DE202004003309U1

DE202004003309U1 - Cluster-Kühlung

Info

Publication number: DE202004003309U1
Application number: DE202004003309U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2014-03-02

Abstract

Anordnung mit einem oben, unten und an den Seiten geschlossenen doppelwandigen Gehäuse, in dem elektronische Bauteile untergebracht sind und durch dessen perforierte Frontseite Kaltluft eingesaugt wird, die die zu umströmenden elektronischen Bauelemente kühlt, wobei die durch die Kühlung erwärmte Abluft mit Hilfe von Ventilatoren, die an der Rückwand des Gehäuses angebracht sind, nach außerhalb des Gehäuses abgegeben wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Warmluft in einem an der Rückwand des Gehäuses angebrachten Sammelbehälter gesammelt durch eine oder mehrere Öffnungen in diesem Behälter ab- bzw. weitergegeben wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die effiziente und energiesparende Kühlung von modernen luftgekühlten Cluster-Super-Computern.
Klassische Supercomputer wurden seit je her mit Flüssigkeit gekühlt. Freon bei hohen Minusgraden wurde von Cray Research verwendet, um die Vektor-Supercomputer in den 80er und 90er Jahren zu kühlen. Die CMOS-Technologie machte es Anfang der 90er Jahre möglich Vektor-Supercompter auch mit Luft zu kühlen, die Firmen Fujitsu und NEC haben sich mit diesen Systemen bis über die Jahrtausendwende hinweg durchgesetzt.
Auch moderne Parallelrechner werden immer leistungsfähiger. Das sogenannte "Clustern" von baugleichen Motherboards mit einem und mehreren Prozessoren auf einer einzigen Platine und künftig auf einem einzigen Chip wird in Zukunft die hohen in Technik und Wissenschaft geforderten Rechenleistungen zu einem erschwinglichen Preis möglich machen. Zentraler Punkt bei solchen Rechenanlagen ist nach wie vor das Thema einer modularen und kompakten Bauform, bei gleichzeitig ausreichender Kühlung von großen Rechenclustern. Beides sind sich widersprechende Forderungen, weshalb die hier vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird.
Stand der Technik
Der einschlägige Stand der Technik beschreibt Rechnersysteme, die auf einem Doppelboden aufgestellt werden und eine generelle Kühlung durch die Wärmeabfuhr der in einem Rechenzentrum durch die Rechner erwärmte Luft mittels eines Kühlkreislauf und angeschlossenem Wärmetauscher einer Kälteanlage erfahren, die die erwärmte Luft im Rechnerraum mit Hilfe von einem geschlossenen Kühlkreislauf über Kondensatoren, die das Kältemittel in einem geschlossenen Kühlkreislauf entspannen, abkühlt. Die dabei vom geschlossenen Kühlkreislauf aufgenommene Wärme wird nach Kompression des Kühlmittels mit Hilfe eines sich ausserhalb des geschlossenen Rechnerraumes befindlichen Wärmetauschers wieder abführt. Im Rechnerraum wird die erwärmte Luft, die sich an der Decke des Rechnerraums sammelt, in die oberen Lufteinführungskanäle mit Hilfe von Ventilatoren an und über den Kondensator gesaugt, und anschliessend die somit erzeugte Kaltluft in einen Doppelboden geblasen und dem Rechnerraum von unten durch Lüftungsschlitze wieder zuführt. Bei dieser Kühlmethode wird die durch die Geräte erwärmte Raumluft als ganzes abgekühlt und den zu kühlenden Geräten eher weniger gezielt wieder zugeführt. Genaue Stömungsberechnungen werden bei dieser Methode nicht gemacht, was dazu führen kann, daß die warme Luft an der Decke nur relativ ungezielt angesaugt und die Kaltluft nur über nach Gutdünken angeordnete Lüftungsschlitze wieder zugeführt wird. Eine an jeder Stelle im Rechnerraum gezielte Kühlung ist deshalb nicht sichergestellt, weil Verwirbelungen dafür sorgen können, daß bestimmte die Luft in bestimmten Teil-Räumen ständig zirkuliert ohne abgeführt zu werden (Strudeleffekt schnell fliessender Gewässer), was zu einer Überhitzung des betreffenden Teil-Raumes führt. Befinden sich in eben diesem Raum zu kühlende Geräte, steht diesen Geräten zur Kühlung nur warme Luft zur Verfügung, wodurch diese überhitzt werden können. Da solche Räume nur mit Hilfe aufwändiger Simulationsrechnungen ermittelbar sind, der Rechenaufwand mit seinen Kosten jedoch noch in keinem Verhältnis zum Nutzen steht, werden solch komplexe Strömungssimulationen für Rechenzentren derzeit noch nicht durchgeführt. Im übrigen müsste immer dann, wenn auch nur ein kleiner Teil der Geräteaufstellung verändert wird, auch eine neue Strömungssimulation gemacht werdem, die im Zweifel eine Neuanordnung der Klimaschränke für ein optimiertes Ansaugen der Warmluft zur Folge hätte, was unverhältnismässig hohe Kosten bedeuten würde.
Darstellung der Erfindung
Aus dem oben letzgenannten Grund schlägt die Erfindung einen Weg vor, einen Großteil der durch einen Großrechner erzeugte Wärme gezielter abzuführen, als dies heute der Fall ist.
Ziel der Erfindung ist es durch eine Kombination der beiden Prinzipien des Kühlens mit Luft und einer zentralen Absaugvorrichtung die erwärmte Luft so gezielt zu führen, dass in erster Linie nur die zu kühlenden Geräte von der Kaltluft umströmt werden und die Kaltluftzufuhr nicht willkürlich, sondern gezielt erfolgt. Zu diesem Zweck wird das Gesamtsystem so gebaut, daß an einer zentralen Stelle die Luft gesammelt und abgeführt oder abgesaugt werden kann. Dies geschieht dadurch, dass das gesamte Computersystem eine Form hat, die alle Öffnungen zum Absaugen der durch die Computerelektronik erwärmeten Luft in einem im Gehäuse zentral gelegenen Raum zusammenführt, quasi sammelt, und dann insgesamt abführt. Erreicht wird dies durch eine Anordnung der Computersysteme zum Beispiel im Kreis, Rechteck oder Viel-Eck, je nachdem, wie groß das gesamte Computersystem, welches sich wiederum aus kleineren, beispielsweise quaderförmigen Rechnerschrank-Baugruppen, sogenannten "Nestern" zusammensetzt, dimensioniert ist. Diese Ansammlung von Nestern wird im folgenden "Horst" genannt. Dieser Horst besitzt einen Innenraum, der von Nestern bis auf eine oder wenige Öffnungen vollständig eingeschlossen ist und nach oben oder zur Seite eine Öffnung oder Öffnungen hat, durch die die erwärmte Luft komplett abgeführt wird.
Die Kaltluft wird dabei an den Frontseiten der Nester angesaugt, gezielt über die in den Nestern angeordneten und zu kühlenden Bauelemente – Motherboards, Speicherplatinen, Leiterplatten und Platinen, Festplatten, Netzteile, sowie I/O-und Netzwerk-Controllern – geleitet und in den Innenraum des Horstes gedrückt, wo sie dann zentral abgeführt wird. Die Luftzirkulation wird dabei durch Ventilatoren erzwungen, die an den Rückwänden der Nester, bzw. an der Rückwand des Innenraumes des Horstes angebracht sind und die erwärmte Luft in den Innenraum des Horstes zwingen.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Die vorteilhafte Wirkung ist, daß die im Rechnerraum vorhandene Kaltluft ausschliesslich in bzw. über die zu kühlenden elektronischen Geräte eingeführt wird, was eine deutlich effizientere Nutzung der Kaltluft ermöglich und mit deutlich weniger elektrischem und mechanischem Kühlaufwand und Kühlverlusten verbunden ist. Die Kaltluft strömt nur da, wo sie auch gebraucht wird, was zusätzlich eine deutliche Reibungsverlustminderung bedeutet. Des weiteren werden mit dieser Methode Wärmestaus im Rechenzentrumsraum vermieden, die punktuell in Rechenzentren zum Defekt von immer den gleichen Teilen an immer derselben Stelle führen können. In unserem Fall wird ausschließlich die erwärmte Luft ohne Ausnahme gesammelt und komplett nach ausserhalb des Rechnerraums abgeführt oder der im Rechnerraum befindlichen Kältemaschine komplett gesammelt gezielt zugeführt. In herkömmlichen Rechnezentren kann es dazu kommen, daß die Ventilatoren der Kondensatoren unter Umständen, durch Wirbeleffekte verursacht, auch die bereits erzeugte Kaltluft wieder ansaugen, das die Wärmeabfuhr vermindert und punktuell an anderen Stellen zu Wärmestaus führt.
Ein positiver Nebeneffekt der Anordnung ist, daß der Horst mit angeschlossener Absaugvorrichtung wie ein Schalldämpfer wirken kann, wenn er entsprechend ausgeführt wird, und den Lärmpegel in einem Rechenzentrum allein dadurch enorm senkt, daß die die Warmluft ansaugenden Lüfter sich im Innern des Horstes befinden und nicht wie bei herkömmlichen Rechnersystemen an der Rückseite oder an der Vorderseite der Rechnerschränke.
Beschreibung eines Weges zur Ausführung der Erfindung
Eine mögliche Ausführung der Erfindung wird in Zeichnung 1 / 5 und 2 / 5 dargestellt. In einem Rechnerraum (1) wird ein doppelwand-zylinderförmig geformtes Rechnergehäuse (2) – "Horst" genannt – aufgestellt, welches an der Frontseite (3) kleine gezielt angeordnete Lufteinlassöffnungen (4) besitzt, durch die die Kühlluft an-, beziehungsweise in das Gehäuse eingesaugt wird und über die Computer-Motherboards (5) Richtung Innenwand (6) des Doppelwand-Zylinders strömt. Die Innenwand umschliesst den zylindrischen Hohlraum (7) des Horstes. Das Doppelwand-Zylinder-Gehäuse ist oben und unten durch entsprechende Abdeckplatten (8) und (9) geschlossen, wobei die obere Abdeckplatte (8) in der Mitte einen kreisförmigen Ausschnitt (10) hat. An der Innenwand (6) des Zylinders (2) befinden sich Lüfter (11), die relativ gleichmässig verteilt die Zylinderinnenwand (6) bestücken. Diese Lüfter drehen so, dass die Luft durch das Gehäuse (2) in die zylindrische Mitte (7) des Horstes (2) gezogen wird.
Der dadurch in der Mitte (7) entstehende Druck zwingt die Luft durch die Öffnung (10) in einen Luftablasskanal (12), der die abzuführende Warmluft entweder durch einen Auslass (13) nach ausserhalb des Rechnerraumes abführt oder alternativ gezielt Kondensatoren (16) eines geschlossenen Kühlkreislaufs zuführt. Ein zentraler Ventilator (15) hilft dabei den Luftstrom durch den Auslass zu treiben. Unter Umständen ist es nötig im Horst einen Luftzuführungs-Schacht (14) vorzusehen, der für eine zusätzliche Vertikalströmung im Innenraum (7) sorgt. Sofern die erwärmte Luft nach ausserhalb des Rechnerraumes abgegeben wird, muss dem Rechnerraum Frischluft von aussen über eine Öffnung im Rechnerraum zugeführt werden. Diese Luftzufuhr besitzt einen Filter (17) und einen Kondensator (16), um je nach Bedarf im Sommer die zugeführte Luft zu kühlen. In diesem Fall kann der Kondensator deutlich kleiner ausfallen, als im Fall des geschlossenen Kühlkreislaufs, da die durch den Rechner erwärmte Luft komplett aus dem Rechnerraum abgeführt wird und die zugeführte Frischluft nur vorgekühlt werden muss. Im Winter und in den Übergangszeiten braucht dieser Kondensator überhaupt nicht eingestzt werden, da die Aussentemperatur reicht, um die elektronischen Bauelemente zu kühlen. Drei andere mögliche Ausführungen des Horstes mit einer aufeinander- und aneinander gestellten Anordnung von gleichen Teil-Baugruppen (Nestern) werden in Zeichnung 3 / 5, 4 / 5 und 5 / 5 dargestellt. Der Strömungsverlauf ist in den Zeichnungen durch die Pfeile (19) gekennzeichnet. In Zeichnung 5/5 werden die Zwischenräume der quadratisch ausgeführten Nester mit Frontplatten (20) verschlossen.
Zusammenfassung
Rechenanlagen mit Luftkühlung wurden in der Vergangenheit nur unvollständig gezielt gekühlt. Die vorliegende Erfindung schlägt einen Weg vor, insbesondere große Cluster-Computer, die prinzipiell eine stereotype Bauform haben und luftgeühlt werden, kompakt unterzubringen und gezielt zu kühlen. Dies verringert Reibungsverluste und ermöglicht eine effizientere Kühlung als die des klassischen Doppelboden/Wärmetauscherprinzips.

Claims

Anordnung mit einem oben, unten und an den Seiten geschlossenen doppelwandigen Gehäuse, in dem elektronische Bauteile untergebracht sind und durch dessen perforierte Frontseite Kaltluft eingesaugt wird, die die zu umströmenden elektronischen Bauelemente kühlt, wobei die durch die Kühlung erwärmte Abluft mit Hilfe von Ventilatoren, die an der Rückwand des Gehäuses angebracht sind, nach außerhalb des Gehäuses abgegeben wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Warmluft in einem an der Rückwand des Gehäuses angebrachten Sammelbehälter gesammelt durch eine oder mehrere Öffnungen in diesem Behälter ab- bzw. weitergegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossenen Seiten des Gehäuses sich zu einem Kreis schliessen und somit einen doppelwandigen Zylinder bilden.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Luftsammel-Kasten an der Rück- bzw. Innenwand geometrisch so ausgeführt ist, daß er eine den Schall der Ventilatoren dämpfende Eigenschaft hat.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Öffnung des Kastens über die Luftabsaugleitung mit einer Kältemaschine eines geschlossenen Kühlkreislaufs verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluftvorrichtung mit einer Öffnung nach ausselhalb des Rechnerraums verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluftvorrichtung einen zusätzlichen zentralen Ventilator hat.
Anordnung nach den Ansprüchen 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im unteren Bereich der Anordnung einen zusätzlichen Schacht zur Luftzufiuhr aufweist, durch dessen Einlass zusätzliche Luft in den Innenraum des Luftsammelbehälters einströmt, die mit Hilfe des sich bildenden Vertikalstroms die Abfuhr der Warmluft unterstützt.