Optimaliseer datasentrumdoeltreffendheid: 'n diep duik in vryverkoelingstegnieke

In die vorige artikel het ons die vinnige uitbreiding van datasentrum-infrastruktuur bespreek en die toename in elektrisiteitsverbruik wat dit tot gevolg gehad het. Aangesien bedieners elektrisiteit omskakel in hitte tydens werking, word die bestuur van hoë temperature en verkoeling van beide die datasentrumfasiliteite en -toerusting 'n nommer 1 probleem vir die DC-spanne.

Terwyl tradisionele verkoelingsmetodes, insluitend lugversorgers en verkoelers, datasentrumpersele en bedieners effektief afkoel, bly hul duursaamheid 'n beduidende nadeel. Gratis verkoeling in teenstelling met tradisionele metodes vereis nie aansienlike beleggings nie, maar bied dieselfde vlak van doeltreffendheid en betroubaarheid. In hierdie artikel sal ek 'n gedetailleerde oorsig maak van gratis verkoelingstegnologie, wat die voordele, beperkings en die vereistes vir suksesvolle implementering beklemtoon.

Fisika van gratis verkoeling

Om die fisika agter gratis verkoeling te verstaan, sal ons die hitte-energieformule moet hersien:

Q = mcΔT

Hier verteenwoordig 'Q' die hoeveelheid hitte wat verkry of verloor word, 'm' staan vir die massa van die monster (in ons geval, die massa lug in die datasentrum), 'c' dui die spesifieke hittekapasiteit van lug aan, en ΔT dui die temperatuurverskil aan.

In 'n datasentrum is die primêre hittebron die SVE. Tipies is daar 2 tot 4 SVE's wat elkeen teen ongeveer 200 watt werk. Soos vroeër bespreek, word alle elektriese energie wat deur die SVE's verbruik word in hitte omgeskakel. Daarom, met 2 SVE's, byvoorbeeld, genereer ons 400 watt hitte wat verdryf moet word. Ons doelwit is nou om die hoeveelheid lug wat vir hierdie doel benodig word, te bepaal.

Die parameter ΔT, of temperatuurverskil, dui aan dat hoe laer die buitelugtemperatuur is, hoe minder lugmassa is nodig om die SVE's af te koel. Byvoorbeeld, as die inlaatlugtemperatuur 0°C is en die uitlaattemperatuur 35°C, sal ΔT slegs 35 wees, wat 'n taamlik laer vereiste vir lugmassa aandui. Gedurende die somerseisoen word verkoeling egter meer uitdagend as gevolg van stygende omgewingstemperature. Hoe hoër die buitetemperatuur, hoe groter sal die hoeveelheid lug benodig word om die bedieners af te koel.

Temperatuurbeperkings vir bediener en netwerkkomponente

Alhoewel gratis verkoeling doeltreffend kan wees vir matige en koue klimate, het dit steeds beperkings as gevolg van temperatuurbeperkings op bedienerkomponente. Kritieke komponente in IT- en netwerktoerusting, soos verwerkers, RAM, HDD's, SSD's en NVMe-aandrywers, het operasionele temperatuurvereistes:

• Verwerkers: maksimum 89°C
• RAM: maksimum 75°C
• HDD's: maksimum 50°C
• SSD's en NVMe-aandrywers: maksimum 47-48°C

Hierdie beperkings het 'n direkte impak op die geskiktheid van buitelugtemperature vir verkoeling. Gratis verkoeling sal nie lewensvatbaar wees in streke waar buitetemperature hierdie drempels oorskry of selfs naby dit kom nie, aangesien dit die stelsel kan beskadig as gevolg van oorverhitting. Streeksbeperkings

Soos ons reeds verduidelik het, moet buitelugtemperature konsekwent laer bly as die IT-toerusting se maksimum bedryfstemperature vir gratis verkoeling om doeltreffend te wees. Dit vereis noukeurige oorweging van die DC-lokasie se klimaatstoestande. Organisasies moet langtermyn weervoorspellings ontleed om te verseker dat temperature nie die vereiste drempels oorskry nie, selfs op spesifieke dae of ure. Daarbenewens, met inagneming van die lang lewensduur van datasentrums (tipies 10-15 jaar), moet die uitwerking van aardverwarming ook by liggingbesluite in ag geneem word.

Bediener Node Argitektuur Vereistes

In die konteks van fisika is die bereiking van doeltreffende verkoeling in bedieners afhanklik van die versekering van 'n ruim vloei van lug deur die stelsel. Die argitektuur van die bediener speel 'n belangrike rol in hierdie proses.

Omgekeerd kan bedieners wat nie toepaslike ontwerpkenmerke het nie, soos perforasies of openinge, lugvloei belemmer, wat moontlik die algehele doeltreffendheid van die gratis verkoelingsmeganisme in die gedrang bring.

Humiditeitsbeheer

Die humiditeitsvlak is nog 'n kritieke oorweging wanneer dit kom by gratis verkoeling. Aangesien ons nie beheer oor eksterne humiditeitstoestande het nie, ontstaan twee pertinente navrae: eerstens, die aanspreek van humiditeitsvlakke wat 100% nader of oorskry binne die datasentrum (DC); tweedens, die aanspreek van scenario's van baie lae lugvogtigheid, soos tydens 'n ysige Februariedag met 'n buitetemperatuur van -30°C en relatiewe humiditeit wat wissel van 2% tot 5%. Kom ons ondersoek hierdie situasies sistematies.

In toestande van verhoogde humiditeit is daar 'n algemene kommer oor die moontlike voorkoms van kondensasie en die nadelige uitwerking daarvan op toerusting se funksionaliteit. In teenstelling met hierdie besorgdheid, binne die herverkoelingsones van die DC, waar die verkoelingsproses plaasvind, word kondensasie uitgesluit. Dit is te danke aan die beginsel dat kondensasie plaasvind wanneer warm, klam lug met kouer oppervlaktes in aanraking kom. Binne die gratis verkoelingstelsel van die GS is geen element egter kouer as die omringende lug nie. Gevolglik word kondensasie inherent belemmer, wat die behoefte aan proaktiewe maatreëls uitskakel.

Aan die teenoorgestelde kant, wanneer dit met lae humiditeit te doen het, verskuif die vrees na die opwekking van statiese elektrisiteit, wat 'n bedreiging vir toerustingstabiliteit inhou. Hierdie probleem word nie met kondensasie geassosieer nie, maar vereis 'n kenmerkende oplossing. Versagting behels grondprosedures en die toepassing van 'n gespesialiseerde vloerbedekking. Hierdie maatreëls strook met gevestigde metodes om interne toerusting teen statiese elektrisiteit te beskerm. Deur konstruksie-elemente, rakke en IT-toerusting te aard, word 'n statiese lading onskadelik na die grond versprei, wat die integriteit van die toerusting behou.

In die natuurlike klimaat is gevalle van uiters hoë of lae humiditeit selde. Opmerklike uitsonderings sluit in seldsame gebeurtenisse soos 'n donderstorm wat 100% humiditeit bereik in Julie of 'n erge ryp wat baie lae humiditeit veroorsaak. Humiditeitsvlakke bly egter vir die meeste van die tyd goed binne aanvaarbare reekse wat geen skade aan die toerusting inhou nie, selfs in die afwesigheid van aktiewe ingrypings.

Lughoeveelheid en spoed

Soos ons reeds bespreek het, het ons 'n aansienlike volume eksterne lug nodig om effektiewe verkoeling te vergemaklik. Terselfdertyd kom 'n oënskynlik teen-intuïtiewe vereiste na vore - om 'n lae lugvloei binne die gebou te handhaaf. Hierdie oënskynlike paradoks is gewortel in die uitdagings wat gestel word deur hoëspoed lugstrome wat binne sirkuleer.

Om dit te vereenvoudig, stel hoë lugspoed voor as 'n robuuste stroom uit 'n buis, wat wervelings en onstuimigheid rondom die IT-toerusting skep. Hierdie turbulensie lei moontlik tot onreëlmatige lugbewegings en gelokaliseerde oorverhitting. Om dit aan te spreek, streef ons strategies na 'n algehele lae lugspoed van 1-2 meter per sekonde regdeur die ruimte.

Die handhawing van hierdie beheerde lugspoed stel ons in staat om turbulensie uit te skakel. 'n Hoër spoed sal onreëlmatighede in lugbeweging in gevaar stel. Deur by die 1-2 meter per sekonde reeks te hou, bevorder ons 'n gladde, eenvormige lugvloei, en vermy gelokaliseerde oorverhitting. Hierdie delikate balans verseker optimale IT-toerustingverkoeling deur slaggate wat met hoëspoed-lugstrome geassosieer word te systap.

Soos gesien kan word, draai die gratis verkoelingsbenadering om die doeltreffende gebruik van eksterne lug terwyl 'n beheerde lae interne lugspoed geprioritiseer word. Hierdie doelbewuste strategie help om 'n laminêre en eenvormige lugvloei te handhaaf, wat die doeltreffendheid van IT-toerustingverkoeling verseker.

Boukonsep

In die gratis verkoelingsparadigma word tradisionele lugkanale nie binne die gebou se struktuur gebruik nie. Anders as konvensionele opstellings met aangewese lugkanale in mure, plafonne of spesifieke areas, volg dataverwerkingsentrums 'n onkonvensionele benadering. Die gebou self is ontwerp as 'n lugkanaal, wat tradisionele lugversorgingseenhede verouderd maak. Die blote skaal van hierdie lugkanale verander hulle in integrale komponente van kamers en vloere.

Die lugvloeiproses begin wanneer eksterne lug die gebou binnedring en deur twee tipes filters gaan – growwe filters en fyn filters. Sodra die lug die skoonmaakproses ondergaan, word dit deur waaiers in uitgestrekte bouvolumes aangedryf, ongeveer gelykstaande aan vier verdiepings hoog. Hierdie aansienlike volume dien sy eie doel: om die lugvloei te vertraag, die spoed daarvan te verminder tot die vereiste reeks van 1-2 meter per sekonde. Daarna daal die lug na die masjineriekamer.

Nadat die masjineriekamer deurkruis is, gaan die lug voort deur IT-rakke en vorder na die warm gang. Van daar af gaan dit die warmlugversamelaar binne voordat dit deur uitlaatwaaiers na buite uitgestoot word. Hierdie gestruktureerde lugvloeipad verseker 'n doeltreffende verkoelingsproses terwyl beheerde lugspoed gehandhaaf word.

Lugspoed en volume

Die doelbewuste ontwerpkeuse van die gebruik van uitgestrekte bouvolumes dien 'n dubbele doel. Eerstens maak dit voorsiening vir 'n geleidelike vermindering in lugspoed, wat verseker dat die lugvloei die verlangde snelheid van 1-2 meter per sekonde bereik. Hierdie beheerde lugspoed is noodsaaklik om turbulensie te voorkom en 'n laminêre vloei te handhaaf, veral belangrik aangesien die lug deur sensitiewe IT-toerusting vorder. Tweedens, die beduidende volume akkommodeer die nodige lugvolume om die gegenereerde hitte doeltreffend te verdryf. Die gesinchroniseerde wisselwerking van lugspoed en volume dra by tot die algehele sukses van die stelsel.

Differensiële druk as die enigste bestuursbestuurder

In 'n gratis verkoeling-opstelling het ons nie beheer oor die eksterne lugtemperatuur nie, wat lei tot variasies in die lugtemperatuur wat die datasentrum (DC) binnegaan. Ten spyte hiervan is dit noodsaaklik om die vereiste lugvloei vir toerustingverkoeling te skat. Om dit aan te spreek, maak ons staat op die metode van differensiële druk.

Binne elke IT-rek werk bedieners met interne waaiers teen verskillende spoed, wat gesamentlik 'n differensiële druk tussen die rek se voor- en agterkant skep. Met talle bedieners, wat elkeen bydra tot die algehele lugvloei, bou hierdie drukverskil geleidelik op tussen die koue en warm gange. Deur druksensors in beide gange en buite die GS-gebou te gebruik, kan ons hierdie differensiële druk meet.

Die berekening behels die aftrekking van die druksensordata in die warm gang van atmosferiese druk en die aftrekking van die druksensordata in die koue gang van atmosferiese druk. Dus soos in die voorbeeld hieronder:

Werklike Wêreld Voorbeeld

Die gevolglike waardes lei ons dan in die bepaling van die nodige lugtoevoer na die GS en die vereiste uitlaat om die bedienerwaaiers se werking te verreken. In eenvoudiger terme meet ons ons lugvloeibehoeftes gebaseer op die drukverskille, wat ons in staat stel om die verkoelingsproses binne die DC doeltreffend te bestuur.

Verhitting en Mengkamer

Die tradisionele verwarmingstelsels word gewoonlik nie in datasentrums met gratis verkoeling geïmplementeer nie. Die gebruik van water word as irrasioneel beskou as gevolg van koste en potensiële risiko's vir toerusting. Dit bied 'n uitdaging tydens uiterste koue, wat -20–30 grade buite bereik. Terwyl die toerusting dit goed hanteer, soek ingenieurs 'n sagter benadering. Die mees elegante en logiese oplossing hier is die hergebruik van warm lug wat deur IT-toerusting gegenereer word. Deur die warm lug vanaf bedieners na 'n mengkamer te lei, en 'n deel daarvan na die hooflugstroom terug te stuur, hou die stelsel die perseel warm in die winter en maak dit moontlik om koste op verwarming te bespaar.

Eenvoud en betroubaarheid

'n Sleutelproefskrif in betroubaarheidsteorie beweer dat eenvoud betroubaarheid voortbring. Dit geld vir die gratis verkoelingstelsel wat as 'n merkwaardig eenvoudige konsep staan. Die stelsel funksioneer as 'n versperring wat lug van buite deur filters lei, dit deur IT-toerusting laat beweeg en dit dan net uitstoot.

Die afwesigheid van komplekse stelsels verhoog betroubaarheid, met slegs waaiers wat 'n kwesbaarheid in warm weer inhou. Die vryverkoelingsbenadering is 'n voorbeeld van radikale stelselvereenvoudiging, wat betroubaarheid aansienlik verbeter deur die aantal elemente te verminder.

DC Fans vs Server Fans

Die hiërargiese gesag van die waaiers is nog 'n fundamentele vraag in die dinamika van lugvloei binne DC's. Soos ons bespreek het, is daar grootskaalse aanhangers op DC-vlak en dié op bedienervlak. Die vraag is: verskaf die datasentrumwaaiers bloot lug, wat die bedienerwaaiers laat om soveel as wat nodig is te verbruik? Of kom die aanvraag van die bedieneraanhangers af, wat die DC-aanhangers verplig om aan hul vereistes te voldoen?

Die meganisme is soos volg: die bedienerwaaiers speel 'n dominante rol in hierdie proses, wat die nodige lugvloei bepaal. Vervolgens reageer die DC-waaiers deur die vereiste volume lug te lewer. Dit word duidelik dat as die kumulatiewe vraag van alle bedieners die toevoerkapasiteit van die DC-waaier oorskry, dit tot potensiële oorverhitting kan lei.

Die antwoord is dus dat bedieneraanhangers die voorrang in hierdie dinamiek het. Hulle orkestreer die lugvloei en spesifiseer die benodigde hoeveelheid lug.

Doeltreffendheid en PUE-berekening

Om die doeltreffendheid van 'n GS-projek te evalueer word die berekening van Power Usage Effectiveness (PUE) tradisioneel gebruik. Die formule vir PUE is die verhouding van totale fasiliteitskrag tot IT-toerustingkrag:

PUE = Totale Fasiliteitskrag / IT-toerustingkrag

Ideaal gesproke is dit gelyk aan 1, wat aandui dat alle energie na IT-toerusting gerig word sonder enige vermorsing. Dit is egter skaars om hierdie perfekte scenario te bereik in werklike projekte.

Nog 'n probleem ontstaan wanneer ons probeer om 'n duidelike metodologie vir die berekening van kragverbruik-effektiwiteit (PUE) daar te stel. So, byvoorbeeld, in ons stelsel beskik ons oor 'n metrieke wat onmiddellike kragverbruik in watt aandui, wat dit moontlik maak om PUE in reële tyd te bereken.

Boonop kan ons 'n gemiddelde PUE oor 'n jaarlikse tydperk aflei, wat 'n meer omvattende assessering bied met inagneming van seisoenale skommelinge. Dit is veral pertinent gegewe die verskil in energieverbruik tussen seisoene; byvoorbeeld die verskil in verkoelingsvereistes tussen somer- en wintermaande. Dit beteken dat as ons 'n meer betroubare evaluering wil hê, ons 'n jaarlikse gemiddelde moet prioritiseer wat 'n meer gebalanseerde en omvattende assessering verskaf.

Dit is ook belangrik om PUE te ondersoek, nie net in terme van energie nie, maar ook monetêre eenhede, en sodoende die seisoenale fluktuasies van elektrisiteitspryse in te sluit. Die evaluering van PUE in monetêre terme gee 'n meer holistiese perspektief op bedryfsdoeltreffendheid.

Boonop onthul hierdie benadering moontlikhede om 'n PUE-waarde van minder as 1 te bereik wanneer dit in dollars gemeet word. Dit word byvoorbeeld moontlik wanneer ons afvalhitte vir waterverhitting gebruik en dit verder aan die nabygeleë stede verkoop. Opmerklike voorbeelde, soos Google se datasentrum in die VSA en Yandex se fasiliteit in Finland, demonstreer die lewensvatbaarheid van sulke praktyke, veral in streke wat gekenmerk word deur hoë energiekoste.

Doeltreffendheid vs. Betroubaarheid

Kommer oor die vermindering van koste en die verhoging van doeltreffendheid laat dikwels vrae ontstaan oor potensiële negatiewe impakte op betroubaarheid. Ek wil egter beklemtoon dat in vrye verkoeling die strewe na doeltreffendheid nie betroubaarheid in gedrang bring nie. In plaas daarvan kan die tegnologiese newe-effekte daarvan selfs doeltreffendheid verbeter. Byvoorbeeld, soos ons reeds bespreek het, word die herleiding van oortollige hitte na hittepompe vir bykomende voordele, soos die opwekking van warm water vir nabygeleë stede, 'n finansieel voordelige praktyk sonder om betroubaarheid in te boet.

Toekoms van gratis verkoeling

Ten spyte van al die voordele wat gratis verkoeling bied, word die datasentrumbedryf steeds gedryf deur 'n konserwatiewe benadering en eis bewese betroubaarheid, met 'n neiging om innoverende oplossings te weerstaan. Die afhanklikheid van sertifisering van liggame soos die Uptime Institute vir bemarking is nog 'n struikelblok vir gratis verkoelingsoplossings, wat nie 'n gevestigde sertifisering het nie, wat daartoe lei dat kommersiële verskaffers hulle met skeptisisme beskou.

Tog is daar 'n neiging onder korporatiewe hiperskaalers om gratis verkoeling as die hoofoplossing vir hul DC's aan te neem. Met 'n groeiende aantal maatskappye wat die koste-effektiwiteit en bedryfsvoordele van hierdie tegnologie erken, verwag ons dat meer korporatiewe-vrye verkoelingsdatasentrums in die volgende 10-20 jaar sal verskyn.