ดาต้าเซ็นเตอร์เอาความร้อนจากเซิร์ฟเวอร์ไปใช้ที่ไหน?

ห้องดาต้าเซ็นเตอร์ที่เต็มไปด้วยแร็กเซิร์ฟเวอร์กำลังเปลี่ยนหน้าตาไปทีละน้อย จากเดิมที่เห็นพัดลมขนาดใหญ่เป่าลมเย็นเข้าไปตามทางเดิน กลายเป็นระบบที่ปล่อยให้ของเหลวเข้าใกล้ชิปมากขึ้น บางแห่งยกแผงวงจรทั้งชุดลงไปแช่ในถังของเหลวใส บางแห่งวางแผ่นโลหะรับความร้อนไว้บนชิป แล้วสูบน้ำหล่อเย็นไหลผ่านตลอดเวลา

เหตุผลไม่ได้มีแค่เรื่องประหยัดไฟ ห้องคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ต้องรับภาระจากหน่วยประมวลผลกราฟิกและระบบปัญญาประดิษฐ์ที่ทำงานหนักกว่าระบบทั่วไป ชิปจำนวนมากอัดแน่นอยู่ในพื้นที่เท่าเดิม ความร้อนจึงรวมตัวเร็วขึ้น หากยังใช้ลมเป่าแบบเดิมอย่างเดียว ก็ต้องเพิ่มพัดลม เพิ่มเครื่องทำความเย็น และเพิ่มพื้นที่ว่างให้ลมเดินทางได้สะดวก

แนวคิดใหม่จึงเริ่มจากการพาความร้อนไปจัดการตรงจุด เมื่อความร้อนถูกดึงออกจากชิปเร็วขึ้น พลังงานที่ใช้ระบายความร้อนก็ลดลง และความร้อนก้อนนั้นยังมีโอกาสเดินทางต่อไปใช้ประโยชน์กับอาคารหรือชุมชนใกล้เคียงได้ด้วย

ทำไมของเหลวถึงรับความร้อนได้ดีกว่าลม

ลมมีความหนาแน่นต่ำ จึงต้องใช้ปริมาณมากและต้องเร่งความเร็วเพื่อพาความร้อนออกจากผิวชิป ขณะที่ของเหลวหลายชนิดรับและพาความร้อนได้มีประสิทธิภาพกว่า ระบบจึงวางท่อหรือถังของเหลวไว้ใกล้แหล่งกำเนิดความร้อนที่สุด แทนที่จะรอให้ความร้อนกระจายออกมาสู่บรรยากาศรอบแร็ก

วิธีที่พบในงานศูนย์ประมวลผลมีตั้งแต่แผ่นเย็นแนบกับชิป หรือ cold plate ไปจนถึงการจุ่มอุปกรณ์ทั้งชุดลงในของเหลวฉนวนไฟฟ้า ของเหลวชนิดนี้ไม่ทำให้ไฟฟ้าลัดวงจรแบบน้ำประปา จึงไหลสัมผัสพื้นผิวของชิ้นส่วนได้โดยไม่ต้องห่อแผงวงจรด้วยถุงกันน้ำ

ระบบจุ่มมีทั้งแบบเฟสเดียวที่ของเหลวหมุนเวียนรับความร้อนแล้วออกไปแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก และแบบสองเฟสที่ของเหลวเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่าน้ำ ไอจะลอยขึ้นไปเจอพื้นผิวเย็น ควบแน่นกลับลงถัง แล้ววนรอบใหม่ คำว่าเดือดในที่นี้จึงไม่ได้หมายถึงน้ำเดือดพล่านแบบหม้อในครัว แต่เป็นการเปลี่ยนสถานะของของเหลวเฉพาะทางภายในระบบปิด

ภาพที่เห็นแผงวงจรจุ่มอยู่ในของเหลวใสจึงเป็นเทคโนโลยีจริง แต่ไม่ใช่การเอาเซิร์ฟเวอร์ไปจุ่มในน้ำธรรมดา อุปกรณ์ทุกชิ้นต้องผ่านการตรวจสอบเรื่องวัสดุ ซีล สายไฟ ขั้วต่อ และการบำรุงรักษา ของเหลวเองต้องมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนเหมาะกับงาน หากเลือกผิดชนิด อาจทำให้ยางเสื่อม วัสดุพอง หรือเกิดคราบสะสมบนชิ้นส่วนได้

ความร้อนเดินทางออกจากถังอย่างไร

เมื่อของเหลวรับความร้อนจากเซิร์ฟเวอร์แล้ว ปั๊มจะพาไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน จุดนี้เป็นหัวใจของระบบ เพราะต้องแยกวงจรของเหลวที่อยู่ใกล้แผงวงจรออกจากวงจรน้ำภายนอก อากาศภายนอก หรือระบบทำความร้อนของอาคาร ของเหลวสองฝั่งไหลผ่านแผ่นโลหะคนละช่อง ความร้อนข้ามไปได้ แต่ตัวของเหลวไม่จำเป็นต้องผสมกัน

ในระบบ direct to chip น้ำหล่อเย็นอาจไหลผ่านแผ่นเย็นเหนือชิปโดยตรง ส่วนในระบบ immersion ของเหลวฉนวนไฟฟ้าจะรับความร้อนจากอุปกรณ์ทั้งชุดแล้วถ่ายต่อให้ตัวกลางอีกชั้นหนึ่ง หลักการเหมือนกันตรงที่พยายามตัดระยะทางระหว่างชิปกับตัวระบายความร้อนให้สั้นที่สุด

อุณหภูมิที่ได้จากเซิร์ฟเวอร์มักเป็นความร้อนระดับต่ำถึงปานกลาง ไม่ใช่น้ำร้อนเดือดพร้อมใช้ทันทีสำหรับทุกบ้าน หากต้องส่งเข้าเครือข่ายทำความร้อนขนาดใหญ่ ระบบอาจใช้ heat pump ยกระดับอุณหภูมิให้เหมาะกับปลายทาง กระบวนการนี้กินไฟเพิ่ม แต่ยังอาจคุ้มกว่าการปล่อยความร้อนทิ้งแล้วผลิตน้ำร้อนใหม่ด้วยเชื้อเพลิงหรือไฟฟ้า

น้ำที่ผ่านแผงวงจรจึงไม่ใช่น้ำสำหรับอาบหรือดื่ม และน้ำที่ส่งไปยังอาคารก็ไม่จำเป็นต้องมาจากถังเซิร์ฟเวอร์โดยตรง ผู้ดูแลใช้วงจรปิดหลายชั้นกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคั่นกลาง วิธีนี้ลดความเสี่ยงจากสารเคมี ฝุ่นโลหะ หรือสิ่งปนเปื้อนในระบบคอมพิวเตอร์ ชุมชนรับเพียงพลังงานความร้อนผ่านท่อและอุปกรณ์ที่ออกแบบตามมาตรฐานสาธารณูปโภค

จากความร้อนทิ้งสู่เครื่องทำน้ำอุ่นของเมือง

เมืองที่มีเครือข่าย district heating เหมาะกับแนวคิดนี้เป็นพิเศษ ระบบลักษณะนี้มีโรงผลิตความร้อนส่วนกลาง แล้วส่งน้ำร้อนผ่านท่อหุ้มฉนวนไปยังบ้าน สำนักงาน โรงพยาบาล หรือโรงเรียน เมื่อดาต้าเซ็นเตอร์เดินเครื่องตลอดทั้งวัน ก็มีแหล่งความร้อนค่อนข้างสม่ำเสมอมาเติมเข้าสู่เครือข่ายได้

เส้นทางจริงอาจเริ่มจากเซิร์ฟเวอร์ส่งความร้อนให้ของเหลวในวงจรแรก จากนั้นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนถ่ายพลังงานไปยังน้ำวงจรที่สอง แล้ว heat pump เพิ่มอุณหภูมิให้สูงพอสำหรับระบบเมือง น้ำร้อนจึงไหลไปยังอาคารผ่านท่อใต้ดิน เมื่อปลายทางดึงความร้อนไปใช้ น้ำที่เย็นลงจะไหลกลับมาเริ่มรอบใหม่

บางโครงการในยุโรปนำความร้อนจากดาต้าเซ็นเตอร์ไปช่วยเครือข่ายทำความร้อนของบ้านและธุรกิจใกล้เคียง ช่วยลดการเผาเชื้อเพลิงชุดใหม่ และทำให้พลังงานที่เคยระบายทิ้งมีมูลค่าขึ้นมา การใช้ประโยชน์ไม่ได้จำกัดอยู่กับน้ำอุ่นในบ้าน อาจต่อยอดไปยังเรือนกระจก ฟาร์มเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ โรงงาน หรือระบบอบแห้งที่ต้องการอุณหภูมิคงที่

คำว่าใช้น้ำร้อนฟรีจึงควรเข้าใจให้ตรงภาพ บางพื้นที่รับความร้อนโดยไม่ต้องซื้อก๊าซหรือน้ำมันก้อนใหม่ แต่โครงการยังมีค่าเดินท่อ ค่าไฟของปั๊ม ค่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ค่าบำรุงรักษา และค่าเดินระบบ เมืองกับผู้ให้บริการจึงต้องตกลงกันเรื่องการลงทุนและราคาพลังงาน ไม่ใช่เปิดวาล์วจากเซิร์ฟเวอร์แล้วปล่อยน้ำเข้าบ้านโดยตรง

ดาต้าเซ็นเตอร์ยังใช้แอร์อยู่หรือไม่

การมาของ liquid cooling ไม่ได้แปลว่าพัดลมและระบบทำความเย็นแบบอากาศหายไปทั้งหมด ดาต้าเซ็นเตอร์จำนวนมากใช้หลายวิธีร่วมกัน แร็กที่มีความหนาแน่นไม่สูงอาจยังใช้ลม ส่วนแร็กที่ติดตั้ง GPU จำนวนมากใช้แผ่นเย็นหรือระบบจุ่ม เพื่อรับมือกับจุดที่ปล่อยความร้อนมากเป็นพิเศษ

ภายในอาคารยังต้องควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น ฝุ่น และอุปกรณ์อื่นที่ไม่ได้จุ่มของเหลว ระบบไฟฟ้า แบตเตอรี่ อุปกรณ์เครือข่าย และพื้นที่ทำงานของช่างยังต้องมีสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม จึงไม่มีภาพเดียวที่ใช้แทนดาต้าเซ็นเตอร์ทุกแห่งได้

ระบบจุ่มยังมีโจทย์เรื่องต้นทุนและการซ่อมบำรุง ช่างต้องเตรียมขั้นตอนยกเซิร์ฟเวอร์ขึ้นจากถัง ต้องจัดการของเหลวที่มีน้ำหนักมาก และต้องมีระบบตรวจจับการรั่วไหล อุปกรณ์บางรุ่นยังไม่ได้ออกแบบมาให้จุ่มได้ทันที การเปลี่ยนวิธีระบายความร้อนจึงเกี่ยวข้องกับการเลือกฮาร์ดแวร์ แผนผังห้อง อะไหล่ และทักษะของทีมงานทั้งหมด

สิ่งที่น่าจับตาต่อจากนี้

แนวโน้มที่ชัดขึ้นคือดาต้าเซ็นเตอร์จะคิดเรื่องไฟฟ้า น้ำ และความร้อนเป็นระบบเดียวกัน เซิร์ฟเวอร์ที่ประมวลผลได้มากขึ้นย่อมปล่อยความร้อนมากขึ้น หากระบายทิ้งอย่างเดียว ก็เสียทั้งพลังงานและโอกาสใช้ประโยชน์ หากเก็บความร้อนไว้ในวงจรปิดแล้วส่งต่อให้พื้นที่ใกล้เคียงได้ ก็มีโอกาสลดภาระของทั้งศูนย์ข้อมูลและระบบพลังงานเมือง

ถึงอย่างนั้น ความร้อนจากเซิร์ฟเวอร์ไม่ได้เหมาะกับทุกชุมชน พื้นที่ปลายทางต้องมีความต้องการใช้น้ำร้อนสม่ำเสมอ ต้องมีท่อส่งอยู่ไม่ไกลเกินไป และต้องวางระบบสำรองในวันที่ดาต้าเซ็นเตอร์หยุดซ่อม หากไม่มีเครือข่ายรับความร้อนหรืออุณหภูมิไม่ตรงกัน การติดตั้ง heat pump และท่อใหม่อาจใช้เงินสูงจนไม่คุ้ม

ภาพอนาคตจึงไม่ใช่ดาต้าเซ็นเตอร์เลิกใช้แอร์แล้วเอาน้ำจากคอมพิวเตอร์ไปแจก แต่เป็นอาคารคอมพิวเตอร์ที่จัดการความร้อนอย่างเป็นระบบ ของเหลวช่วยรับความร้อนใกล้ชิป วงจรปิดพาความร้อนไปยังเครื่องแลกเปลี่ยน heat pump ปรับระดับอุณหภูมิ แล้วเครือข่ายชุมชนรับพลังงานส่วนนั้นไปใช้อีกทอดหนึ่ง

เมื่อข้อมูลบนคลาวด์ยังต้องทำงานตลอดเวลา ความร้อนที่เกิดขึ้นก็จะไม่หายไปไหน เทคโนโลยีระบายความร้อนรุ่นใหม่จึงไม่ได้มีหน้าที่แค่รักษาเซิร์ฟเวอร์ให้เย็น แต่กำลังเปลี่ยนความร้อนส่วนเกินให้กลายเป็นพลังงานสำหรับอาคารและเมืองที่อยู่รอบตัวด้วย