Die evolusie van datasentrumverkoeling: van luggebaseerde metodes tot gratis verkoeling

Probleem definisie

Die stygende groei in datasentrum-infrastruktuur en die gelyktydige toename in die gebruik van IT-toerusting het gelei tot 'n toename in elektrisiteitsverbruik.

Aangesien bedieners, integrale komponente van die datasentrums, elektrisiteit in hitte omskakel terwyl hulle werk, staan ​​ons voor die probleem om hoë temperature en koel datasentrumpersele en -toerusting te hanteer.

Laat ons die basiese beginsels van skoolfisika vinnig onthou: volgens die fundamentele beginsels van termodinamika, verdwyn die energie nie, maar word dit getransformeer. Dus, as 'n datasentrum 1 MW elektrisiteit verbruik - word hierdie hele energiekwantum in 'n ekwivalente hoeveelheid hitte omskep. Gevolglik, hoe meer elektrisiteit verbruik word, hoe groter is die uitdaging om die gevolglike hitte binne die datasentrum te bestuur.

Die situasie word selfs meer ingewikkeld, aangesien IT-toerusting wisselende energieverbruikvlakke kan hê terwyl dit verskillende fisiese groottes het. Toerusting met hoë energieverbruik kan byvoorbeeld 'n klein grootte hê, wat probleme inhou om die gekonsentreerde hitte doeltreffend af te koel. Aan die ander kant is groter IT-toerusting met 'n relatief matige elektrisiteitsverbruikkoers makliker om af te koel as gevolg van sy groter oppervlak. Datasentrums huisves tipies 'n mengsel van toerustinggroottes en verbruiksvlakke, wat die uitdaging bied om nie net diverse IT-toerusting af te koel nie, maar dit ook teen verskillende snelhede te doen, bepaal deur die temperatuurvereistes van elke toerustingtipe. Nodeloos om te sê, om die GS af te koel, benodig ons aansienlike hoeveelhede elektrisiteit, wat bydra tot die bedryfskoste.

Die probleem van doeltreffende kraggebruik in datasentrums word veral akuut met die wêreldwye styging in elektrisiteitspryse. Volgens die verslag deur Statista wêreld-elektrisiteitspryse het tussen 2021 en 2022 die hoogte ingeskiet tot 'n allemintige maksimum. Toe die COVID-19-gesondheidskrisis in die tweede helfte van 2021 bedaar het, het die vraag na energie toegeneem, en elektrisiteitspryse het 'n eerste rekordhoogtepunt bereik. Aan die begin van 2022 het die energiemark weer strenger geword en die energiekrisis het verskerp.

Die elektrisiteitsverbruik van datasentrums neem toe ondanks toenemende werkverrigtingdoeltreffendheid.

Met ander woorde, alhoewel prestasie per watt verbeter, groei die vraag na hulpbronne selfs vinniger, so algehele verbruik styg onvermydelik sowel as die koste. Aansienlike kostebesparings kan egter behaal word deur die verkoelingstelsels te optimaliseer. Dit het gemaak dat ek 'n dieper wil kyk na die doeltreffende verkoelingsmetodes in die algemeen en gratis verkoeling in die besonder.

Assessering van energieverbruikvlakke in datasentrums berus gewoonlik op die Power Usage Effectiveness (PUE) metriek. PUE meet 'n datasentrum se doeltreffendheid deur die totale energieverbruik te evalueer teenoor dit wat uitsluitlik vir IT-toerusting gebruik word. Ons sal 'n bietjie later in meer detail daaroor praat. Wat ons nou moet weet, is dat 'n laer PUE 'n meer doeltreffende datasentrum aandui, wat 'n verminderde afhanklikheid van nie-rekenaarkrag aandui. In die lig van groeiende infrastruktuur en stygende elektrisiteitsverbruik, bied die optimalisering van PUE met meer doeltreffende verkoelingstelsels finansiële omsigtigheid en volhoubare bedrywighede.

In hierdie artikel sal ons tradisionele en innoverende verkoelingsmetodes ondersoek en ontdek watter van hulle maksimum doeltreffendheid bied.

Verkoelingsmetodes Oorsig

Lug en nie-lug

In 'n vereenvoudigde klassifikasie kan verkoelingstegnieke in twee primêre kategorieë afgebaken word: luggebaseerde en nie-luggebaseerde metodes. Om uit te brei, sluit lugverkoeling konvensionele benaderings in, terwyl die nie-lugkategorie uiteenlopende metodes insluit wat stowwe soos water, olie of vaste materiale gebruik. Dit is opmerklik dat die oorweldigende meerderheid, wat 99% uitmaak, van verkoelingsmetodes onder die lugverkoelingssambreel val.

Lugversorgers

Lugversorgingstelsels is die mees algemene manier van lugverkoeling in professionele datasentrum-opstellings. Hul fundamentele beginsel weerspieël dié van residensiële lugversorgers: die lug wat deur die bedieners vloei, word deur 'n lugversorger gesirkuleer, deur 'n verkoelerrooster afgekoel en dan teruggesirkuleer na die bedieners. Hierdie sikliese proses verseker 'n deurlopende verkoelingsmeganisme.

Verkoelers

Na lugversorgers verteenwoordig verkoelers die tweede mees algemene verkoelingstelsel. Anders as lugversorgers, gebruik verkoelers water (of 'n watergebaseerde oplossing) om hitte weg te dra van ruimtes wat klimaatbeheer benodig. Alhoewel lugversorging eenvoudiger en oor die algemeen meer bekostigbaar is, kan die hoër energiekoste soms 'n afskrikmiddel vir besighede wees. Aan die ander kant is verkoelde waterstelsels meer energiedoeltreffend, maar vereis meer komponente en kompleksiteite in hul installasie en instandhouding.

Adiabatiese Kamers en Mats

Adiabatiese verkoeling behels die gebruik van kamers of matte waar water gegooi en verdamp word. Soos die water verdamp, koel die kamers en matte af saam met die lug binne. Alhoewel adiabatiese verkoeling 'n derde lewensvatbare opsie verteenwoordig, word dit as ietwat eksoties beskou en word dit nie so algemeen in datasentrumverkoeling gebruik in vergelyking met lugversorgers en verkoelers nie.

Water Verkoeling

In waterverkoelingstelsels word water of waterbevattende vloeistowwe vir hitte-afvoer gebruik. Waterpype word strategies in bedienerkamers geplaas, met elke bediener gekoppel aan twee pype – een vir warmwateruitvloei en die ander vir kouewaterinvloei. Radiators op SVE's, GPU's en op ander toerusting is direk aan hierdie watervoorsieningstelsel gekoppel. Hierdie benadering koel nie net die datasentrumtoerusting en -perseel af nie, maar genereer ook 'n voorraad warm water vir bykomende gebruike.

Hittewisselaars

Hierdie metode verbeter verkoelingsdoeltreffendheid deur eksterne koue omgewings te benut.

Wanneer 'n nabygeleë koue bron, soos 'n meer, see of koue grond, beskikbaar is, kan waterpype reg daarin ontplooi word om groot hoeveelhede hitte vanaf IT-toerusting oor te dra.

Eksotiese

Daar is ook onkonvensionele metodes. Een daarvan is gebaseer op Peltier-elemente of termo-elektriese verkoelers (TEC's). Hierdie benadering maak staat op halfgeleier-effekte en behels die verskaffing van elektrisiteit aan 'n spesiale plaat wat aan die een kant verhit en aan die ander kant afgekoel word.

Nog 'n avant-garde benadering is die ontplooiing van onderwater datasentrums. In Microsoft se Project Natick 'n datasentrum is byvoorbeeld in die lente van 2018 117 voet diep in die Noordelike Eilande onder water. Oor die daaropvolgende twee jaar het die span streng toetsing en monitering van die datasentrum se bedieners uitgevoer. Dit is bevestig dat die plasing van 'n verseëlde houer op die seebodem algehele datasentrumbetroubaarheid kan verbeter deur kwessies soos korrosie, temperatuurskommelings en fisiese versteurings wat tipies op land voorkom, te versag.

Gratis verkoeling

Hierdie tegniek is veral daarop gemik om verkoelingsdoeltreffendheid te maksimeer. Gratis verkoeling verfris die lug binne 'n datasentrum sonder om op tradisionele verkoelingstelsels staat te maak. Dit gebruik natuurlike buitelug soos dit is. Tipies is die buitelug net onderhewig aan humiditeitsbeheer en dan reguleer natuurlike termodinamiese prosesse temperature binne die datakamers.

Hierdie metode verminder kragverbruik aansienlik (75% tot 92% minder in vergelyking met ander CRAH-stelsels), verlaag koolstofdioksiedvrystellings en skakel die behoefte aan water in die verkoelingstelsel uit.

Gratis verkoeling is een van die mees eko-vriendelike keuses wat minder energie verg. Boonop kan dit help om koste te bespaar aangesien 40% van die krag wat deur datasentrums gebruik word, in verkoeling gaan. Hierdie stelsel verbeter die werkverrigting van alle lugverkoelde toerusting, selfs in moeilike toestande. Hier is 'n eenvoudige visuele voorstelling van die gratis verkoelingsproses:

Soos u kan sien, werk die stelsel op 'n baie eenvoudige manier, kanaliseer buitelug deur filters, IT-toerusting en verdryf dit. Hierdie vermindering in kompleksiteit, met slegs waaiers as potensiële kwesbaarhede, versterk die algehele betroubaarheid van 'n GS op gratis verkoeling.

Anders as stelsels met komplekse toerusting, verminder die afwesigheid van ingewikkelde komponente ook beide aanvanklike opstelkoste en deurlopende onderhoudsuitgawes. Die finansiële voordele begin dus reeds by die boustadium, waar die vaartbelynde ontwerp van gratis verkoeling in tasbare besparings neerkom.

Die pyn van keuse

Tydens konferensies en vergaderings kry ek dikwels talle vrae wat om die paradoks wentel: as gratis verkoeling so voordelig is in terme van kostebesparings en eenvoud, hoekom word dit nie universeel in die bedryf aanvaar nie?

Dit laat die breër vraag ontstaan ​​waarom, ten spyte van die voordele daarvan, slegs 'n beperkte aantal maatskappye gratis verkoeling aangeneem het, terwyl ander met konvensionele metodes volhard. Die antwoord hierop lê in 'n veelvlakkige ondersoek van die heersende bedryfsdinamika.

Nywerheidsdiktatuur

In die datasentrumbedryf, waar betroubaarheid van primêre belang is, ondervind die aanvaarding van innoverende oplossings dikwels weerstand. Ek skryf dit eerstens toe aan die DC-industrie se konserwatiewe aard, waar besluitnemers bewese konsepte bo innoverende oplossings prioritiseer.

Terwyl nuwe tegnologieë soos gratis verkoeling koste-effektiwiteit en doeltreffendheid beloof, sal verteenwoordigers van die bedryf eerder tradisionele dog betroubare benaderings verkies om die naatlose werking van die bedieners te verseker.

Bemarkingshindernisse

Nog 'n punt hier is dat kommersiële DC-verskaffers, wat ongeveer 80% van die bedryf uitmaak, staatmaak op sertifisering van onafhanklike liggame soos die Uptime Institute om hul betroubaarheid te bemark. Dit hou egter 'n uitdaging vir gratis verkoelingsoplossings in, aangesien daar nog geen gevestigde sertifisering daarvoor is nie. Hierdie situasie lei daartoe dat kommersiële verskaffers alternatiewe verkoelingsmetodes weerstaan, met verwysing na onsekerhede oor hul betroubaarheid en die afwesigheid van 'n sertifiseringspresedent.

Kommer oor aardverwarming

Kritici opper dikwels kommer oor die impak van aardverwarming op die lewensvatbaarheid van gratis verkoeling. Die argument word egter ontken deur die geleidelike aard van aardverwarming te erken, met 'n benaderde toename van 1,5 grade oor 'n dekade. Dit is onwaarskynlik dat hierdie beskeie temperatuurverandering die stabiliteit van gratis verkoelingsoplossings in die nabye toekoms sal benadeel.

"Net in geval"-argument

Nog 'n algemene praktyk vir maatskappye wat 'n GS-verkoelingsmetode kies, is die insluiting van rugsteunlugversorgingseenhede as 'n voorsorgmaatreël bykomend tot gratis verkoeling. Hierdie "net vir ingeval"-argument ondermyn die kernkonsep van gratis verkoeling, stel onnodige kompleksiteit in en kompromitteer finansiële en bedryfsdoeltreffendheid.

Selfs vir 'n klein lugversorger ontstaan ​​die behoefte om verskeie komponente soos freon, drade, vloeistowwe, stelsels en kontroles te verskaf. In plaas daarvan om die idee te aanvaar om 'n rugsteunlugversorger te hê, moet die bedryf daarop fokus om sy gratis verkoelingstelsel by 'n wye reeks toestande aan te pas sonder om op valse hoop staat te maak.

Werklike risiko's en oorwegings

Wanneer 'n gratis verkoelingsoplossing oorweeg word, vra sommige tasbare risiko's en oorwegings aandag. Een primêre oorweging is die geografiese streek, aangesien die ontplooiing van gratis verkoeling in 'n streek soos die Arabiese Emirate dalk nie geregverdig is nie.

Toeganklikheid is nog 'n aspek om in gedagte te hou. Die geselekteerde streek moet oor die nodige infrastruktuur beskik en maklik bereikbaar wees deur gespesialiseerde personeel wat met datasentrumonderhoud getaak is. Konnektiwiteit, insluitend die beskikbaarheid van optiese lyne, is ook belangrik. Byvoorbeeld, die vestiging van 'n gratis verkoelingsdatasentrum buite die Noordpoolsirkel word onprakties as gevolg van die afwesigheid van kommunikasielyne en die uitdaging om 'n geskoolde arbeidsmag te handhaaf.

Buiten hierdie logistieke oorwegings, is die enigste beperkings vir gratis verkoeling die streek se maksimum temperatuur (ongeveer 38-40 grade) en luggehalte. Gebiede met oormatige besoedeling, soos dié naby besige hoofweë of intense landbou-aktiwiteite, kan probleme veroorsaak. Alhoewel daar geen regstreekse verbod is nie, sal filters op sulke plekke gereeld vervang moet word. Anders as konvensionele lugversorgde datasentrums wat interne lug sirkuleer, trek vryverkoelingsentrums buitelug in, wat meer ywerige filteronderhoud vereis. Ander liggingparameters stem ooreen met dié van toepassing op tradisionele datasentrums.

Pioniers en toekomstige tendense

Ten spyte van die bedryf se konserwatiewe aard, evalueer sommige vooruitdenkende korporatiewe maatskappye die tasbare voordele van alternatiewe. Deur die koste-effektiwiteit van gratis verkoeling deur numeriese ontleding te bereken, besef hulle die potensiële kostebesparings wat dit bied.

Verskeie prominente maatskappye, soos Facebook (nou Meta), Google, Amazon, Yandex en Wildberries, is pioniers in die aanvaarding van gratis verkoelingstegnologie. Hul baanbrekende status spruit uit hul bereidwilligheid om risiko's te evalueer en die finansiële voordele inherent aan hierdie tegnologie te erken. Die keuse vir hierdie maatskappye was duidelik – óf gaan vir konvensionele skemas en gaan hoër koste aan óf neem die risiko's en voordele om pioniers in datasentrumverkoeling te word.

Die bedryf se ontwikkelende landskap dui op 'n groeiende neiging onder korporatiewe hiperskaalers na die implementering van gratis verkoelingsoplossings. Namate meer maatskappye die kostedoeltreffendheid en bedryfsvoordele van hierdie tegnologie erken, word daar verwag dat 'n toenemende aantal korporatiewe-vrye verkoelingsdatasentrums in die toekoms sal ontstaan.

As jy belangstel om meer te wete te kom oor die fisika van gratis verkoeling, verken die onderwerp in my nuwe artikel Free Cooling: Technology Deep Dive.