IT-power feedforward halves pump energy in liquid-cooled data centres
إن استبدال التغذية الراجعة القائمة على درجة الحرارة باستراتيجية تحكم مباشر بالتغذية الأمامية باستخدام قدرة تكنولوجيا المعلومات كمتغير مدخل يقلل من استهلاك طاقة المضخة بنسبة تزيد عن 56% ومن درجات حرارة الوصلات القصوى في مراكز البيانات المبردة سائلًا، مما يثبت أن المتغير الملحوظ أكثر أهمية للكفاءة من التعقيد الخوارزمي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
داخل غرف الخوادم الضخمة التي تشغل عالمنا الرقمي، تحدث ثورة هادئة في كيفية منع الآلات من ارتفاع درجة حرارتها. ومع ازدياد قوة الذكاء الاصطناعي، أصبحت رفوف الحواسيب التي تشغل هذه الأنظمة كثيفة للغاية، حيث تضغط الكثير من القدرة الحوسبية في خزانة واحدة لدرجة أن تكييف الهواء التقليدي لم يعد قادراً على مواكبة الأمر. ولحل هذه المشكلة، لجأ المهندسون إلى التبريد السائل، حيث يتم ضخ سائل خاص مباشرة فوق شرائح الكمبيوتر الساخنة لنقل الحرارة بعيداً. ومع ذلك، فإن هذا الحل يجلب مشكلته الخاصة: فالمضخات التي تحرك هذا السائل هي الآن أكبر مستهلك للطاقة داخل نظام التبريد نفسه. ولا تنمو الطاقة التي تستهلكها هذه المضخات بشكل خطي؛ بل تنمو بشكل انفجاري. فإذا ضاعفت سرعة تدفق الماء، تزداء الطاقة التي تحتاجها المضخة لدفع ذلك الماء ثمانية أضعاف. وهذا يعني أن العثور على الحد الأدنى المطلق من التدفق اللازم للحفاظ على سلامة الشرائح هو الطريقة الأهم لتوفير الكهرباء. لعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية للتحكم في هذه المضخات هي مراقبة درجة حرارة المبرد. تنتظر المضخة حتى يسخن الماء، وعندئذ فقط تزيد سرعتها لتبريد الأشياء. هذا النهج تفاعلي، مما يعني أن النظام يطارد الحرارة دائماً بعد ظهورها بالفعل.
يتحدى بحث جديد أجراه الباحث المستقل يانغ ليو هذا الأسلوب المتبع منذ فترة طويلة من خلال اقتراح نهج أبسط وأسرع بكثير. فبدلاً من انتظار رؤية ارتفاع درجة الحرارة، يقترح الباحث وجوب مراقبة المضخة ببساطة للكهرباء المستهلكة من قبل شرائح الكمبيوتر. ولأن الحرارة التي تولدها الشريحة مرتبطة مباشرة بكمية الطاقة التي تستهلكها، يمكن للنظام حساب كمية تدفق الماء المطلوبة بالضبط قبل وصول الحرارة. وفي محاكاة حاسوبية مفصلة لرف خادم عالي القدرة، أدى هذا الأسلوب القائم على استباق استخدام الطاقة - بدلاً من التفاعل مع درجة الحرارة - إلى خفض الطاقة المستخدمة من قبل المضخات بأكثر من النصف. وتحديداً، قلل الأسلوب الجديد من استهلاك طاقة المضخة بنسبة 56.2 بالمائة مقارنة بمتحكم تقليدي عالي الضبط تم تعديل 90 إعداداً مختلفاً له ليعمل بأفضل قدرة ممكنة. وأظهرت المحاكاة أن هذا النهج الجديد لم يوفر كميات هائلة من الكهرباء فحسب، بل حافظ أيضاً على برودة شرائح الكمبيوتر، مما خفض درجة حرارتها القصوى بأكثر من خمس درجات مئوية.
ويوضح البحث أن مفتاح الكفاءة يكمن فيما يراقبه المتحكم، وليس في مدى تعقيد الخوارزمية الحاسوبية. يستخدم النظام المقترح حساباً مباشماً بناءً على قراءة الطاقة، ولا يتطلب نماذج تنبؤ معقدة أو التعلم من البيانات الماضية. فهو ببساطة يقرأ الطاقة، ويحسب تدفق الماء اللازم، ويعدل سرعة المضخة فوراً. في المقابل، يجب على المتحكم التقليدي القائم على درجة الحرارة أن ينتظر حتى يسخن الماء، ثم يزيد التدفق، ثم ينتظر حتى تنخفض درجة الحرارة مرة أخرى. ويخلق هذا التأخير دورة غالباً ما تحرك فيها المضخة الكثير من الماء عندما لا تكون هناك حاجة لذلك، مما يهدر الطاقة، أو تضخ القليل من الماء أثناء الارتفاعات المفاجئة في النشاط، مما يعرض النظام لخطر ارتفاع درجة الحرارة. ووجد البحث أن الطريقة الجديدة أبقت تدفق الماء بين 26 و86 لتر في الدقيقة، بينما تذبذب الأسلوب التقليدي بشكل حاد بين 14 و117 لتر في الدقيقة، متجاوزاً الهدف في كثير من الأحيان.
كما اختبر الباحثون فكرة شائعة في الهندسة: وهي أن النظر إلى مستقبل أبعد للتنبؤ بزيادة الحمل سيساعد النظام على الاستعداد. فقد قاموا بمحاكاة سيناريو تبدأ فيه المضخة في زيادة سرعتها قبل دقائق من بدء مهمة حاسوبية، على أمل أن تكون جاهزة للحرارة. وكانت النتائج مفاجئة؛ إذ أدى النظر إلى الأمام لمدة تصل إلى خمس دقائق في الواقع إلى زيادة استهلاك الطاقة بنسبة 45.5 بالمائة دون تقديم أي فائدة تبريد. حدث هذا لأن تدفق الماء المطلوب هو استجابة فورية للطاقة المستخدمة؛ فإضافة تدفق إضافي قبل ارتفاع الطاقة لا يخدم أي غرض لأن درجة الحرارة لا تزال آمنة. وخلصت الدراسة إلى أن الوقت الوحيد الذي سيكون فيه النظر إلى الأمام مفيداً هو إذا كانت المضخة نفسها بطيئة جداً في الاستجابة، وهو ما لم يكن هو الحال في هذا الإعداد. كما استكشف الباحثون ما إذا كان نقل الماء من رف خادم إلى آخر يمكن أن يوفر الطاقة، لكنهم وجدوا أن كل رف له متطلبات تدفق دنيا صارمة بناءً على حمل الحرارة الخاص به. إن محاولة أخذ الماء من رف لإعطائه لآخر ستؤدي فقط إلى كسر حدود السلامة للرف المانح، مما يثبت أن توفير الطاقة يأتي من تلبية احتياجات كل رف بدقة، وليس من خلال نقل الموارد ذهاباً وإياباً.
هذا العمل، رغم أنه حالياً مجرد محاكاة حاسوبية وليس تجربة فيزيائية، يقدم مساراً واضحاً لتصميم مراكز البيانات المستقبلية. وتشير النتائج إلى أن الطريقة الأكثر فعالية لتقليل استخدام الطاقة هي التوقف عن معاملة نظام التبريد كرد فعل لدرجة الحرارة والبدء في معاملته كاستجابة مباشرة لاستهلاك الطاقة. ومن خلال استخدام قاعدة بسيطة مكونة من خمس خطوات تربط استخدام الطاقة بتدفق الماء مباشرة، يمكن لمراكز البيانات خفض فواتير الكهرباء وتقليل بصمتها البيئية بشكل كبير. وتؤكد الدراسة أن الحل لا يتطلب برمجيات أكثر ذكاءً أو تعقيداً، بل يتطلب اختياراً أذكى لما يتم قياسه. وفي عالم من المتوقع أن يتضاعف فيه طلب مراكز البيانات على الكهرباء في السنوات القادمة، فإن تحويل التركيز من نتيجة الحرارة إلى سبب الحرارة يوفر أداة مباشرة وقوية للكفاءة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.