مقدمه
در دنیای امروز که دادهها ستون فقرات بسیاری از کسبوکارها، خدمات Cloud و سیستمهای بزرگ IT هستند، تقاضا برای سرورها و مراکز داده با توان محاسباتی بالا روز به روز در حال رشد است. این رشد بیسابقه، فشار حرارتی عظیمی بر زیرساخت دیتا سنترها وارد میکند. در عین حال، هزینه و مصرف انرژی توسط سیستمهای خنککننده سنتی (Air-Cooling) تبدیل به چالشی جدی برای اپراتورها شده است.
در چنین شرایطی، سیستم خنکسازی مایع (Liquid Cooling) به عنوان یک راهکار پیشرفته و کارآمد برای مواجهه با این چالش مطرح شده است. در این مقاله، قصد دارم به شکلی دقیق و کاربردی شما را با مفاهیم، مزایا، محدودیتها و روشهای پیادهسازی Liquid Cooling در مراکز داده آشنا کنم — به گونهای که پس از مطالعه، تصویر شفافی از این فناوری و چگونگی استفاده عملی آن در مراکز داده مدرن در ذهن شما شکل بگیرد.
تعریف و تشریح مفاهیم اصلی
دیتاسنتر و نیاز به خنکسازی
دیتاسنتر (Data Center) به مراکزی گفته میشود که سرورها، تجهیزات ذخیرهسازی، شبکه و سختافزارهای مرتبط جمع شدهاند تا خدمات محاسباتی، ذخیرهسازی و شبکه را ارائه دهند. با افزایش تراکم سرورها (به ویژه در کاربردهای Cloud، Big Data، AI و محاسبات سنگین)، مصرف برق و تولید گرما به شدت افزایش مییابد.
براساس گزارشهایی از صنعت، مراکز داده در سطح جهانی تقریباً ۱٪ از کل مصرف برق دنیا را به خود اختصاص دادهاند.
از این میان، بخش زیادی از برق مصرفی — تا حدود ۳۰ تا ۴۰٪ — صرف سیستمهای خنکسازی میشود.
Air Cooling vs Liquid Cooling
● Air Cooling (خنکسازی با هوا): روش سنتی و رایج؛ جایی که با دمندهها و تهویه هوا دمای محیط رکها پایین نگه داشته میشود. در دیتاسنترهای با چگالی پایین (Rack Density کم) مناسب است. اما با افزایش چگالی سرورها (Power Density بالا)، کارایی و راندمان آن کاهش مییابد.
● Liquid Cooling (خنکسازی با مایع): در این روش، از مایعات (معمولا آب یا مایع خنککننده دیالکتریک) برای جذب و انتقال حرارت استفاده میشود. مایع به علت داشتن رسانایی حرارتی بسیار بالاتر از هوا، میتواند به شکل مؤثرتری گرما را از تراشهها، CPU/GPU و سایر قطعات بیرون بکشد.
انواع رایج Liquid Cooling شامل «Direct Liquid Cooling (DLC)»، «Immersion Cooling» و «Cold-Plate Cooling» هستند. هر کدام با توجه به طراحی سرور، چگالی حرارتی و الزامات مرکز داده، میتواند گزینهای مناسب باشد.
چرا Liquid Cooling اکنون مورد توجه قرار گرفته است؟
۱. افزایش چگالی سرورها و بار حرارتی بالا
با رشد کاربردهای AI، Big Data، Cloud و HPC، سرورها به سمت چگالی بالاتر — یعنی Rackهایی با توان چند ده کیلووات — حرکت کردهاند. در چنین شرایطی، Air Cooling عملاً به دلیل محدودیت در انتقال حرارت دیگر کافی نیست.
در واقع، گزارشها نشان میدهند رکهایی با توان ۳۰ تا ۵۰ کیلووات و حتی بیشتر در دیتاسنترهای نسل جدید دیده میشوند — چیزی که بدون Liquid Cooling امکانپذیر نیست.
۲. بهرهوری انرژی و کاهش مصرف برق
با استفاده از Liquid Cooling، انرژی صرفشده برای سیستم خنککننده به شدت کاهش مییابد. برخی منابع گزارش میدهند که استفاده از Liquid Cooling میتواند بخش سرمایش را از ۳۰–۴۰٪ به زیر ۱۰٪ کل مصرف دیتاسنتر برساند.
همچنین، PUE (نسبت کل انرژی مصرفی یک مرکز داده به انرژی مصرفی تجهیزات IT) در دیتاسنترهای مایعخنکشده به مقادیر پایینتر از 1.2 میرسد، در حالی که دیتاسنترهای هواخنک سنتی اغلب PUE بین 1.4 تا 1.6 دارند.
۳. پایداری و کاهش اثرات زیستمحیطی
کاهش مصرف انرژی و به دنبال آن کاهش انتشار گازهای گلخانهای، کاهش مصرف آب (در صورت حذف یا کاهش نیاز به برجهای خنککننده هوا/آب)، و امکان استفاده بهینهتر از انرژی از جمله مزایای زیستمحیطی Liquid Cooling است.
۴. مقیاسپذیری برای آینده (Cloud, AI, HPC)
در عصر Cloud و رشد انفجارگونه هوش مصنوعی، دیتاسنترها همواره زیر فشار افزایش منابع محاسباتی هستند. Liquid Cooling زیرساختی فراهم میکند که امکان افزایش چگالی و مقیاسپذیری را بدون افزایش هزینههای سرسامآور انرژی و خنکسازی میدهد.
طراحی فنی و پیادهسازی Liquid Cooling
در ادامه به مراحل و اجزای فنی مهم در طراحی یک سیستم Liquid Cooling پرداختهام:
اجزای اصلی سیستم
● Cold-Plate یا Heat Sink مستقیم روی CPU/GPU: مایع خنککننده از طریق صفحات فلزی (cold-plate) به سطح تراشه چسبیده و گرما را جذب میکند.
● لولهها و پمپ گردش مایع (Loop): برای جابجایی مایع گرمشده به سمت واحد خنککننده (Chiller) یا مبدل حرارتی.
● مبدل حرارتی / چیلر: گرمای مایع از طریق مبدل به آب سرد یا سیستم تبرید منتقل و مایع دوباره سرد میشود.
● کنترلر دما و مانیتورینگ: به منظور تضمین پایداری دما، نظارت بر جریان مایع، فشار، نشتی و هشدارهای لازم.
● ماژول اتصال به زیرساخت دیتاسنتر: شامل طراحی رکها، کابلکشی، مدیریت کابل و جریان هوا/مایع (Hybrid Cooling اگر نیاز باشد).
انتخاب نوع Liquid Cooling با توجه به نیاز
● Direct Liquid Cooling (DLC): مناسب برای رکهای با چگالی بالا (مثلاً GPU / HPC)، در حالی که نگهداری و ساختار دیتاسنتر همچنان مشابه رک استاندارد است.
● Immersion Cooling: سرورها در مایع خنککننده دیالکتریک غوطهور میشوند. این روش برای چگالی بسیار بالا و کاربردهایی که نیاز به حداکثر کارایی دارند مناسب است.
● Hybrid Cooling (میکس هوا + مایع): در مواقعی که تحت بار متغیر هستیم؛ ترکیب Air و Liquid Cooling برای بهینهسازی انرژی و هزینه.
نکات طراحی زیرساخت
● طراحی مجدد رک و زیرساخت: رکها باید قابلیت حمل مجاری لوله، کوپلینگهای ایمن، و دسترسی برای نگهداری را داشته باشند.
● سیستم تشخیص نشتی و ایمنی: استفاده از حسگرهای فشار، جریان، و ممکن است سیستم قطع خودکار (Shut-off) هنگام بروز نشتی.
● منابع آب سرد یا چیلر پیشرفته: برای سرد کردن مایع خنککننده در مبدل. در برخی طرحها، امکان بازیابی گرمای دفعشده برای کاربردهای دیگر (مثل گرمایش ساختمان) نیز وجود دارد.
● مانیتورینگ و Observability: ادغام با سیستمهای مانیتورینگ دیتاسنتر، ثبت دیتا، هشدار، و امکان DevOps / SRE برای پایش مستمر.
مثال واقعی و سناریوهای کاربردی
سناریوی یک دیتاسنتر Cloud با بار AI
فرض کنید یک دیتاسنتر Cloud قصد اجرای چند صد رک GPU برای آموزش مدلهای هوش مصنوعی را دارد. هر رک با توان ۳۰–۵۰ کیلووات. استفاده از Air Cooling در چنین شرایطی نیازمند سیستمهای عظیم چیلر، جریان هوای زیاد، هزینه برق و خنکسازی بالا و سر و صدای زیاد است.
اگر از Liquid Cooling (DLC) استفاده شود:
● گرمای تولیدی به صورت مؤثر و مستقیم از تراشه دفع میگردد.
● جریان مایع گرما را به سمت مبدل حرارتی میبرد.
● مصرف انرژی خنکسازی به زیر ۱۰٪ کل انرژی دیتاسنتر میرسد.
● PUE دیتاسنتر حول ۱.۱۵–۱.۲ خواهد بود.
نتیجه: هزینه عملیاتی (OPEX) کاهش چشمگیر، امکان مقیاسگذاری بالا بدون نیاز به تجهیزات تهویه بزرگ.
مثال از موسسه مالی
طبق مطالعات در مورد مهاجرت یک موسسه مالی بزرگ به Liquid Cooling (Cold-Plate + DLC): PUE دیتاسنتر از 1.85 به 1.25 کاهش یافت؛ هزینه سالانه انرژی بهمیزان میلیونها دلار کاهش یافت و انتشار CO₂ نیز به شدت کم شد.
مزایا، چالشها و محدودیتها
مزایا
● بهرهوری انرژی بالا و کاهش هزینه برق.
● امکان اجرای سرورهای با چگالی بالا (High-Density) — ایدهآل برای Cloud, HPC, AI
● کاهش اثرات زیستمحیطی (کاهش مصرف انرژی، مصرف آب کمتر، انتشار کمتر CO₂).
● پایداری و مقیاسپذیری زیرساخت — مناسب برای مراکز داده نسل جدید و Cloud-native.
● بهبود شرایط دما و ثبات عملکرد سرورها، افزایش عمر قطعات.
چالشها و محدودیتها
● هزینه اولیه بالا (CAPEX): پیادهسازی Liquid Cooling نیاز به طراحی رک، لولهکشی، مبدل حرارتی دارد که هزینه اولیه را بالا میبرد.
● نگهداری و پیچیدگی عملیاتی: نیاز به نگهداری مایع خنککننده، بررسی نشتی، فیلتراسیون و مدیریت چرخه مایع. در روش Immersion ممکن است تعمیر و نگهداری سرورها سختتر باشد.
● نیاز به تغییر معماری دیتاسنتر: رک، زیرساخت، اتصالات و سیستم مکانیکی باید متناسب با Liquid Cooling طراحی شوند.
● ادغام با سیستمهای مانیتورینگ و Observability: بدون مانیتورینگ دقیق، تشخیص مشکلات جریان مایع یا دما ممکن است دیر انجام شود.
● تهدید به نشتی یا خرابی مایع خنککننده: اگر طراحی یا نگهداری درست نباشد، خطر برای سختافزار ایجاد میشود.
بهترین روشها (Best Practices) برای طراحی و پیادهسازی
1. تحلیل دقیق نیاز حرارتی و بار سرور قبل از تصمیمگیری: مشخص کنید چگالی (kW/rack) چقدر است و آیا Air Cooling کافی است یا Liquid Cooling ضرورت دارد.
2. طراحی رک و زیرساخت با قابلیت Liquid Cooling از ابتدا: اگر از ابتدا Liquid Cooling را لحاظ کنید، هزینه و پیچیدگی به شدت کاهش مییابد.
3. پیادهسازی سیستم مانیتورینگ کامل: نظارت بر دما، فشار، جریان مایع، و هشدار نشتی به صورت Real-time. ادغام با سیستمهای Observability و DevOps (مثلاً Prometheus, Grafana).
4. استفاده از مایع خنککننده مناسب و استاندارد (مثلاً دیالکتریک برای Immersion): مطمئن شوید مایع با اجزاء سرور سازگار است و خطر خوردگی یا ایجاد رسوب ندارد.
5. طراحی چیلر / مبدل حرارتی با کارایی بالا و قابلیت بازیابی حرارت: در صورت امکان، گرمای دفعشده را بازیابی و برای گرمایش ساختمان، آب گرم یا سیستمهای جانبی استفاده کنید.
6. آموزش پرسنل و تدوین پروتکل نگهداری و کنترل نشتی: تیم فنی باید با نگهداری سیستم Liquid Cooling، فیلترها، تعویض مایع و بررسی دورهای آشنا باشد.
7. در نظر گرفتن سناریوی Hybrid Cooling برای بارهای متغیر: در برخی مواقع ترکیب Air + Liquid Cooling میتواند بهترین تعادل بین هزینه و کارایی باشد.
کاربردها در صنعت، شبکه، Cloud و زیرساخت
● مراکز داده Cloud و Hyperscale: ارائهدهندگان خدمات Cloud با تراکم سرور بالا (مثلاً برای خدمات Storage، Virtualization، AI) میتوانند از Liquid Cooling بهره ببرند.
● دیتاسنترهای HPC و AI: مراکزی که ماشینهای GPU، TPU یا سرورهای با توان بالا دارند — جایی که گرمای تولیدی زیاد است.
● Edge Data Centers با فضای محدود: در جایی که فضای فیزیکی کم است ولی نیاز به ظرفیت بالا وجود دارد.
● دیتاسنترهای پایدار سبز (Green Data Centers): در مناطق با آب محدود یا با هدف کاهش انتشار CO₂؛ با Liquid Cooling میتوان مصرف آب و انرژی را کاهش داد.
● زیرساخت شرکتها و مراکز بانکی / مالی: سازمانهایی که به امنیت، عملکرد پایدار و هزینه عملیاتی کم اهمیت میدهند.
جمعبندی
با توجه به رشد بیسابقه فناوریهای مبتنی بر Cloud، AI، Big Data و نیاز روزافزون به سرورهای با چگالی بالا، روش خنکسازی سنتی بر پایه هوا دیگر پاسخگوی نیازهای آینده نیست. Liquid Cooling نه تنها یک گزینه جایگزین نیست، بلکه به سرعت به یک استاندارد برای دیتاسنترهای نسل جدید تبدیل میشود.
مزایای چشمگیر آن — مانند صرفهجویی انرژی، کاهش هزینههای عملیاتی، کاهش اثرات زیستمحیطی و امکان مقیاسپذیری — آن را برای دیتاسنترهایی با بار بالا و متراکم ایدهآل میسازد. در عین حال، چالشهایی مانند هزینه اولیه، پیچیدگی نگهداری و نیاز به زیرساخت مناسب نباید نادیده گرفته شوند.
اگر دیتاسنتری در حال طراحی یا مهاجرت است، توصیه میشود Liquid Cooling را جدی بگیرد و زیرساخت را از ابتدا بر پایه آن طراحی نماید؛ در غیر این صورت ممکن است در آینده با هزینه و پیچیدگی زیاد مواجه شود.
در این میان، شرکت فراز شبکه کارنو البرز با تخصص در طراحی، اجرای استاندارد و هوشمندسازی مراکز داده (Data Center) میتواند گزینهای مناسب برای پیادهسازی این نوع سیستمها باشد. فراز شبکه کارنو با تجربه در راهاندازی زیرساختهای مدرن، ارتقاء دیتاسنترها و در نظر گرفتن نکات امنیت، مانیتورینگ و مقیاسپذیری، آماده ارائه خدمات مشاوره و اجرای پروژه Liquid Cooling به سازمانها و شرکتهایی است که قصد دارند دیتاسنتر خود را به سطح استانداردهای روز جهان برسانند.
پرسشهای متداول (FAQ)
۱. آیا Liquid Cooling برای همه مراکز داده مناسب است؟
خیر. اگر تراکم سرورها (Power Density) پایین باشد و بار کاری سبک باشد، خنکسازی با هوا میتواند کافی و اقتصادیتر باشد. Liquid Cooling بیشتر برای دیتاسنترهای با تراکم و بار بالا مناسب است.
۲. آیا استفاده از Liquid Cooling هزینه زیادی دارد؟
هزینه اولیه (CAPEX) آن معمولاً از Air Cooling بیشتر است؛ اما با کاهش مصرف برق و هزینه خنکسازی، در مدت ۲ تا ۴ سال ROI (بازگشت سرمایه) ممکن است حاصل شود.
۳. خطر نشتی یا آسیب به سختافزار در Liquid Cooling چقدر است؟
در طراحی و نگهداری درست — با استفاده از مایعات مناسب، سیستم مانیتورینگ و تست نشتی — ریسک بسیار پایین است. با این حال، نیاز به نظارت دقیق و پروتکلهای نگهداری است.
۴. آیا میتوان دیتاسنترهای موجود را retrofit کرد؟
بله، ممکن است؛ ولی هزینه و پیچیدگی آن بالا است. اگر از ابتدا Liquid Cooling لحاظ نشود، تغییر زیرساخت و بازسازی رکها و لولهکشی میتواند دشوار باشد.
۵. Liquid Cooling چه تاثیری بر مصرف انرژی و محیط زیست دارد؟
بسیار مثبت — مصرف انرژی برای خنکسازی تا زیر ۱۰٪ کاهش یافته، مصرف آب کمتر میشود و انتشار گازهای گلخانهای کاهش مییابد. این امر به پایداری بیشتر و دیتاسنتر «سبزتر» کمک میکند.