva de Demanda de Resfriamento de Chip

Com o desenvolvimento de chips de comutação, processos de chip de alto desempenho (como 5nm) podem efetivamente reduzir o consumo de energia por unidade de poder de computação. No entanto, à medida que a largura de banda do chip de comutação aumenta para 51.2 Tbps, o consumo total de energia de um único chip aumenta para cerca de 900 W. Portanto, como resolver o problema de dissipação de calor do chip do dispositivo tornou-se uma dificuldade no projeto de hardware de todo o dispositivo.

Embora o atual sistema de refrigeração refrigerado a ar ainda possa suportar a operação, quando o fluxo de calor do chip (um fluxo de energia por unidade de área por unidade de tempo) for maior que 100W/cm², o problema ocorrerá um após o outro:

Primeiro nome, a redução adicional da resistência térmica do dissipador de calor encontra um gargalo. Para ser capaz de resolver o pequeno chip quase quilowatts de potência de calor, o dissipador de calor precisa usar uma resistência térmica total mais baixa da abordagem arquitetônica. Isso também significa que uma melhor condutividade térmica e um design de dissipador de calor são necessários se o aumento da capacidade do dissipador de calor for equilibrar o aumento do consumo de energia do chip. Mas, atualmente, o projeto e o processamento de dissipadores de calor refrigerados a ar de alto desempenho obtiveram principalmente tubo de calor, câmara de vapor e suporte 3D VC, que já estão perto do limite da otimização de desempenho.

Segundo, limitado pelos requisitos de altura dos produtos de switch, é difícil resolver o problema de dissipação de calor expandindo o volume do dissipador de calor. Como o calor que começa no chip rompe o invólucro do chip, materiais de interface térmica, câmara de vapor, solda, tubo de calor, etc., mas finalmente fica preso nas aletas de interface de ar sólido. E devido ao baixo coeficiente de transferência de calor convectivo entre as aletas e o ar, para chegar à área de dissipação de calor necessária para o resfriamento de chip de alta potência, os engenheiros de projeto térmico precisam expandir o tamanho do dissipador de calor repetidamente, quase preenchendo o espaço disponível dentro dos servidores e switches. Pode-se dizer que o gargalo final da dissipação de calor do resfriamento a ar é sua estrutura com aletas para a demanda inelástica por espaço. Além disso, para aumentar o volume de ar, a velocidade do ventilador atingiu 30,000 RPM, e o ruído semelhante à decolagem da aeronave é um desenvolvimento profundamente preocupante e equipe de operações.

Finalmente, com o consumo de energia do chip ainda aumentando, a capacidade de resfriamento do sistema de refrigeração a ar está prestes a atingir seu limite. Mesmo que os dissipadores de calor refrigerados a ar possam resolver o atual problema de resfriamento do switch, no futuro, quando 102.4/204.8 Tbps se tornar o mainstream e o consumo de energia do chip for maior, os dissipadores de calor refrigerados a ar serão incapazes de lidar. Portanto, a tecnologia de refrigeração líquida de alto desempenho surge para a próxima geração de equipamentos de TI. Nos próximos 5 a 10 anos, tornou-se um consenso na indústria que o resfriamento a ar será gradualmente substituído pelo resfriamento líquido em data centers.

Principais benefícios dos interruptores refrigerados a líquido

Adotando interruptores refrigerados a líquido oferece vantagens transformadoras para operadores de data centers que buscam reduzir o PUE e aumentar a sustentabilidade. Aqui estão os principais benefícios:

• Dissipação de calor superior: Refrigerado a líquido os sistemas podem gerenciar fluxos de calor superiores a 100 W/cm², superando em muito o resfriamento a ar ao usar fluidos com maior capacidade de calor específico, resultando em uma operação mais fria e maior vida útil do hardware.
• Ganhos de eficiência energética: Ao reduzir o consumo geral de energia — reduzindo potencialmente o consumo de energia de resfriamento em até 40% —interruptores refrigerados a líquido ajudar a atingir valores de PUE mais próximos de 1, alinhando-se com os mandatos globais de data centers verdes.
• Redução de ruído e economia de espaço:Ao contrário de ventiladores barulhentos em configurações refrigeradas a ar, refrigerado a líquido os projetos operam silenciosamente e exigem menos espaço físico, ideais para redes corporativas densas e ambientes de nuvem.
• Escalabilidade para IA e computação de alto desempenho:Em redes habilitadas por IA, interruptores refrigerados a líquido suporta cargas de trabalho intensivas sem limitação térmica, garantindo fluxo de dados contínuo em sistemas sem fio e redes de acesso.
• Custo-benefício ao longo do tempo: Investimentos iniciais em refrigerado a líquido a tecnologia gera economia a longo prazo por meio da redução de contas de manutenção e energia, o que a torna uma escolha com foco em valor.

Classificação, vantagens e desvantagens da tecnologia de refrigeração líquida

A atual tecnologia de refrigeração líquida é dividida principalmente em refrigeração líquida monofásica e refrigeração líquida bifásica. No white paper da COBO “Considerações de projeto de conectividade óptica em um comutador ótico integrado ou integrado”, Ruijie separou e classificou de forma abrangente as formas de sistemas de resfriamento para equipamentos de TI em data centers (Figura 3).

Resfriamento líquido monofásico significa que o refrigerante sempre mantém o líquido no processo de ciclo de dissipação de calor e remove facilmente o calor por meio de alta capacidade específica de calor.

Resfriamento líquido bifásico significa que o refrigerante sofre uma mudança de fase durante o processo de dissipação de calor, e o refrigerante remove o calor do equipamento através do alto calor latente de vaporização.

Por outro lado, o resfriamento líquido monofásico tem menor complexidade e é mais fácil de alcançar, e sua capacidade de dissipação de calor é suficiente para suportar dispositivos de TI no data center. Portanto, é a melhor escolha na fase atual.

Figura 3. Principais modos de dissipação de calor dos dispositivos de TI no data center

O resfriamento líquido monofásico é dividido em resfriamento líquido de placa fria e resfriamento líquido de imersão. O resfriamento líquido da placa fria fixa a placa fria do líquido no dispositivo de aquecimento principal do equipamento e depende do líquido que flui através da placa fria para retirar o calor para atingir o objetivo de dissipação de calor. Já existem diversas aplicações para datacenter de supercomputadores, e o Comitê OCP tem promovido a implantação do padrão de arquitetura Manifold por meio do Open Rack V3.0.

O resfriamento líquido por imersão consiste em mergulhar toda a máquina diretamente no refrigerante, contando com o fluxo de circulação natural ou forçada do líquido para retirar o calor gerado pela operação do servidor e outros equipamentos. Tem sido amplamente utilizado na mineração de moeda digital e supercomputação e também tem sido um tema discutido pela OCP, ODCC e outras organizações nos últimos anos. O data center de uma grande empresa de computação em nuvem realizou uma implantação em larga escala.

As vantagens do resfriamento por líquido de imersão incluem:

• porque o refrigerante entra em contato direto com o equipamento, a capacidade de dissipação de calor é mais forte e o risco de superaquecimento do dispositivo é menor;
• O equipamento de resfriamento líquido de imersão não requer ventiladores, resultando em menos vibração do equipamento e vida útil mais longa dos dispositivos de hardware.
• A temperatura de abastecimento de água gelada do lado da sala de resfriamento líquido de imersão é alta, o lado externo é mais fácil de aquecer. Assim, a escolha do local da sala não é mais como era de resfriamento de ar, tão restrita pela região e temperatura.

Obviamente, o resfriamento por líquido de imersão também tem desvantagens, incluindo alto custo, altos requisitos de segurança e altos requisitos de suporte de carga.

As vantagens do resfriamento líquido de placa fria são as seguintes:

Há poucas mudanças na sala de equipamentos. Somente os racks, as Unidades de Distribuição de Refrigerante (CDU) e os sistemas de abastecimento de água precisam ser trocados. Além disso, o resfriamento líquido de placa fria pode usar mais tipos de refrigerante e a quantidade é muito menor do que o tipo de imersão, portanto, o custo inicial do investimento é menor. Além disso, a cadeia da indústria de refrigeração líquida de placa fria é mais madura, o mercado é mais aceitável. No entanto, a placa fria também apresenta algumas limitações. Primeiro, as linhas de líquido e conectores podem vazar, causando danos ao equipamento e interrupção do serviço.

Interruptores refrigerados a líquido vs. interruptores refrigerados a ar: uma comparação detalhada

Ao avaliar opções de resfriamento para switches de data center, é importante entender as diferenças entre refrigerado a líquido e sistemas refrigerados a ar são cruciais. Aqui está uma comparação lado a lado:

Aspecto	Interruptores refrigerados a líquido	Interruptores refrigerados a ar
Gerenciamento De Calor	Excelente; lida eficientemente com alto fluxo de calor com refrigerantes.	Limitado; tem dificuldades acima de 100 W/cm², depende de ventoinhas.
Eficiência energética	Alto; reduz o PUE minimizando o uso de energia não relacionada à TI.	Moderado; o resfriamento é responsável por ~33% do consumo total.
Níveis de ruído	Baixo; uso mínimo do ventilador.	Alto; operação constante do ventilador.
Global	Ideal para aplicações de IA, nuvem e big data.	Adequado para configurações de baixa largura de banda, mas limita o crescimento.
Custo inicial	Maior devido aos componentes avançados.	Custos operacionais de longo prazo mais baixos, mas mais altos.
Manutenção	Requer monitoramento de fluidos, mas com menos frequência.	Substituições de ventiladores são comuns; problemas de acúmulo de poeira.

Para organizações em transição para interruptores refrigerados a líquido, A FiberMall oferece orientação especializada e produtos que preenchem a lacuna entre o resfriamento de ar tradicional e o inovador refrigerado a líquido soluções, garantindo uma atualização tranquila.

Experiência de pesquisa e desenvolvimento de interruptor refrigerado a líquido de imersão

Nos últimos anos, grandes empresas exploraram a solução de centros de dados refrigerados a líquido por imersão, e a Ruijie Network acumulou mais experiência na pesquisa e desenvolvimento de switches refrigerados a líquido por imersão, o que se reflete principalmente na aparência estrutural, recorte do ventilador, compatibilidade de material , características SI (integridade do sinal) quatro aspectos:

1. Aparência estrutural

Primeiro, a maior mudança é que a fonte de alimentação foi movida do painel traseiro do switch para o painel frontal. A interface do painel também aumenta a largura do switch de 19 polegadas para 21-23 polegadas para acomodar duas fontes de alimentação. O design geral do alinhamento da fonte de alimentação da placa de circuito impresso (PCB) também mudará.

Figura 4. Mudanças na aparência do switch

Devido ao alto custo do refrigerante, a fim de economizar o máximo possível o uso total de refrigerante, o espaço extra é preenchido com enchimento para atingir o objetivo de ocupar mais espaço de refrigerante no tanque de imersão personalizado baseado em servidor. Conforme mostrado na Figura 5, o bloco amarelo é o enchimento, que é usado para ocupar o líquido.

Figura 5. Painel do Mude a evolução da estrutura

2. recorte do ventilador

Alterações estruturais também levam ao corte geral do ventilador. Os designers não apenas não precisam mais projetar ventiladores de dispositivo para o switch, como também podem simplesmente escolher um design sem ventilador para a fonte de alimentação. Essa alteração não apenas reduz o valor PUE, mas também reduz significativamente o ruído na sala do servidor.

3. Compatibilidade de material

Uma vez que o líquido de arrefecimento do líquido de imersão é dividido principalmente em fluorocarbonetos e uma variedade de óleos, o interruptor deve prestar atenção aos dois pontos a seguir:

• Se os materiais dos dispositivos ópticos utilizados são selados. Se eles não estiverem selados e ocorrer vazamento, a poluição do caminho óptico pode levar à atenuação do sinal e falha do switch;
• Se todos os dispositivos reagirão física ou quimicamente com o refrigerante. Caso ocorra uma reação, a proporção de material de alguns componentes da chave original será alterada, o que trará riscos como a alteração da isolação. Portanto, peças estruturais não metálicas, várias peças elétricas, materiais TIM, blocos de enchimento, alças de plástico, conjuntos de terminais suspensos, etiquetas, colas, conectores, cabos e placas de circuito impresso (PCB) devem ser compatíveis com o refrigerante.

4. Características SI (Integridade do Sinal)

Como a chave de imersão refrigerada a líquido estará em contato direto com o líquido, o SI (Integridade do Sinal) será afetado pelo líquido. Portanto, existem requisitos especiais para placas PCB como segue.

(1) Tente evitar a montagem em superfície dos principais modelos.

(2) O sinal interno não é afetado e o sinal de baixa velocidade é montado em superfície sem muita atenção.

(3) O sinal de alta velocidade deve ser montado na superfície, para melhorar o projeto de impedância;

(4) Fan out de BGA e conectores para minimizar o comprimento da linha de superfície;

(5) O projeto de perda e projeto de impedância de 25G e 50G SerDes são diferentes dos tradicionais.

Experiência em pesquisa e desenvolvimento de interruptor resfriado a líquido de placa fria

Com base nas características especiais da tecnologia fotônica de silício, a Ruijie Network desenvolveu switches resfriados a líquido de placa fria. Entre elas, a tecnologia OBO e a tecnologia NPO são para empacotar o módulo óptico na placa-mãe, o mais próximo possível do chip MAC. No entanto, isso tornará a fonte de calor muito concentrada e a altura do equipamento será limitada pelos requisitos de projeto da forma esperada de alta densidade de 1RU, por isso é difícil resolver o problema com o dissipador de calor refrigerado a ar tradicional. Se o resfriamento por líquido de imersão for usado, a vedação do link óptico é severamente desafiada.

Figura 6. Mude a evolução da estrutura

Nesse sentido, a Ruijie adota um dissipador de calor de placa fria com resfriamento líquido para cobrir o chip MAC e o módulo óptico circundante de forma integrada, dissipando o calor através do fluxo do líquido de resfriamento no canal de fluxo da placa. Além disso, para minimizar a complexidade e o risco de vazamento das tubulações de líquido, outros componentes de aquecimento do dispositivo são resfriados por ventiladores. A solução de resfriamento de placa fria pode matar dois coelhos com uma cajadada só. Ela não só atende aos requisitos de dissipação de calor de fontes de calor de alta potência e alta densidade de NPO/CPO, como também reduz a altura do dispositivo a uma espessura extremamente fina de 1RU.

As realizações de pesquisa e desenvolvimento de Ruijie em interruptores refrigerados a líquido

Em 2019, a Ruijie Network cooperou com um cliente nacional de internet para fornecer o switch imerso de 32x100 Gbps para data center com refrigeração líquida e o switch de gerenciamento de rede gigabit correspondente. Em 2022, a Ruijie Network começou a distribuir 100/200/400 Gbps. resfriamento líquido por imersão interruptores e interruptores de placa fria refrigerados a líquido.

A Ruijie Network lançou dois switches refrigerados a líquido de imersão comercial, ou seja, switch de acesso ao data center 32G de 100 portas e switch de rede de gerenciamento 48G de 1 portas. Ambos os interruptores têm 21" de largura e são compatíveis com o refrigerante 3M FC-40. A fonte de alimentação suporta redundância 1+1. O módulo plugável ABS+PC economiza muito o custo do refrigerante. As ranhuras no módulo facilitam o fluxo de líquido para dissipação de calor e equilibram habilmente a flutuabilidade e a gravidade.

No Global OCP Summit em novembro de 2021, a Ruijie Network lançou oficialmente o switch NPO de placa fria refrigerado a líquido de 64*400G para atender aos altos requisitos de confiabilidade de data centers e redes de operadoras.

Sob a liderança da OIF, a Ruijie Network cooperou com muitos fabricantes do setor para lançar o protótipo estrutural do switch NPO refrigerado a líquido de placa fria 64 * 800G em 2022 OFC Summit. O painel frontal suporta 64 conectores de fibra 800G, cada um dos quais também pode ser dividido em duas portas 400G para compatibilidade futura. O número de módulos de fonte de laser externa aumentou para 16. Devido ao design cego, o dano do laser de alta potência aos olhos humanos é evitado e a segurança do pessoal de operação e manutenção é garantida em maior extensão. Os chips de comutação e os módulos NPO suportam resfriamento de placa fria para dissipação de calor eficiente, o que resolve o problema do fluxo de calor altamente concentrado. Comparado com o desempenho do switch com o módulo óptico conectável tradicional e solução refrigerada a ar, o consumo de energia é bastante reduzido.

Perguntas frequentes sobre interruptores refrigerados a líquido

Q: O que torna um switch refrigerado a líquido diferente dos switches tradicionais?
A interruptor refrigerado a líquido usa circulação de fluidos para resfriamento, oferecendo melhor eficiência do que sistemas baseados em ar, especialmente em ambientes de alta potência, como data centers.

Q: Os switches refrigerados a líquido são adequados para redes de pequenas empresas?
Sim, refrigerado a líquido a tecnologia é bem escalável, proporcionando economia de energia e confiabilidade mesmo em configurações menores, embora seja mais benéfica em aplicações de alta densidade.

Q: Como a tecnologia de resfriamento líquido impacta o PUE do data center?
Interruptores refrigerados a líquido pode reduzir significativamente o PUE ao reduzir as necessidades de energia de resfriamento, ajudando a atender às políticas que exigem valores abaixo de 1.25.

Q: Quais são os principais tipos de interruptores refrigerados a líquido?
Os tipos comuns incluem imersão e placa fria refrigerado a líquido designs, cada um com vantagens únicas em transferência de calor e compatibilidade.

Q: Onde posso encontrar soluções confiáveis ​​de switches refrigerados a líquido?
A FiberMall oferece serviços de primeira linha interruptor refrigerado a líquido opções como parte do nosso portfólio de comunicação óptica, projetado para data centers globais e redes de IA.