Design of an improved Blue Waters supercomputer cooling system

Abstract

El Centro Nacional de Aplicaciones para la Supercomputación (NCSA), está planeando mejorar y expandir el actual superordenador ‘Blue Waters’ en los próximos 15 meses, el superordenador está localizado en las instalaciones del Centro Nacional ‘Petascale’. El objetivo de este proyecto será diseñar un sistema de refrigeración para el ordenador y el centro de almacenamiento de datos más eficiente que el actual. El sistema actual de refrigeración está sobredimensionado. Este está pensado para refrigerar el actual ordenador que disipa 11 MW de calor de pico y 6 MW de media, mientras que el nuevo disipa 3.8 MW de máxima. El sistema tiene dos formas de refrigeración. La primera es con agua refrigerada del campus. El gran problema con este método es que es el más caro de los dos. La segunda manera de refrigerar el sistema es con el uso de las torres de refrigeración localizadas en la misma instalación. Este método es más barato y más eficiente que el primero. El sistema está compuesto por dos circuitos de agua: uno en la zona de la torre de refrigeración y otro en el propio edificio. El primero es un circuito de agua de temperatura moderada que lleva agua fría a los ordenadores para expulsar el calor producido por estos. El circuito de la zona del edificio está conectado con el circuito de la torre a través de unos intercambiadores de calor. En la zona de la torre nos encontramos con tres de torres de refrigeración con dos celdas cada una.7 Además de las posibles modificaciones que podamos hacer a los actuales componentes y equipos del actual sistema, exploraremos otra alternativa llamada ‘BlueStream’. Este es un dispositivo desarrollado por Johnson Controls, se trata de un termosifón que funciona junto a una torre de refrigeración. Este equipo elimina parte del calor producido por el superordenador mediante enfriamiento sensible, lo que ayuda a reducir la cantidad de agua usada en las torres de refrigeración, así como aumenta la posibilidad de aumentar el tiempo de uso de estas a lo largo del año.

The Blue Waters supercomputing facility, located in the National Petascale Center Facility (NPCF), run by the National Center for Supercomputing Applications (NCSA), is planning on upgrading and expanding its current computing equipment soon. The objective of this project will be designing a more efficient cooling system for the new supercomputer and the data storage racks. The current Blue Waters cooling system is oversized. For one, the current system requires a large amount of energy to cool the current supercomputer peaks at 11 MW and idles at around 6 MW, while the new one will peak at 3.8 MW. Currently, we have two ways of cooling. The first is the use of the campus chilled water loop, this is the more expensive method of cooling due to the high-cost of chilled water. The second uses the cooling towers that are located at the Blue Waters facility. This is the less expensive and more efficient method of cooling. The current system is composed of two main separate water loops: a building-side and a tower-side loop. The building-side loop is a medium temperature cooling loop that supplies water to the supercomputers. This building-side loop is also connected to the tower-side water loop through a series of plate and frame heat exchangers. This tower-side loop contains three 2-cell cooling towers that can evaporatively cool the medium temperature cooling water during colder months. In addition to making modifications to current components to suit the new system, there is an alternative cooling system developed by Johnson Controls called BlueStream. This technology involves adding a device, called a Thermosyphon Controller (TSC), in series with the existing cooling towers. This device allows for sensible cooling of water before the excess heat is sent to the towers to be evaporatively cooled, thus helping reduce the amount of water lost through evaporation as well as increase the portion of the year cooling towers can be utilized.