Производительность рабочих станций и мощность процессоров увеличиваются с каждым новым поколением. Соответственно, должны меняться и возможности охлаждения. Например, у 10-ядерного Intel Xeon E5-2687W (Haswell) v3i термопакет увеличился со 150 до 160 Вт по сравнению с его 8-ядерным предшественником Intel Xeon E5-2687W v2ii (Ivy Bridge). В настоящее время эта рабочая станция оснащается 22-ядерными процессорами. Проблему усугубляет и использование аппаратных платформ и корпусов прежнего объема: инженерные решения для охлаждения в компактном форм-факторе становятся критически важными для производительности и акустических характеристик продукта.

Принципиально новый уровень быстродействия обеспечивается двумя самыми современными процессорами серии Intel Xeon E5-2600 v4 с поддержкой до 22 ядер у каждого. Рабочая станция Precision 7910 в корпусе Tower — решение для нагрузок, требующих больших вычислительных ресурсов (задач визуализации сложных процессов, средств моделирования и анализа больших объемов данных). Система жидкостного охлаждения Dell обеспечивает снижение уровня шума на 38%.


С ростом требований к вычислительному процессу становится все сложнее организовать охлаждение увеличивающихся мощностей. Чтобы решить эту задачу, Dell разработала инновационную систему с жидкостным охлаждением: потенциал отвода тепла в ней увеличился втрое по сравнению с традиционными решениями, а уровень шума оптимизирован.

Воздушное охлаждение, использующее теплоотводящие трубки и алюминиевые радиаторы, достаточно надежно, но требует значительного воздушного потока. Для него, в свою очередь, нужны вентиляторы с высокой скоростью вращения. Однако они создают сильные шумы.

Чтобы уменьшить скорость вращения вентилятора и, соответственно, уровень шума, необходимо оптимизировать производительность и минимизировать требования к охлаждению. В решении Dell используется инновационное жидкостное охлаждение с боковым выбросом воздуха, которое перераспределяет неиспользуемый объем корпуса, чтобы максимально увеличить производительность кулера и свести к минимуму шум.


Жидкостное охлаждение рабочей станции Dell Precision Tower 7910.

Физика рабочей станции с жидкостным охлаждением

Чтобы оценить преимущества жидкостного охлаждения, важно понять основы того, что собой представляет высокоэффективное решение в этой области. Любой радиатор с воздушным или с жидкостным охлаждением характеризуется базовым свойством, называемым термическим сопротивлением [R]. Оно измеряется в градусах на ватт и является функцией температуры устройства и мощности:



Условные обозначения:



Для нашего конкретного случая Tj относится к температуре ЦП, а Tamb представляет собой локальную температуру окружающей среды (на входе в радиатор охлаждения). Хорошей аналогией будет вода, текущая в раковину. Если воду, поступающую в раковину из крана, рассматривать как подаваемую мощность, то значение сопротивления R определяется тем, насколько плотно закрыта пробка (минимально открыта — высокие значения R, полностью открыта — малые значения R), а дельта T связана с уровнем воды в раковине.


Как температура связана с термическим сопротивлением. Вода в раковине представляет энергию.

Второе ключевое отношение для любого охлаждающего устройства определяется количеством энергии в материале теплоотвода на единицу времени. Эта переходная зависимость выражается в следующем уравнении:



Если левая часть уравнения представляет соотношение между плотностью, объемом радиатора и его теплоемкостью, то правая — это обмен энергией, поступающей в радиатор и из него. Здесь снова можно провести аналогию с большой и маленькой раковинами. При одном и том же количестве жидкости, попадающей в каждую из них (мощность), в большей раковине уровень воды (температура) будет расти медленнее.


Как температура связана с теплоемкостью.

Из уравнений 2 и 3 можно определить разницу в эффективности между любыми двумя охлаждающими решениями и увидеть, как меняются их показатели в зависимости от времени. Как следует из уравнения 3, для материалов с большой теплоемкостью (ср) изменение температуры в зависимости от времени (dT/dt) будет небольшим для той же подаваемой мощности. Кроме того, из уравнения 2 мы знаем, что абсолютное повышение температуры прямо связано с термическим сопротивлением.

Из этих двух фундаментальных соотношений видно, что ключом к максимальной эффективности охлаждения являются низкое тепловое сопротивление и высокая теплоемкость. Далее рассмотрим эти два свойства и то, как они соотносятся с измеренными характеристиками Dell Precision Tower 7910.

Определение характеристик рабочей станции с жидкостным охлаждением

Таким образом, эффективность охлаждения зависит как от теплоемкости [cp], так и от термического сопротивления [R]. Это можно использовать для исследования влияния жидкостного охлаждения на рабочую станцию ??Dell. Поскольку теплоемкость любого охлаждающего решения имеет ключевое значение с точки зрения скорости нагрева системы, чтобы понять, с какой скоростью должны работать вентиляторы, важно принимать во внимание материалы, применяемые в технологии охлаждения. Следующая таблица иллюстрирует теплоемкость различных материалов — от наиболее эффективных к наименее:



Таблица подтверждает то, что и так знает большинство людей: вода имеет значительно более высокую теплоемкость, чем почти все другие материалы. Фактически, при одной и той же массе вода будет нагреваться в четыре раза дольше, чем алюминий, и более чем в десять раз дольше, чем медь.

Поскольку эффективность зависит не только от теплоемкости [cp], мы также должны понимать соотношение термического сопротивления и общей производительности. В большинстве кулеров сопротивление [R] определяется в основном площадью поверхности и скоростью потока воздуха над радиатором охлаждения. Проще говоря, чем больше площадь поверхности кулера и скорость воздуха, тем лучше будет отвод тепла.

Dell использовала оба эти явления в своей разработке Liquid Cooled Tower 7910, чтобы максимально увеличить эффективность и минимизировать шум. Для этого конкретного исследования применялась конфигурация, включающая два процессора 160W Xeon E5-2680 V3, карту NVidia K6000, 2 х 8 ГБ модулей памяти Hynix и жесткий диск SATA емкостью 1500 ГБ.



Чтобы максимизировать потенциал аккумулирования тепла и минимизировать тепловое сопротивление, использовались радиаторы 110 x 92 мм с большими внутренними резервуарами. Это позволило инженерам увеличить объем жидкости в охлаждающей системе, а также расширить площадь поверхности в доступном объеме корпуса.



Кроме того, был использован инновационный подход к распределению воздушного потока в системе. Рисунок ниже иллюстрирует компоновку жидкостно-охлаждаемого раствора в Precision Tower 7910.


Продувка воздуха через боковую стенку корпуса.

Как можно видеть, охлаждающий воздух поступает с передней части системы и подается на оба процессора. Воздушный поток проходит через радиатор, где происходит обмен энергией, и все поглощенное тепло от ЦП удаляется из жидкости и выбрасывается в помещение за пределы системы. Эта стратегия «бокового выхлопа» позволяет использовать кратчайший путь удаления выделяемого тепла и эффективнее размещать компоненты подсистемы охлаждения, а также снизить скорость вращения вентиляторов (ведь им не нужно прогонять воздух по всей длине корпуса).



Для дальнейшего теста Dell Tower 7910 сравнивались переходные процессы при воздушном и жидкостном охлаждении с одной и той же скоростью потока воздуха. Чтобы упростить взаимосвязи между потенциалом теплоемкости [cp] и термическим сопротивлением [R] кулера, мы будем использовать тепловую постоянную времени:



где tau определяется как время, необходимое для достижения 63% общего повышения температуры до устойчивого состояния. Постоянная времени дает возможность физически измерять характеристики теплоемкости и теплового сопротивления кулера по стандартной методологии.

На рисунках ниже показана временная характеристика для системы с воздушным и жидкостным охлаждением ЦП с высоким TDP. Разница температур между двумя решениями показывает преимущество теплового сопротивления за счет использования большой площади поверхности радиатора в СЖО. Задержка между ними показывает разницу во временных константах.




Тепловые характеристики жидкостного охлаждения по сравнению с воздушным в рабочей станции T7910.

Как видим, время, необходимое для достижения системой жидкостного охлаждения температуры воздуха тау, составляет 97 секунд: это более чем в 3 раза превышает показатель традиционного воздушного охлаждения (30 секунд). Как показано на рисунке выше, абсолютная температура между воздушным и жидкостным охлаждением снижена на 5°, что указывает на 12-процентное увеличение производительности.

Что все это значит для пользователя рабочей станции Tower 7910? Система с жидкостным охлаждением будет работать с гораздо меньшей скоростью вращения вентиляторов. Кроме того, как видно ниже, при сохранении нагрузки и постоянной температуре ЦП скорость вращения вентилятора процессора 1 составляет более 2000 об./мин., в то время как скорость вращения вентилятора процессора 2 немногим превышает 500 об./мин.



Звуковые параметры измерялись для двух сценариев. Первый — это расширение ранее представленного анализа для TDP, в то время как во втором тестовом примере исследовался сценарий, характерный для пользователей САПР. Акустический отклик системы определялся при максимальной нагрузке (160 Вт мощности процессора). На рисунке показана переходная реакция системы под этой нагрузкой для жидкостного и воздушного охлаждения. Как видно, между ними наблюдается значительное отставание в акустическом ответе. Для справки, уровень шума в 30 дБА эквивалентен тишине в библиотеке, а 45 дБА — полному конференц-залу.



Из теста становится понятно, что общее время до стационарного акустического состояния для воздушного охлаждения составляет 40 секунд, а для жидкостного — более 200 секунд. Кроме того, путем дискретизации можно проанализировать преимущества, связанные с использованием жидкостного охлаждения. Таблица ниже иллюстрирует шаг дискретизации в 25 секунд и акустические характеристики в каждый момент времени. Как видно из данных на 50-секундном временном интервале, акустическая разница между жидкостным и воздушным охлаждением составляет почти 10 дБ, а при приближении к 125-секундной отметке — 5 дБ. Этот результат показывает, что теплоемкость жидкости обеспечивает акустическое преимущество с течением времени.


Сравнение систем с воздушным и жидкостным охлаждением при дискретизации.

Второй исследуемый случай — тест с популярным программным обеспечением САПР (3D CAD). Для этого приложения использовался тестовый сценарий, который выполнял общие действия: панорамирование, масштабирование, поворот, создание деталей, сборку и т. д. Мощность и загрузка процессора измерялись в зависимости от времени. На первом рисунке видны неравномерность нагрузки ЦП по отношению ко времени, а также % максимальной измеряемой мощности. Это обычное приложение с переменной нагрузкой показывает большой потенциал охлаждающего решения с высокой теплоемкостью, каким является жидкостное охлаждение.





На рисунке ниже более детально рассматривается интервал времени от 250 до 500 секунд. На этом промежутке тестового сценария можно видеть, что нагрузка имеет локальный максимум, приближающийся к 70% максимальной измеренной мощности. В то же время локальные минимумы близки к 35% максимальной измеренной мощности.

Высокая теплоемкость жидкостного охлаждения должна поглощать эти пики без разгона вентилятора так же быстро, как и при воздушном охлаждении. Для дальнейшего анализа разности звукового давления между двумя системами акустические данные были определены на дискретных временных шагах.

На рисунке показана зависимость звукового давления от времени между воздушным и жидкостным охлаждением. Данные наглядно иллюстрируют преимущества СЖО для пользователя рабочей станции. Жидкостное охлаждение в этом случае не превышает по уровню шума 28 дБА, а система с воздушным достигает пика более 40 дБА.

С помощью данных, приведенных на рисунке, средняя скорость изменения для жидкостного охлаждения была определена как 0,054 дБА/с, в то время как для системы с воздушным охлаждением этот показатель составил 0,38 дБА/с. У СЖО скорость изменения на 250-секундном отрезке оказалась на 86% меньше.

Выводы

Проведенное исследование демонстрирует значительные акустические преимущества для заказчиков рабочих станций Dell Precision с решением для жидкостного охлаждения Dell Precision Tower 7910. Эти преимущества очевидны как при тяжелых тепловых нагрузках, так и в случае типичных интерактивных операций. Для обоих сценариев естественная теплоемкость жидкости обеспечивала троекратное увеличение времени, необходимого для достижения максимальной скорости вращения вентилятора, по сравнению с лучшим в своем классе воздушным охлаждением. А для приложений с переменной нагрузкой акустический отклик в переходном режиме получил преимущества на 10 дБ.

Таким образом, жидкостное охлаждение может сделать рабочую станцию Tower 7910 значительно более тихой — как для инженеров или традиционных пользователей САПР, так и для тех, кто работает с приложениями с интенсивными вычислениями (например, занимается задачами моделирования и анализа).