تبريد السوائل في مراكز البيانات ليس مفهوماً جديداً.

يعود هذا المفهوم إلى ستينيات القرن الماضي، حين استُخدم في الحواسيب المركزية لشركة IBM لمعالجة التحديات المرتبطة بتبريد أجهزة الحالة الصلبة (Solid-State Devices)، التي كانت مدمجة بكثافة وتعمل ضمن درجات حرارة تشغيلية منخفضة.
لكن مع إدخال تقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة المكملة (CMOS) في أوائل التسعينيات، تم استبدال تقنية الترانزستورات ثنائية القطب، مما أسهم في خفض استهلاك الطاقة. ونتيجة لذلك، عاد التبريد بواسطة تيار الهواء القسري ليُعتمد كخيار افتراضي لتبريد معدات تكنولوجيا المعلومات.

لا يزال التبريد بالهواء هو السائد في مراكز البيانات، إلا أن استخدام تبريد السوائل أصبح أكثر شيوعًا في مجالات مثل ألعاب الفيديو، وتعدين العملات الرقمية، وتطبيقات الحوسبة عالية الأداء (HPC)، والتي تتطلب قدرات حسابية أعلى باستخدام خوادم متخصصة.

ومع ذلك، لم يتم بعد اعتماد تقنيات تبريد السوائل على نطاق واسع في صناعة مراكز البيانات، ويرجع ذلك إلى أن متطلبات المعالجة لا تزال تُلبّى من خلال زيادة عدد الأنوية المنطقية ضمن حدود الطاقة المقبولة. بالإضافة إلى الطبيعة المحافظة لهذه الصناعة، والتي تتبنى التقنيات والهياكل الجديدة بوتيرة بطيئة.

هناك نوعان رئيسيان من تقنيات التبريد بالسائل:

1. التبريد المباشر إلى الشريحة (Direct-to-Chip)، والذي يُعرف أحيانًا باسم اللوح البارد (Cold Plate)
2. التبريد بالغمر (Immersion Cooling)

ومن هاتين الفئتين، تُشتق خمس طرق رئيسية لتبريد السوائل، موضحة في الشكل أدناه.

التبريد بالسائل المباشر إلى الشريحة – طور مفرد (Single-phase)

في طريقة التبريد المباشر إلى الشريحة، يتم توجيه السائل المبرد مباشرة إلى المكونات الأكثر حرارة (المعالجات أو بطاقات الرسومات) مع وجود لوح بارد على الشريحة داخل الخادم. لا تتلامس المكونات الإلكترونية لتكنولوجيا المعلومات بشكل مباشر مع السائل المبرد (انظر الشكل 2). كما تتضمن بعض التصاميم ألواحًا باردة حول وحدات الذاكرة.
في هذه الطريقة، لا يزال هناك حاجة إلى المراوح لتوفير تدفق الهواء داخل الخادم لإزالة الحرارة المتبقية. هذا يعني أن البنية التحتية التقليدية للتبريد الهوائي تقل، لكنها ما تزال ضرورية.

يمكن استخدام الماء أو السائل العازل (ديالكترك) كسائل مبرد للألواح الباردة. استخدام الماء يشكل خطر توقف النظام في حال حدوث تسرب، ولكن هناك حلول مثل أنظمة منع التسرب (LPS: Leak Prevention Systems).

المقصود بـ «طور مفرد» هو أن السائل لا يغير حالته الفيزيائية أثناء إزالة الحرارة. في طريقة التبريد المباشر إلى الشريحة، يُستخدم بشكل رئيسي سائل مبرد مائي بنظام الطور المفرد، لكن بعض التصاميم تستفيد أيضًا من سوائل عازلة مهندَسة خصيصًا.

تبريد السائل المباشر إلى الشريحة – بنظام الطور المزدوج

تشبه هذه الطريقة الطريقة السابقة، إلا أن السائل المستخدم في نظام الطور المزدوج يمر بتغير في الحالة الفيزيائية، حيث يتحول من السائل إلى الغاز خلال عملية إزالة الحرارة. يُعتبر نظام الطور المزدوج أكثر فعالية في تبديد الحرارة مقارنةً بنظام الطور المفرد، إلا أنه يتطلب وجود ضوابط إضافية لضمان أداء النظام بشكل صحيح.
في نظام التبريد المباشر بالسائل إلى الشريحة بنظام الطور المزدوج، يُستخدم سائل عازل مهندَس خصيصًا، مما يلغي خطر تلامس الماء مع معدات تكنولوجيا المعلومات.
يمكن لبخار السائل العازل أن يُنقل إلى المكثف الخارجي للتخلص من الحرارة المتولدة (انظر الشكل 4).

التبريد بالسائل بالغمر – هيكل تكنولوجيا المعلومات – طور مفرد (Immersive liquid cooling – IT chassis – single-phase)

في نظام التبريد بالسائل بالغمر، يكون السائل المبرد على تماس مباشر مع المكونات الإلكترونية لتكنولوجيا المعلومات. تُغمر الخوادم كليًا أو جزئيًا في سائل عازل ديالكترك يغطي اللوحات والمكونات، ويضمن إزالة جميع مصادر الحرارة. تستخدم هذه الطريقة سائل عازل بنظام الطور المفرد.
في أنظمة التبريد بالسائل بالغمر، يمكن إزالة جميع المراوح الموجودة في الخادم. توضع المكونات الإلكترونية في بيئة تستجيب ببطء للتغيرات الحرارية الخارجية، مما يحميها من تأثير الرطوبة والملوثات. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي غياب المراوح إلى تشغيل شبه صامت للنظام.

يوضح الشكل 5 نهج هيكل تكنولوجيا المعلومات بنظام الطور المفرد في أنظمة التبريد بالسائل بالغمر. في هذه الطريقة، يُوضع الخادم داخل هيكل مختوم، ويمكن تركيبه كخادم مدمج في رف تكنولوجيا المعلومات أو كمعدات مستقلة. تُبرد المكونات الإلكترونية بواسطة سائل عازل يمكن أن يعمل بشكل سلبي عبر التوصيل والحرارة الطبيعية، أو بشكل نشط من خلال الحمل القسري، أو باستخدام مزيج من الطريقتين. كما يمكن تركيب المبادلات الحرارية والمضخات داخل الخادم أو في إعداد جانبي، بحيث تُنقل الحرارة من السائل العازل إلى الحلقة المائية.

التبريد بالسائل بالغمر – الحوض – طور مفرد (Immersive liquid cooling – Tub – single-phase)

في طريقة الحوض (المعروفة أيضًا بالحمام المفتوح)، تُغمر معدات تكنولوجيا المعلومات بالكامل في السائل المبرد. في رفوف تكنولوجيا المعلومات التقليدية، تُرتب الخوادم أفقيًا من الأسفل إلى الأعلى داخل الرف. ولكن باستخدام طريقة الحوض، تشبه هذه الطريقة وضع رف تقليدي للخوادم بشكل أفقي. بدلاً من سحب الخوادم في مستوى أفقي، يتم سحب خوادم الحوض الغاطسة في مستوى عمودي.

في كثير من الحالات، تشمل هذه الطريقة مصادر طاقة مركزة لتزويد جميع الخوادم داخل الحوض بالطاقة. تُنقل الحرارة الموجودة في السائل العازل عبر مبادل حراري باستخدام مضخة أو بواسطة الحمل الطبيعي إلى حلقة مائية. غالبًا ما يستخدم في هذه الطريقة سائل عازل قائم على الزيت. قد يتم تركيب المبادل الحراري داخل الحوض أو خارجه.

التبريد بالسائل بالغمر – الحوض – طور مزدوج (Two-phase)

تمامًا كما في طريقة الحوض ذات الطور المفرد، تُغمر معدات تكنولوجيا المعلومات بالكامل في السائل العازل. الاختلاف هنا هو استخدام سائل تبريد عازل ذو طورين. وهذا يعني أنه أثناء عملية إزالة الحرارة، يتغير السائل من حالة إلى أخرى، أي من سائل إلى غاز. نظرًا للتغير في الطور المطلوب، يجب أن يكون هذا السائل من نوع مهندَس خصيصًا.