ڈیٹا سینٹرز کے لیے موثر مائع کولنگ سسٹم کا ڈیزائن

 

I ڈیٹا سینٹر کولنگ سسٹم کے اجزاء

 

آئی ٹی آلات کے ذریعہ استعمال ہونے والی بجلی کی زیادہ تر توانائی فضلہ حرارت میں تبدیل ہوجاتی ہے۔ اس بات کو یقینی بنانے کے لیے کہ آئی ٹی کا سامان مناسب درجہ حرارت کی حد میں کام کرتا ہے، ڈیٹا سینٹرز کولنگ اور گرمی کی کھپت کے نظام سے لیس ہیں، بشمول چلرز، کولنگ ٹاورز، اور درست ایئر کنڈیشنگ یونٹ، جو ڈیٹا سینٹر سے فضلہ حرارت کو ہٹاتے ہیں۔ حرارت کی منتقلی کے عمل کو تصویر 1 میں دکھایا گیا ہے۔ توانائی کی کھپت کے اہم نکات میں چلرز، کولنگ ٹاورز، پمپس، اور درست ایئر کنڈیشنگ یونٹ شامل ہیں۔

 

▲ شکل 1: ڈیٹا سینٹرز میں ہیٹ ٹرانسفر

 

فی الحال، ڈیٹا سینٹرز میں بنیادی ہیٹ ٹرانسفر میڈیا ہوا یا پانی ہیں۔ پانی، 1.004 kJ/(KgK) کے مستقل دباؤ کے ساتھ مخصوص حرارت کی گنجائش اور 4200 kJ/(KgK) کی مخصوص حرارت کی گنجائش کے ساتھ، ہوا سے تقریباً 1،000 گنا زیادہ حرارت کی منتقلی کی صلاحیت رکھتا ہے۔ لہذا، پانی کو کولنگ میڈیم کے طور پر استعمال کرنا کولنگ سسٹم کے ڈیزائن میں توانائی کی بچت کا ایک موثر طریقہ ہے۔ کولنگ سسٹمز کی توانائی کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے، حرارت کو پکڑنے اور منتقل کرنے کے لیے اعلیٰ کارکردگی والے ریڈی ایٹرز اور درست ہوا کی ترسیل جیسے اقدامات کا استعمال کیا جاتا ہے۔

 

درست ائر کنڈیشنگ میں، کولنگ کمرے کی سطح سے ماڈیولر ڈیٹا رومز اور ریک سطح کی کولنگ تک تیار ہوئی ہے، جو گرمی کے منبع کے قریب آتی ہے اور کولنٹ ٹرانسپورٹ میں توانائی کی کھپت کو کم کرتی ہے۔ ٹھنڈک کے ذرائع کی نسل نے ہوا کی ٹھنڈک سے پانی کی ٹھنڈک اور قدرتی ٹھنڈک تک ترقی کی ہے، جس سے بیرونی حرارت کی منتقلی کی کارکردگی میں اضافہ ہوا ہے۔

 

 

روایتی کولنگ سسٹمز خود مختار کنٹرول سسٹمز اور درست ایئر کنڈیشننگ، چلرز اور کولنگ ٹاورز کے لیے آپریٹنگ حکمت عملیوں کی خصوصیت رکھتے ہیں، مقامی طور پر کارکردگی کو بہتر بناتے ہیں۔ تاہم، مجموعی طور پر کولنگ کی کارکردگی کو اب بھی بہتری کی ضرورت ہے۔

 

نظامی بہتری کو اینڈ ٹو اینڈ مینجمنٹ اور ہیٹ اکٹھا کرنے، کولنگ سورس کی تیاری، اور بیرونی ہیٹ ٹرانسفر کے درست کنٹرول کے ذریعے حاصل کیا جا سکتا ہے، اس طرح کولنگ سسٹم کی بجلی کی کھپت کو کم کیا جا سکتا ہے۔

 

 

II اینڈ ٹو اینڈ مائع کولنگ سسٹم ڈیزائن

 

1. بورڈ لیول مائع کولنگ ڈیزائن

کمپیوٹنگ پاور ڈیمانڈ میں تیزی سے اضافہ کے ساتھ، CPUs اور GPUs کے انضمام اور بجلی کی کھپت میں نمایاں اضافہ ہوا ہے، سنگل چپ پاور کی کھپت 300W تک پہنچ گئی ہے۔ روایتی چپ ہیٹ سنکس اور ایئر کولنگ سلوشنز کو کولنگ کی رکاوٹوں کا سامنا کرنا پڑا ہے۔ چونکہ چپ گرمی کا ذریعہ ہے، ڈیٹا سینٹر کولنگ سسٹم کے لیے بنیادی چیلنج چپ کے اندر سے گرمی کو مؤثر طریقے سے ہٹانا ہے۔

 

گرمی کی کھپت کے نقطہ نظر سے، چپ سے پیدا ہونے والی حرارت کو پہلے بورڈ کی سطح کے ہیٹ سنک میں منتقل کیا جانا چاہیے۔ زیادہ موثر ہیٹ سنک حل بہتر گرمی جمع کرنے میں سہولت فراہم کریں گے۔

 

200W سے کم بجلی کی کھپت کے ساتھ واحد چپس اور 20kW فی ریک سے کم بجلی کی کھپت کے ساتھ IT آلات کے لیے، ہوا کو حرارت کی منتقلی کے ذریعہ کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ہیٹ پائپ ہیٹ سنکس اور ویپر چیمبر (VC) ہیٹ سنکس، اعلی تھرمل چالکتا TIM مواد (جیسے گریفائٹ شیٹس/گرافین) کے ساتھ مل کر، چپ اور ہیٹ سنک بیس کے درمیان تھرمل مزاحمت کو مؤثر طریقے سے کم کرتے ہیں، ہیٹ سنک کی کارکردگی کو بہتر بناتے ہیں۔

 

200W سے زیادہ بجلی کی کھپت کے ساتھ واحد چپس اور 20kW فی ریک سے زیادہ بجلی کی کھپت کے ساتھ IT آلات کے لیے، حرارت کی منتقلی کے میڈیم کے طور پر ہوا اب کافی نہیں ہے، اور کولنگ کے لیے مائع کولنٹ کا استعمال کرنا ضروری ہے۔ مائع کولڈ کولڈ پلیٹ ٹیکنالوجی فی الحال بورڈ لیول چپ کولنگ کے لیے ایک پختہ حل ہے۔ مائع سے ٹھنڈا ہونے والی کولڈ پلیٹ انلیٹ اور آؤٹ لیٹ کنیکٹرز، ایک اوپری کور، اور ایک بیس پلیٹ پر مشتمل ہوتی ہے، جو ویکیوم بریزنگ کے ذریعے ایک بند مائع ہیٹ ایکسچینج چیمبر بناتی ہے۔ چیمبر میں ڈسٹری بیوشن چیمبرز اور مختلف چوڑائی کے بہاؤ کے چینلز شامل ہیں، جو سیال کے بہاؤ کو کنٹرول کرتے ہیں اور ہنگامہ خیزی کو بڑھاتے ہیں، مقامی کولنگ کی صلاحیتوں کو بڑھاتے ہیں اور ہائی پاور چپس کی وجہ سے گرم مقامات کو ختم کرتے ہیں۔ اندرونی ساخت کو شکل 2 میں دکھایا گیا ہے۔

 

▲ شکل 2: مائع سے ٹھنڈی ہوئی کولڈ پلیٹ کا کراس سیکشن

 

ایک ہی ریک کے اندر مختلف قسم کے بورڈز میں مختلف پاور لیولز اور ہاٹ سپاٹ ہوتے ہیں، لیکن مائع سپلائی لائن کے انلیٹ کنیکٹر پر سپلائی پریشر عام طور پر ایک جیسا ہوتا ہے، جس میں تھروٹلنگ کو کنٹرول کرنے کے لیے کولڈ پلیٹ کے ڈسٹری بیوشن چیمبر کی ضرورت ہوتی ہے۔ کم چپ بجلی کی کھپت والے بورڈز کے لیے، تھروٹلنگ کولنٹ کے بہاؤ کو کم کر دیتی ہے۔ عملی طور پر، مائع سے ٹھنڈا ہونے والی کولڈ پلیٹیں سی پی یو، میموری، اور دیگر اعلی طاقت والے اجزاء کو ڈھانپتی ہیں، لیکن ریزسٹرس اور کیپسیٹرز جیسے اجزاء، جو ڈھکے ہوئے نہیں ہیں، بقایا حرارت پیدا کرتے ہیں جس کے لیے پنکھے کو ٹھنڈا کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس کے نتیجے میں نظام کے اندر مائع اور ہوا کی ٹھنڈک کا مجموعہ ہوتا ہے، جس سے کولنگ کی کارکردگی میں بہتری کی گنجائش باقی رہتی ہے۔

 

کولڈ پلیٹ ڈیزائن کے دوران تمام اجزاء کا احاطہ کرنے کے لیے TIM مواد کا استعمال کرتے ہوئے، تکنیکی طور پر 100% مائع کولنگ حاصل کی جا سکتی ہے، لیکن اس سے کولڈ پلیٹ کی لاگت اور پیچیدگی بڑھ جاتی ہے۔ موثر کولنگ کا تعاقب کرتے ہوئے، ابتدائی لاگت کی سرمایہ کاری پر بھی غور کیا جانا چاہیے۔ اگر نوڈ بورڈ کی قسمیں یکساں ہیں، تو ایک مکمل احاطہ شدہ بورڈ پر غور کیا جا سکتا ہے، جس کے ابتدائی اخراجات کو پیداوار کی پیمائش کے ذریعے پورا کیا جاتا ہے، توانائی کی بچت اور سرمایہ کاری کے درمیان توازن حاصل کرنا۔

 

 

ڈیونائزڈ پانی کو عام طور پر مائع ٹھنڈک میں ٹھنڈک کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے اس کی اعلی مخصوص حرارت کی گنجائش کی وجہ سے، غیر سنکنرن ہونے کے دوران تیز رفتار گرمی جذب کرنے کی اجازت دیتا ہے، اس طرح پائپ لائن کی وشوسنییتا کو متاثر نہیں کرتا ہے۔ کولڈ پلیٹ مائع کولنگ بالواسطہ ہے، جس میں چپ براہ راست مائع کولنٹ سے رابطہ نہیں کرتی، جس کے نتیجے میں اعلیٰ قابل اعتماد اور پختہ ٹیکنالوجی ہوتی ہے۔

 

تاہم، چپ اور مائع کولنٹ کے درمیان تھرمل مزاحمت موجود ہے، جس کی وجہ سے کچھ مینوفیکچررز وسرجن کولنگ سلوشنز کو فروغ دیتے ہیں۔ وسرجن کولنگ میں، آئی ٹی کا سامان گردش کرنے والے مائع میں ڈوب جاتا ہے، جس میں چپ براہ راست کولنٹ سے رابطہ کرتی ہے، تھرمل مزاحمت کو کم کرتی ہے جبکہ زیادہ گرمی کو دور کرنے کے لیے مرحلے میں تبدیلی کا فائدہ اٹھاتی ہے، جس سے یہ مائع کولنگ میں ایک نیا ہاٹ سپاٹ بن جاتا ہے۔ فلورینیٹیڈ مائع عام طور پر وسرجن کولنگ میں کولنٹ کے طور پر استعمال ہوتے ہیں، لیکن ان کی زیادہ قیمت بڑے پیمانے پر تجارتی استعمال میں رکاوٹ ہے۔

 

2. ریک لیول مائع کولنگ

ڈیٹا سینٹرز میں، IT آلات کو ریک کے ذریعے ترتیب دیا جاتا ہے، جس میں ڈیٹا سینٹر کے معلوماتی آلات جیسے سرورز، اسٹوریج ڈیوائسز، اور نیٹ ورک سوئچ ہوتے ہیں۔ جب کہ بورڈ کی سطح کی کولنگ انفرادی IT آلات سے گرمی کو ہٹاتی ہے، ریک سطح کی کولنگ گرمی کو باہر جمع اور منتقل کرتی ہے۔ ریک لیول مائع کولنگ کے کلیدی اجزاء میں انلیٹ اور آؤٹ لیٹ مینی فولڈز، مانیٹرنگ یونٹس، ٹمپریچر سینسرز، سولینائڈ والوز، اور چیک والوز شامل ہیں، جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے۔

 

▲ شکل 3: ریک لیول مائع کولنگ کنفیگریشن

 

مینی فولڈ بیرونی طور پر کمرے کی سطح کے مائع کولنگ ڈسٹری بیوشن یونٹ سے اور اندرونی طور پر فوری کنیکٹرز کے ذریعے مائع ٹھنڈا کولڈ پلیٹ کے انلیٹ اور آؤٹ لیٹ کنیکٹرز سے جوڑتا ہے، جس سے سسٹم کی حرارت کو ریک کے باہر منتقل کرنے میں سہولت ہوتی ہے۔

سولینائڈ والو اور چیک والو کے اہم کام مائع کے بہاؤ کو کنٹرول کرنا اور لیک ہونے کی صورت میں ناکامی کی حد کو ایک ہی ریک تک محدود کرنا ہے۔

 

درجہ حرارت سینسر کا بنیادی کردار انلیٹ اور آؤٹ لیٹ پانی کے درجہ حرارت کی مسلسل نگرانی کرنا ہے۔ انلیٹ اور آؤٹ لیٹ پانی کے درمیان درجہ حرارت کے فرق کو استعمال کرتے ہوئے، یہ سولینائڈ والو کے کھلنے کو کنٹرول کرتا ہے، اس طرح پانی کے بہاؤ کو کنٹرول کرتا ہے اور اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ گرمی اور بہاؤ مماثل ہیں۔

مائع کولنگ سسٹم ڈیونائزڈ پانی کو کام کرنے والے سیال کے طور پر استعمال کرتا ہے، جو نظریاتی طور پر شارٹ سرکٹ کا سبب نہیں بنے گا۔

 

تاہم، سرکٹ بورڈز یا الیکٹرانک پرزوں میں اکثر دھول کے ذرات ہوتے ہیں، اور جب ڈیونائزڈ پانی سرکٹ بورڈ کے ساتھ رابطے میں آتا ہے، تو یہ شارٹ سرکٹ کا سبب بن سکتا ہے۔ یہ مائع کولنگ کے نفاذ میں بڑی رکاوٹوں اور خدشات میں سے ایک ہے۔ کولڈ پلیٹ کے رساو کے مسئلے کو حل کرنے کے لیے، کوالٹی کنٹرول، مائیکرو رساو کی نگرانی، اور اچانک بڑے رساو کی روک تھام جیسے اقدامات بروئے کار لائے جاتے ہیں۔

 

کوالٹی کنٹرول کو پیداوار اور تنصیب کی درخواست کے مراحل میں تقسیم کیا گیا ہے۔ پیداوار کے مرحلے میں، عمل کی وشوسنییتا کو یقینی بنایا جاتا ہے، 100% کولڈ پلیٹوں کو پریشر ٹیسٹنگ سے گزرنا پڑتا ہے، اور الٹراساؤنڈ کا استعمال بے ترتیب نمونے لینے اور خرابی کا پتہ لگانے کے لیے کیا جاتا ہے۔ مؤثر اندراج اور طویل مدتی وشوسنییتا کے لیے فوری کنیکٹ فٹنگز کی توثیق ہونی چاہیے۔ انسٹالیشن ایپلی کیشن کے مرحلے میں، ثانوی پائپنگ کو انسٹال کرنے سے پہلے صاف کرنا ضروری ہے تاکہ نجاست کو فوری کنیکٹ فٹنگز، اسپرنگ جام، یا ربڑ کی انگوٹھی میں رکاوٹیں پیدا ہونے سے روکا جا سکے، اس طرح آپریشن کے دوران رساو کو روکا جا سکے۔ مندرجہ بالا اقدامات کا مقصد لیکس کو زیادہ سے زیادہ روکنا ہے۔

 

 

اگر کولڈ پلیٹ میں مائیکرو لیک پیدا ہوتا ہے، تو اسے قابل شناخت ہونا چاہیے اور دیکھ بھال کرنے والے اہلکاروں کو فوری طور پر مرمت کرنے کے لیے الارم کو متحرک کرنا چاہیے۔ پتہ لگانے کے دو طریقے ہیں: ایک پانی میں وسرجن سینسر کا استعمال کر رہا ہے، جو ڈرپ ٹرے پر نصب ہے۔ ڈرپ ٹرے کا بنیادی کام رساو کا پتہ لگانا اور مائع کو ریک کے باہر نکلنے سے روکنا ہے، جس سے خرابیوں کے پھیلاؤ کو کم کرنا ہے۔

 

اگرچہ پانی میں ڈوبنے والے سینسر کا پتہ لگانا پختہ اور قابل اعتماد ہے، اس کے لیے ہارڈ ویئر بورڈ اور ریک کی متعلقہ اشیاء کے ساتھ بہنے کے بعد ڈرپ ٹرے میں لیک ہونے والے سیال کو جمع کرنے کی ضرورت ہوتی ہے، اس وقت تک لیک ہونے والے سیال کی کل مقدار کافی ہو سکتی ہے اور ہو سکتا ہے کہ بورڈ کو پہلے ہی نقصان پہنچا ہو۔ اور بہاؤ کے دوران اجزاء۔

 

دوسرا طریقہ ریئل ٹائم مانیٹرنگ ہے۔ کم ابلتے نقطہ کے ساتھ ایک ٹریسر مادہ کام کرنے والے سیال میں ملایا جاتا ہے، اور لیک ہونے کی صورت میں، بورڈ میں بنایا گیا ایک گیس سینسر اس کا پتہ لگاتا ہے۔ بڑے پیمانے پر اچانک رساؤ نایاب لیکن انتہائی اثر انگیز ہوتے ہیں۔ اس طرح کے واقعات کو روکنے کے لیے، ریک پر مینی فولڈ کے ان لیٹ اور آؤٹ لیٹ پر چیک والوز لگائے جاتے ہیں۔ یہ چیک والوز خود بخود بند ہو جاتے ہیں جب دباؤ میں نمایاں فرق پایا جاتا ہے۔

 

3. کمرے کی سطح کا مائع کولنگ ڈیزائن

کمرے کی سطح کی کولنگ کو ریک سے نکالی گئی گرمی کو باہر کی طرف منتقل کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ کمرے کی سطح کے مائع کولنگ سلوشن میں مائع ٹھنڈا ماڈیولر ڈیٹا روم، چلرز، واٹر پمپ، کولنگ ٹاورز، پائپنگ، اور بہت کچھ شامل ہے، جیسا کہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔

 

▲ شکل 4: کمرے کی سطح کے مائع کولنگ کنفیگریشن

 

عام طور پر، مائع ٹھنڈے ماڈیولر ڈیٹا روم میں دو بیک اپ مائع کولنگ ڈسٹری بیوشن یونٹس (CDUs)، 10-20 IT ریک، 1-2 قطار سطح کے ایئر کنڈیشنر، اور پاور سپلائی کا سامان ہوتا ہے، جیسا کہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔

 

مائع کولنگ ڈسٹری بیوشن یونٹ (CDU) کام کرنے والے سیال کو IT مائع ٹھنڈے ریکوں میں تقسیم کرنے، ثانوی طرف بہاؤ کی تقسیم، پریشر کنٹرول، جسمانی تنہائی، اور اینٹی کنڈینسیشن افعال فراہم کرنے کے لیے ذمہ دار ہے۔ اصل آپریشن کے دوران، CDU IT مائع ٹھنڈے ریکوں کو ٹھنڈے پانی کا ایک خاص بہاؤ اور درجہ حرارت فراہم کرتا ہے، جو کئی گنا کے ذریعے مائع ٹھنڈا کولڈ پلیٹوں میں داخل ہوتا ہے، پروسیسرز اور کلیدی اجزاء سے پیدا ہونے والی گرمی کو ہٹاتا ہے، اور گرم کولنگ واپس کرتا ہے۔ CDU کے انٹرمیڈیٹ ہیٹ ایکسچینج یونٹ میں پانی۔ اس کے بعد گرمی کو آؤٹ ڈور ریٹرن واٹر پائپ لائن میں چھوڑ دیا جاتا ہے، اور گرمی کے اس حصے کو چلرز یا ڈرائی کولرز کے ذریعے بیرونی ماحول میں خارج کیا جاتا ہے، جس سے مائع ٹھنڈے سرورز کے لیے گرمی کے انتظام کے عمل کو مکمل کیا جاتا ہے۔

 

CDU مائع ٹھنڈے کولڈ پلیٹوں میں داخل ہونے والے کولنٹ کے درجہ حرارت اور بہاؤ کو کنٹرول کرتا ہے، اس طرح IT ریکوں کو ٹھنڈک فراہم کرتا ہے اور کولنگ پاور تقسیم کرتا ہے۔ اندرونی ہیٹ ایکسچینج یونٹ ماڈیولر ڈیٹا روم اور بیرونی ماحول کے درمیان مائع سپلائی سرکٹ کو الگ کرنے میں بھی کردار ادا کرتا ہے۔ اپنے اہم کردار کی وجہ سے، CDU عام طور پر ایک 1+1 فالتو کنفیگریشن استعمال کرتا ہے۔ CDU inlet اور آؤٹ لیٹ پانی کے درجہ حرارت اور سپلائی پریشر کا پتہ لگا کر اور سپلائی واٹر پمپ کی رفتار کو ایڈجسٹ کر کے مائع کولنٹ کے بہاؤ کو کنٹرول کرتا ہے۔

 

 

فی الحال، زیادہ تر CDU کنٹرول سسٹم ریک کے اندر موجود درجہ حرارت کے سینسر سے منسلک نہیں ہوتے ہیں، جس کے نتیجے میں نسبتاً موٹے کنٹرول ہوتے ہیں۔ اس مسئلے کو حل کرنے کے لیے، کچھ ایپلی کیشنز نے تقسیم شدہ CDUs کے ساتھ سنٹرلائزڈ CDUs کی جگہ لے لی ہے، جو ریک میں ضم ہیں۔ اس طرح، CDU فلو ایڈجسٹمنٹ مکمل طور پر ریک کی آپریشنل حیثیت اور بجلی کی کھپت کے اتار چڑھاو پر مبنی ہیں۔ سنٹرلائزڈ CDUs ایسے منظرناموں کے لیے موزوں ہیں جن میں بڑی تعداد میں مائع ٹھنڈے ریک ہیں جنہیں ماڈیولر ڈیٹا روم میں اکٹھا کیا جا سکتا ہے، جب کہ تقسیم شدہ CDUs صرف 2-3 مائع ٹھنڈے ریک والے حالات کے لیے بہتر موزوں ہیں، جس سے تعیناتی آسان ہو جاتی ہے۔

 

 

III نتیجہ

 

دوہرے کاربن اہداف کی رہنمائی کے تحت، ڈیٹا سینٹرز دوہری مشن کو برداشت کرتے ہیں: ایک طرف، گہرے اور سکیلڈ آپریشنز کے ذریعے، وہ ڈیجیٹل معیشت کے لیے کافی کمپیوٹنگ طاقت فراہم کرتے ہیں۔ اعلی کثافت والے ریک اور ہائی پاور چپس کا وسیع پیمانے پر استعمال، جو ڈیٹا سینٹر کمپیوٹنگ پاور کی کارکردگی سے چلتا ہے، نے روایتی ایئر کولنگ کو رکاوٹوں کا سامنا کرنا پڑا ہے۔ دوسری طرف، اعلی کارکردگی والے ہیٹ ایکسچینجرز، مائع کولنگ، اور خشک کولر سے قدرتی کولنگ کے استعمال سے، ڈیٹا سینٹرز اپنی توانائی کی کھپت کو کم کر سکتے ہیں۔

 

مائع کولنگ کو اپنانے کے بعد، کولنگ کی کارکردگی میں نمایاں بہتری آئی ہے، کولنگ سسٹم کی توانائی کی کھپت 37% سے کم ہو کر تقریباً 10% ہو گئی ہے، جس کے نتیجے میں اہم توانائی کی بچت اور کاربن میں کمی واقع ہوئی ہے۔ اگر ملک بھر میں 50 فیصد نئے بنائے گئے ڈیٹا سینٹرز مائع کولنگ کو اپناتے ہیں، تو سالانہ 45 بلین کلو واٹ بجلی کی بچت کی جا سکتی ہے، اور 3 ملین ٹن CO₂ اخراج کو کم کیا جا سکتا ہے.