Datakeskusteollisuus on ratkaissut jäähdytyshaasteen. Nyt edessä on se vaikea osuus.

Asiantuntija-artikkeli | Vaisala | Anu Kätkä, Product Line Manager, HVAC & Critical buildings

Datakeskusala on päättänyt siirtyä nestejäähdytykseen. Tämän kehityksen etulinjassa olivat erittäin tiheitä tekoälytyökuormia suorittavat datakeskukset, ja suurimmat laitevalmistajat ovat suunnitelleet uusimmat tekoälyprosessorinsa sen varaan. Sirun suorajäähdytys, jossa neste johdetaan kylmälevyjen kautta suoraan prosessoreille, on nyt vakiintunut ratkaisu kaikissa uusissa tekoälyn kannalta optimoiduissa datakeskuksissa. Kysymys ei enää ole, tuleeko nestejäähdytyksestä alan standardi. Se on sitä jo.

Nestejäähdytys ei ole mikään uusi juttu. IBM oli edelläkävijä vesijäähdytteisten mainframe-tietokoneiden kehittämisessä 1960-luvulla, ja teknologiaa on käytetty supertietokoneissa ja suorituskykyisissä laskentaklustereissa siitä lähtien. Datakeskusalalla yleisesti tämä oli silti vain marginaalinen kysymys: periaatteessa mielenkiintoinen, käytännössä tarpeeton. Ilma toimi riittävän hyvin, eikä monimutkainen vaihto olisi ollut taloudellisesti perusteltua.

Tämä laskelma muuttui, ja vieläpä nopeasti. Herätteenä toimi tekoäly. Kun tekoäly siirtyi tutkimuksesta laajamittaiseen kaupalliseen käyttöön, se toi mukanaan työkuormia, jotka tuottavat niin paljon lämpöä, ettei ilmajäähdytys enää riitä. Perinteinen palvelinteline kuluttaa 5–10 kilowattia. Nykypäivän AI-teline voi kuluttaa kymmenen, kaksikymmentä, jopa kolmekymmentä kertaa sen verran. Näillä tiheyksillä ilmajäähdytys ei yksinkertaisesti enää toimi: ilman lämpökapasiteetti on melko alhainen, ja lämmön poistamiseen riittävän ilmamäärän liikuttaminen vaatisi niin paljon puhallinenergiaa, että se olisi taloudellisesti järjetöntä, eikä viilennys silti ehtisi sirun kuumimpiin osiin ajoissa. Neste, jonka lämpökapasiteetti tilavuutta kohti on noin 3 500 kertaa suurempi kuin ilman, on ainoa toimiva ratkaisu.

Nestejäähdytys ratkaisee lämpöongelman. Luotettava toiminta pitkällä aikavälillä on kuitenkin edelleen haaste, jonka ala pyrkii ratkaisemaan, ja tämän luotettavan toiminnan mahdollistava mittausinfrastruktuuri on haasteen suurin osa-alue.

Lämpökehityksellä on vain yksi suunta

Jos halutaan hahmottaa mittaushaasteen tulevaisuus, on hyvä ymmärtää taustalla olevan laitteiston muutosnopeus.

AFCOMin vuoden 2025 State of the Data Center ‑raportin mukaan keskimääräinen telinetiheys, joka vuonna 2021 oli 7 kW, on nykyään jo 16 kW, ja 79 prosenttia kyselyyn vastanneista alan asiantuntijoista odottaa nousun jatkuvan. Alan eturintamassa on NVIDIAn vuoden 2027 Kyber-telinealusta, jonka arvioidaan jo nyt yltävän 600 kW:n tehoon. Toimitusjohtaja Jensen Huang on ennustanut, että tulevaisuudessa telineet saattavat lopulta tarvita kokonaisen megawatin. Tämä tarkoittaisi, että yhden kotelon tehonkulutus vastaisi kokonaisen pienen datakeskuksen kulutusta vuosikymmen sitten.

Ero keskimääräisen käyttöönoton ja huipputason käyttöönoton välillä kasvaa jokaisen uuden tekoälylaitteistosukupolven myötä, ja huipputaso määrittää infrastruktuurivaatimukset, joihin muiden on ajan myötä sopeuduttava.

Ilmajäähdytyksen yläraja on käytännössä noin 20–30 kW telinettä kohti. Suuremmilla tiheyksillä pelkkä tuulettimien kuluttama energia tekee ilmajäähdytyksestä taloudellisesti kannattamatonta. Neste johtaa lämpöä paljon paremmin, ja näillä tiheyksillä sen valinta ei ole mielipidekysymys – se on fysikaalinen pakko.

Yhdestä alueesta kahteen

Nestejäähdytteisen laitoksen pyörittäminen ei ole samanlaista kuin ilmajäähdytteisen laitoksen. Se on täysin erilainen toimintaympäristö, jossa tarvitaan uudenlaista osaamista sähkö-, rakenne- ja konetekniikassa, virtausdynamiikassa, kemiassa ja instrumentoinnissa. Ja kaikilla näillä osa-alueilla mittaus on se kerros, joka tekee hallinnan mahdolliseksi.

Ilmajäähdytteisessä laitoksessa valvottujen ympäristöjen hallinta ymmärretään hyvin: lämpötila, suhteellinen kosteus, paine-ero. Alalla vuosikymmenten aikana hiotut parametrit on standardisoitu muun muassa ASHRAEn (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) julkaisemiin ohjeisiin, ja niitä palvelee kehittynyt anturiteknologia. Käyttöhenkilöstö tietää, mitä he mittaavat ja miksi, miten se vaikuttaa ohjaukseen ja mitä luvut tarkoittavat.

Nestejäähdytys laajentaa tätä aluetta merkittävästi. Kylmää vettä kuljettavat putket ovat aina olleet osa datakeskusten infrastruktuuria toimittaen kylmää vettä ilmankäsittelykoneisiin ja tuuletinseinäyksikköihin. Nestemittausten rooli ja merkitys kasvavat kuitenkin huomattavasti, kun jäähdytys tuodaan suoraan siruille jakeluyksikköjen ja kylmälevyjen kautta. Parametreja, jotka tarvitsevat nyt erityistä instrumentointia, ovat muun muassa nesteen lämpötila, paine, virtausnopeus ja taso, vuodon havaitseminen sekä jäähdytysnesteen kunnon indikaattorit, kuten pH, sameus, johtavuus ja taitekerroin. Kullakin on omat vikatilansa, jotka kaikki vaativat huolellista seurantaa, jotta voidaan varmistaa jäähdytyssilmukan hyvä suorituskyky ja ylläpitää tarvittavaa nesteen laatua kalliiden, jopa kymmeniä miljoonia euroja neliömetriä kohti maksavien laitteistojen läheisyydessä.

Nestejäähdytystä tarvitaan, kun ilman teho ei enää riitä, mutta ilmapuolen hallinta on silti tärkeää kaikkialla muualla. Sirun suorajäähdytys poistaa lämmön kuumimmista komponenteista, mutta muualta lämpö poistetaan ilmajäähdytyksellä. Suojattavan laitteiston neliöhinnan kasvaessa myös minkä tahansa vian kustannukset – olipa kyse sitten ylikuumenemisesta, kondensoitumisesta, nestepuolen jäähdytysnestevuodosta tai ilmapuolen riittämättömästä ilmanvaihdosta – kasvavat samassa suhteessa. Panokset jokaisen telineen osalta ovat aiempaa suuremmat, ja on entistä tärkeämpää varmistaa, että valvotut ympäristöt ovat aina juuri sellaiset kuin niiden pitääkin olla.

Nestejäähdytetyissä ympäristöissä mittausten luotettavuuteen ja toimintavarmuuteen kohdistuvat vaatimukset korostuvat entisestään. 

Mittaukset nestejäähdytteisessä ympäristössä

Nestepuolen parametrien lisäksi myös datasalin ja jäähdytysjärjestelmän kriittisissä osissa vallitsevat ympäristöolosuhteet vaativat aktiivista hallintaa. Riski korostuu erityisesti kastepisteen kohdalla. Nestejäähdytyksen tehokkuus on riippuvainen kylmän nesteen viennistä suoraan kylmälevyille, mutta ilmastoidussa tilassa kylmät putket voivat aiheuttaa kondensaatioriskin. Kun putken pinnan lämpötila laskee ympäristön kastepisteen alapuolelle, muodostuu vettä. Tämä ei ole vain huoltohenkilöstön päänsärky vaan mahdollinen vikatapahtuma, jonka seuraukset ylittävät selvästi minkä tahansa huoltobudjetin.

Vakiokäytäntönä on jäähdytysnesteen syöttölämpötilan pitäminen vähintään 2 °C mitatun ympäristön kastepisteen yläpuolella. Jäähdytysnesteen jakeluyksikkö vastaa tämän marginaalin ylläpidosta, mutta tämä onnistuu vain, jos se tietää kastepisteen todellisen arvon jatkuvasti. 

Näihin parametreihin ei liity mitään poikkeuksellista mittaushaastetta, vaan kyse on vakiintuneesta anturifysiikasta. Sen oikea soveltaminen – eli tieto siitä, missä mitataan, miten usein mitataan ja miten anturitiedot ohjaavat päätöksentekoa – edellyttää kuitenkin perusteellista ymmärrystä sekä teknologiasta että ympäristöstä, jossa tätä teknologiaa käytetään.

Dynaamiset laitokset vaativat dynaamisia mittauksia

Tekoälykuormat poikkeavat perinteisistä datakeskusten työkuormista olennaisella tavalla. Tekoälyn koulutustyöt ovat intensiivisiä ja ajoittaisia. Klusteri siirtyy lepotilasta täyteen koulutuskuormaan muutamassa minuutissa, jolloin lämpölähtö muuttuu äkillisesti ja jäähdytysjärjestelmän täytyy reagoida siihen heti. Klusteria hallitsevan jäähdytysnesteen jakeluyksikön täytyy ohjata jäähdytyssilmukkaa viipymättä ja jatkuvasti voidakseen varmistaa, että syöttö- ja paluulämpötilat pysyvät sallituissa rajoissa, että paine ja virtausnopeudet ovat kuten pitää ja että ympäristön kastepiste kylmien jakotukkien lähellä pysyy sallituissa rajoissa järjestelmän lämmetessä.

Luotettavat mittaukset mahdollistavat dynaamisen ohjauksen. Ilman tarkkoja reaaliaikaisia tietoja kriittisistä parametreista koko laitoksessa ohjausjärjestelmät toimivat viivästyneillä tai epätarkoilla tiedoilla. Tehoton jäähdytys tuhlaa energiaa, riittämätön jäähdytys vaarantaa laitteiston, ja ylikorjaus tuhlaa molempia.

Jokainen prosenttiyksikön tehokkuusparannus laitoksessa, jossa telinekohtainen teho on satoja kilowatteja, vaikuttaa suoraan käyttökustannuksiin ja hiilijalanjälkeen. Juuri mittaustarkkuuden ja operatiivisen lopputuloksen välinen yhteys tekee instrumentoinnin onnistuneesta toteutuksesta liiketoimintapäätöksen, ei pelkästään teknistä päätöstä.

Seuraavan sukupolven vaatimukset

Tulevaisuudessa kaikkea jo nyt haastavaa on luvassa vieläkin enemmän. Telineiden tiheys kasvaa entisestään. Jokainen kehitysaskel tuo lisää mittausvaatimuksia, joilla ei ole vielä takanaan vuosikymmenten kokemuksen tuomia alan käytäntöjä.

Luotettavat mittaukset ovat perusta, jolle kaikki muu rakentuu. Ne mahdollistavat jäähdytysjärjestelmien täsmällisen ohjauksen varovaisten säätöjen asemesta ja energiatehokkuustavoitteiden saavuttamisen pelkän niiden tavoittelun sijaan. Ne antavat operaattoreille luottamusta siihen, että sekä jäähdytysinfrastruktuuri että sitä palveleva laskentalaitteisto toimivat turvallisten parametrien rajoissa. Lisäksi ne antavat varhaisen varoituksen, mikä on ratkaiseva erottava tekijä korjattavissa olevan ongelman ja kalliin ongelman välillä.

Ilman luotettavia mittauksia nestejäähdytteinen datakeskus toimii oletusten pohjalta, ja näillä telinetiheyksillä oletukset käyvät kalliiksi. Datakeskusala kerää yhä ymmärrystä siitä, mitä tarkka mittaus tässä ympäristössä tarkoittaa. Tästä ymmärryksestä alkaa seuraava kovaa työtä vaativa vaihe.

Lähteet

AFCOM, 2025 State of the Data Center Report

ASHRAE TC 9.9, Thermal Guidelines for Data Processing Environments; Liquid Cooling Technical Committee guidance