СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ Российский патент 2025 года по МПК G06F1/20 H05K7/20 F24H1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленное изобретение относится к системам, включающим электронные устройства, используемые для высокопроизводительных вычислений, теплосъем (охлаждение) в которых осуществляется через водоблоки (гидроблоки), либо аналогичную конструкцию, позволяющую посредством пропускания через устройство охлаждающей воды производить охлаждение.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Основными типами используемого охлаждения являются иммерсионное и воздушное охлаждение.

Иммерсионное охлаждение - это система теплоотвода, которая заключается в погружении аппаратного обеспечения - в данном случае майнеров ASIC - в ванну, наполненную специальными диэлектрическими жидкостями - например, минеральными маслами - которые проводят тепло, но не электричество.

Эти жидкости поглощают тепло, производимое ASIC, и рассеивают его двумя возможными способами в зависимости от типа используемой диэлектрической жидкости:

- Однофазный: Система перекачивает нагретую жидкость в теплообменник - устройство, передающее тепло между двумя жидкостями. Затем теплообменник передает тепло от жидкости в контур холодной воды и возвращает охлаждающую жидкость в ванну, возобновляя процесс.

- Двухфазный: Другие охлаждающие жидкости испаряются при достижении определенной температуры. В этом методе, когда охлаждающая жидкость переходит в газообразное состояние, газ поднимается вверх, встречает конденсатор - используемый для превращения газообразного вещества в жидкую форму путем охлаждения - и капает обратно в бассейн. Затем конденсатор выпускает тепло через воздух.

В обоих случаях погружные жидкости отводят тепло от ванны, поддерживая низкую температуру майнеров ASIC эффективным и энергосберегающим способом.

Установка для иммерсионного жидкостного однофазного охлаждения устройств для майнинга криптовалюты, известна из патента на полезную модель (см. RU181944U1, опубл. 30.07.2018). В качестве электронных устройств для добычи криптовалюты могут быть использованы майнинг фермы, собранные из видеокарт или ASIC. Установка для иммерсионного жидкостного однофазного охлаждения устройств для майнинга криптовалюты содержит герметичный резервуар с установленными в нем устройствами для майнинга криптовалюты, заполненный охлаждающей жидкостью и снабженный впускным и выпускным патрубками, сообщающимися посредством трубопровода с насосом и теплообменником, при этом в качестве охлаждающей жидкости используют гидрофобную инертную силиконовую жидкость с кинематической вязкостью 5-200 мм2/с при температуре 25°С с добавлением антистатической присадки.

Также известна кипящая иммерсионная ванна для охлаждения вычислительного оборудования (см. RU2791064C1, опубл. 02.03.2023). Ванна для охлаждения включает емкость, заполненную низкокипящей жидкостью, в которую погружено охлаждаемое оборудование, крышку, накрывающую указанную емкость и объем, заполненный высококипящей жидкостью, препятствующей выходу паров низкокипящей жидкости в окружающую среду. Емкость для размещения охлаждаемого оборудования выполнена двустенной, высококипящая жидкость помещена в зазор между стенками, а крышка выполнена в виде колпака, юбка которого погружена в жидкость в указанном зазоре. Для предотвращения утечки паров низкокипящей жидкости используется запирающий слой высококипящей жидкости, но в теплообменнике охлаждают не высококипящую жидкость, а только пары низкокипящей жидкости.

Недостатком указанных аналогов является следующее:

- Стоимость установки установок для иммерсионного майнинга является экономически дорогой.

- Высокая стоимость диэлектрической жидкости.

- Модификация оборудования для погружного охлаждения требует понимания как используемой жидкости, так и используемых майнинговых установок, поскольку некоторые жидкости могут лучше работать с одними установками, чем с другими, и наоборот.

- Также следует убедиться не только в совместимости жидкости с предлагаемым оборудованием, но и в совместимости встроенного программного обеспечения, работающего на этом оборудовании.

- Без предварительного исследования совместимости жидкости, микропрограммы и аппаратного обеспечения ASIC может не работать после погружения в воду.

Майнинговые установки также проектируются с высокоскоростными вентиляторами, нагнетающими воздушный поток на внутренние компоненты ASIC для активного охлаждения хэшбордов - компьютерных чипов, которые день и ночь хэшируют, чтобы решить вышеупомянутую сложную вычислительную задачу.

Недостатки:

Воздушное охлаждение

- Размеры, электропотребление систем вентиляции.

- Повышенный уровень шума при работе.

- Повышенная чувствительность к температуре окружающего воздуха;

- Высокое количество отключений оборудования из-за его перегрева и работы на предельных значениях.

- Низкая эффективности охлаждения.

Преимущества водяного охлаждения:

- Имеются заводские решения ASIC, предназначенных для водяного охлаждения.

- Помогает предотвратить перегрев ASIC, что позволяет им работать на максимальном уровне производительности.

- Водяное охлаждение позволяет достичь энергоэффективности в работе ASIC. За счет более эффективного отвода тепла, ASIC требуют меньше энергии для охлаждения, что позволяет сэкономить на энергозатратах в долгосрочной перспективе.

- Лишены недостатка в виде шума в помещении. На устройствах абсолютно нет кулеров.

- Работают на заводском ПО либо кастомном.

- Вода имеет более высокую теплоёмкость - примерно вдвое выше, чем у диэлектрических масел, что позволяет ей абсорбировать больше тепла на единицу объёма при небольших расходах.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной созданием системы эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений, которая обеспечивает максимальный теплообмен с наименьшим потреблением электроэнергии.

Техническим результатом изобретения является повышение теплообмена с наименьшим потреблением электроэнергии оборудования для высокопроизводительных вычислений.

Технический результат достигается посредством создания системы эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений, состоящей из стеллажа и трубопроводной системы, при этом установка содержит по меньшей мере одну секцию для размещения оборудования для высокопроизводительных вычислений, включающая гидроблоки, которые подключены к водоисточнику через подводящий трубопровод для заполнения водой и нагнетания необходимого давления для обеспечения необходимого расхода охлаждающей воды для устройств майнинга криптовалюты.

Система эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений, характеризуется тем, что каждый гидроблок содержит раздающие трубопроводы, водораспределительные подающие трубопроводы, водораспределительные подающие коллекторы, содержащие запорные арматуры, предназначенные для включения и отключения подачи охлаждающей воды на каждую единицу оборудования для высокопроизводительных вычислений, водосборные отводящие трубопроводы и водосборные трубопроводы, при этом трубопроводы размещены таким образом, чтобы каждая единица оборудования для высокопроизводительных вычислений соприкасалась с охлаждающим трубопроводом.

В предпочтительном варианте выполнения на входе каждого водораспределительного коллектора имеется запорный кран, отсекающий его полностью.

В предпочтительном варианте выполнения на распределительные подающие трубопроводы установлены сбросные клапаны.

В предпочтительном варианте выполнения система снабжена водосборными отводящими коллекторами, включающими в себя запорные арматуры.

В предпочтительном варианте выполнения водосборные отводящие коллекторы имеют запорные краны, отсекающий их полностью.

В предпочтительном варианте выполнения водосборные отводящие трубопроводы и водосборные трубопроводы соединены с отводящим трубопроводом, соединенным с устройством охлаждения или вторичного использования в качестве источника горячей воды.

В предпочтительном варианте выполнения гидроблоки выполнены в виде радиаторов П-образной формы.

В предпочтительном варианте выполнения каждый гидроблок содержит предохранительные клапаны, установленные на входе и выходе гидроблока.

В предпочтительном варианте выполнения каждый гидроблок содержит датчики контроля давления, установленные на входе и на выходе каждого гидроблока.

Система позволяет осуществлять циркуляцию охлаждающей воды по горячим поверхностям одновременно множества устройств для высокопроизводительных вычислений, например для майнинга (фермы, собранные из видеокарт или ASIC) с последующим отводом тепла в теплообменном оборудовании, при этом поддерживаются рабочие температурные режимы работы оборудования, обеспечивается возможность установки большого количества устройств в объемах меньшего пространства с большей эффективностью теплообмена. Также достигается минимизация количества отключения оборудования из-за его перегрева и работы на предельных значениях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 - общий вид системы эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений без оборудования

Фиг.2 - общий вид секций системы эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений с оборудованием.

Фиг.3 - вид спереди гидроблока системы эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений;

Фиг.4 - вид сбоку гидроблока системы эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений;

Фиг.5 - гидравлическая схема системы эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений.

Позиции на фиг.1,2 обозначают следующее:

1-подводящий трубопровод;

2-раздающий трубопровод;

3-водораспределительные подающие трубопроводы;

4-водораспределительный подающие коллекторы;

5-запорная арматура на подаче охлаждающей воды;

6-запорный кран водораспределительного подающего коллектора;

7-сбросные клапаны;

8-водосборные отводящие коллекторы;

9-запорная арматура на отводе охлаждающей воды из устройств;

10- запорный кран водосборного отводящего коллектора;

11-водосборные отводящие трубопроводы;

12-водосборные трубопроводы.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративный материал частного случая его реализации.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявленная система эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений состоит из стеллажа, трубопроводной системы, запорной арматуры, водораспределительных коллекторов с узлами включения и отключения охлаждающей среды к устройствам для высокопроизводительных вычислений, например для майнинга (фермы, собранные из видеокарт или ASIC) и предохранительных устройств для системы охлаждения.

Система может использоваться для серверных устройств для виртуализации - данные технологии обеспечивают создание виртуальных рабочих компьютеров на одном физическом сервере, что позволяет нескольким пользователям использовать одно устройство, обладающее техническими возможностями для высокопроизводительных вычислений. Необходимость использования данного типа оборудования обуславливается уменьшением времени простоя серверного оборудования так же обеспечивается быстрое восстановление после сбоев и устранение простоев серверов, что позволяет снизить затраты на резервирование дополнительных серверов и обеспечивает высокую доступность приложений. Еще одной особенностью является увеличение безопасности данных. Виртуализация помогает предотвратить потерю данных и недоступность сервисов, обеспечивая устойчивость к отказам оборудования и возможность бэкапирования данных.

Система также может использоваться для серверных устройств для вычислительных кластерных комплексов - технологии используются с целью получения быстрых результатов при расчетах используемых серверных узлов. Принцип работы вычислительных кластерных комплексов основан на разделении вычислительных задач на несколько параллельно выполняемых операций, между которыми осуществляется координация и обмен данными.

Типовыми задачами для вычислительных кластеров являются моделирование сложных физических процессов и химических реакций, обработка цифровых сигналов для, визуализации принимаемых данных, проведение математических и финансовых анализов.

Система охлаждения подключается к водоисточнику через подводящий трубопровод 1 (насосные агрегаты либо напорные трубопроводы подачи воды) для заполнения водой и нагнетания необходимого давления для обеспечения необходимого расхода охлаждающей воды для устройств майнинга (добычи) криптовалюты. Далее охлаждающая вода через раздающие трубопроводы 2 и водораспределительные подающие трубопроводы 3 поступает в водораспределительные подающие коллекторы 4 в составе которой имеются запорные арматуры 5, предназначенные для включения и отключения подачи охлаждающей воды на каждую единицу устройств майнинга (добычи) криптовалюты. Также на входе каждого водораспределительного коллектора 4 имеется запорный кран 6, отсекающий его полностью.

В целях недопущения превышения давления выше допустимых на распределительные подающие трубопроводы установлены сбросные клапаны 7.

После прохождения через устройства высокопроизводительных вычислений, например для майнинга (добычи) криптовалюты горячая вода направляется в водосборные отводящие коллекторы 8 включающие в себя запорные арматуры 9. Аналогично водораспределительным подающим коллекторам водосборные отводящие коллекторы 8 также имеют свои запорные краны 10, отсекающий их полностью. Далее горячая вода через водосборные отводящие трубопроводы 11 и водосборные трубопроводы 12 поступает в отводящий трубопровод по которой направляется для дальнейшего охлаждения (теплообменник, или аналогичное устройство), либо для вторичного использования в качестве источника горячей воды. На входе и выходе из каждого гидроблока установлен предохранительный клапан. Также гидроблоки могут быть снабжены датчиками давления на входе и выходе каждого гидроблока.

Хладогент из водораспределительных подающих коллекторов поступает через быстросъемные соединения в П-образной радиатор первой секции для высокопроизводительных вычислений, например «хэш-платы». Через соответствующие выносные трубки обеспечивается проток хладогента через радиаторы последующих «хэш-плат». Хладогент, через П-образный канал на радиаторе, помогает обеспечивать теплосъем с его площади и унося подогретую среду, проходящую через радиаторы в водосборные отводящие трубопроводы. Исходя из паспортных характеристик через ASIC необходимо обеспечить расход охлаждающей жидкости равный 8-10 л/мин, что обеспечивается данной системой охлаждения и является достаточным для охлаждения оборудования. Площадь «чипа» составляет 49мм2=7ммх7мм, количество «чипов» на одной «хэш-плате 216 шт. количество «хэш-плат» 3шт. в приборе, соответственно площадь соприкосновения с охлаждающей поверхностью равна количеству «чипов».

В настоящее время для отвода тепла от установок, включающих электронные устройства для добычи криптовалюты, наиболее часто используется воздушное охлаждение.

Преимуществом водяного охлаждения является то, что оно намного эффективнее воздушного, особенно относительно устройств для майнинга. Это связано с тем, что вода обладает гораздо более высокой теплопроводностью, чем воздух, что позволяет ей передавать тепло гораздо быстрее и эффективнее.

Теплопроводность воздуха 0.022 Вт\м К, а теплоемкость 1 кДж\кг К для сравнения у воды 0.6 Вт\м К, и 4.2 кДж\кг. Таким образом, теплопроводность воды выше в 27.3 раза, а теплоемкость в 4.2 раза, соответственно получаем, что вода в 115 раз эффективнее в качестве теплоносителя.

Так как теплоемкость считается в расчете на килограмм, а если учесть плотность воздуха 1.3 кг/м куб, то получается, что 1 литр воды заменит 88550 литров воздуха. Как следствие, в случае воздушного охлаждения, для охлаждения большого количества устройств, работающих одновременно и установленных в пределах одного помещения, необходимы большие площади помещений и особый состав вентиляционного оборудования, что ведет к неэффективному использованию рабочего пространства, а также к сложности обеспечения рабочих температур охлаждения устройств для добычи криптовалюты.

Система позволяет осуществлять циркуляцию воды по горячим поверхностям одновременно множества устройств для майнинга (фермы, собранные из видеокарт или ASIC) и отвод тепла в теплообменном оборудовании, при этом поддерживаются рабочие температурные режимы работы оборудования, обеспечивается возможность установки большого количества устройств в объемах меньшего пространства с большей эффективностью теплообмена. Также достигается минимизация количества отключения оборудования из-за его перегрева и работы на предельных значениях.

В качестве электронных устройств для добычи криптовалюты могут быть использованы майнинг фермы, собранные из видеокарт или ASIC. Установка для охлаждения устройств для майнинга криптовалюты состоит из стеллажа, трубопроводной системы, запорной арматуры, водораспределительных коллекторов с узлами включения и отключения охлаждающей среды к устройствам для майнинга (фермы, собранные из видеокарт или ASIC) и предохранительных устройств для системы охлаждения. При этом в качестве охлаждающей жидкости может быть использована вода.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Предложенная система эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений может быть использована для охлаждения электронных устройств, в частности используемых для добычи (майнинга) криптовалюты.

Заявленное изобретение относится к системам, включающим электронные устройства, используемые для высокопроизводительных вычислений, теплосъем (охлаждение) в которых осуществляется через водоблоки (гидроблоки) либо аналогичную конструкцию, позволяющую посредством пропускания через устройство охлаждающей воды производить охлаждение. Система эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений состоит из стеллажа и трубопроводной системы, при этом установка содержит по меньшей мере одну секцию для размещения оборудования для высокопроизводительных вычислений, на которой размещено гидравлическое оборудование, включающее гидроблок, который подключен к водоисточнику через подводящий трубопровод для заполнения водой и нагнетания необходимого давления для обеспечения необходимого расхода охлаждающей воды для оборудования для высокопроизводительных вычислений. Каждый гидроблок содержит раздающие трубопроводы, водораспределительные подающие трубопроводы, водораспределительные подающие коллекторы, содержащие запорные арматуры, предназначенные для включения и отключения подачи охлаждающей воды на каждую единицу оборудования для высокопроизводительных вычислений, водосборные отводящие трубопроводы и водосборные трубопроводы, при этом трубопроводы размещены таким образом, чтобы каждая единица оборудования для высокопроизводительных вычислений соприкасалась с охлаждающим трубопроводом. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система эффективного использования тепловой энергии при охлаждении оборудования для высокопроизводительных вычислений, состоящая из стеллажа и трубопроводной системы, при этом установка содержит по меньшей мере одну секцию для размещения оборудования для высокопроизводительных вычислений, на которой размещено гидравлическое оборудование, включающее гидроблок, который подключен к водоисточнику через подводящий трубопровод для заполнения водой и нагнетания необходимого давления для обеспечения необходимого расхода охлаждающей воды для оборудования для высокопроизводительных вычислений, отличающаяся тем, что каждый гидроблок содержит раздающие трубопроводы, водораспределительные подающие трубопроводы, водораспределительные подающие коллекторы, содержащие запорные арматуры, предназначенные для включения и отключения подачи охлаждающей воды на каждую единицу оборудования для высокопроизводительных вычислений, водосборные отводящие трубопроводы и водосборные трубопроводы, при этом трубопроводы размещены таким образом, чтобы каждая единица оборудования для высокопроизводительных вычислений соприкасалась с охлаждающим трубопроводом.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что на входе каждого водораспределительного коллектора имеется запорный кран, отсекающий его полностью.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что на распределительные подающие трубопроводы установлены сбросные клапаны.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что снабжена водосборными отводящими коллекторами, включающими в себя запорные арматуры.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что водосборные отводящие коллекторы имеют запорные краны, отсекающие их полностью.

6. Система по п.4, отличающаяся тем, что водосборные отводящие трубопроводы и водосборные трубопроводы соединены с отводящим трубопроводом, соединенным с устройством охлаждения или вторичного использования в качестве источника горячей воды.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что гидроблоки выполнены в виде радиаторов П-образной формы.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый гидроблок содержит предохранительные клапаны, установленные на входе и выходе гидроблока.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый гидроблок содержит датчики контроля давления, установленные на входе и на выходе каждого гидроблока.