تطور تبريد مراكز البيانات: من الأساليب المعتمدة على الهواء إلى التبريد المجاني

تعريف المشكلة

لقد أدى النمو المتزايد في البنية التحتية لمراكز البيانات والزيادة المتزامنة في استخدام معدات تكنولوجيا المعلومات إلى زيادة استهلاك الكهرباء.

وبما أن الخوادم، وهي مكونات أساسية لمراكز البيانات، تقوم بتحويل الكهرباء إلى حرارة أثناء التشغيل، فإننا نواجه مشكلة التعامل مع درجات الحرارة المرتفعة وتبريد مباني ومعدات مراكز البيانات.

دعونا نتذكر بسرعة أساسيات الفيزياء المدرسية: وفقًا للمبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية، فإن الطاقة لا تختفي بل تتحول. وبالتالي، إذا استهلك مركز بيانات 1 ميغاواط من الكهرباء، فإن هذه الكمية الكاملة من الطاقة تتحول إلى كمية مكافئة من الحرارة. وبالتالي، كلما زاد استهلاك الكهرباء، زاد التحدي المتمثل في إدارة الحرارة الناتجة داخل مركز البيانات.

يصبح الموقف أكثر تعقيدًا، حيث يمكن أن يكون لمعدات تكنولوجيا المعلومات مستويات استهلاك طاقة متفاوتة مع وجود أحجام مادية متباينة. على سبيل المثال، قد يكون للمعدات ذات الاستهلاك العالي للطاقة حجم صغير، مما يطرح مشاكل في تبريد الحرارة المركزة بكفاءة. من ناحية أخرى، يكون تبريد معدات تكنولوجيا المعلومات الأكبر حجمًا ذات معدل استهلاك كهرباء معتدل نسبيًا أسهل بسبب مساحتها السطحية الأكبر. عادةً ما تحتوي مراكز البيانات على مزيج من أحجام المعدات ومستويات الاستهلاك، مما يمثل تحديًا ليس فقط لتبريد معدات تكنولوجيا المعلومات المتنوعة ولكن أيضًا القيام بذلك بسرعات مختلفة، تمليها متطلبات درجة الحرارة لكل نوع من المعدات. وغني عن القول، لتبريد التيار المستمر نحتاج إلى كميات كبيرة من الكهرباء، مما يزيد من تكاليف التشغيل.

أصبحت مشكلة الاستخدام الفعّال للطاقة في مراكز البيانات حادة بشكل خاص مع الارتفاع العالمي في أسعار الكهرباء. وفقًا لـ التقرير من موقع Statista ارتفعت أسعار الكهرباء العالمية إلى أعلى مستوى لها على الإطلاق بين عامي 2021 و2022. وعندما هدأت أزمة الصحة الناجمة عن فيروس كورونا المستجد في النصف الثاني من عام 2021، زاد الطلب على الطاقة، وبلغت أسعار الكهرباء أعلى مستوى لها على الإطلاق. وفي بداية عام 2022، شددت سوق الطاقة مرة أخرى واشتدت أزمة الطاقة.

يتزايد استهلاك الكهرباء في مراكز البيانات على الرغم من زيادة كفاءة الأداء.

بعبارة أخرى، على الرغم من تحسن الأداء لكل واط، فإن الطلب على الموارد ينمو بشكل أسرع، وبالتالي فإن الاستهلاك الإجمالي يزيد حتمًا بالإضافة إلى التكاليف. ومع ذلك، يمكن تحقيق وفورات كبيرة في التكلفة من خلال تحسين أنظمة التبريد. هذا جعلني أرغب في إلقاء نظرة أعمق على طرق التبريد الفعّالة بشكل عام والتبريد المجاني بشكل خاص.

يعتمد تقييم مستويات استهلاك الطاقة في مراكز البيانات عادةً على مقياس فعالية استخدام الطاقة (PUE). يقيس PUE كفاءة مركز البيانات من خلال تقييم إجمالي استهلاك الطاقة مقابل ذلك المستخدم حصريًا لمعدات تكنولوجيا المعلومات. سنتحدث عن ذلك بمزيد من التفصيل لاحقًا. ما نحتاج إلى معرفته الآن هو أن انخفاض PUE يدل على مركز بيانات أكثر كفاءة، مما يشير إلى الاعتماد المنخفض على الطاقة غير الحاسوبية. في مواجهة البنية التحتية المتنامية واستهلاك الكهرباء المتزايد، فإن تحسين PUE بأنظمة تبريد أكثر كفاءة يوفر الحكمة المالية والعمليات المستدامة.

في هذه المقالة، سنستكشف طرق التبريد التقليدية والمبتكرة ونكتشف أي منها يوفر أقصى قدر من الكفاءة.

نظرة عامة على طرق التبريد

الهواء وغير الهواء

في تصنيف مبسط، يمكن تصنيف تقنيات التبريد إلى فئتين رئيسيتين: طرق تعتمد على الهواء وطرق غير تعتمد على الهواء. وللتوضيح، يشمل التبريد بالهواء الأساليب التقليدية، في حين تشمل الفئة غير المعتمدة على الهواء أساليب متنوعة تستخدم مواد مثل الماء أو الزيت أو المواد الصلبة. ومن الجدير بالذكر أن الغالبية العظمى، التي تشكل 99%، من طرق التبريد تندرج تحت مظلة التبريد بالهواء.

مكيفات الهواء

تُعد أنظمة تكييف الهواء الوسيلة الأكثر انتشارًا لتبريد الهواء في إعدادات مراكز البيانات الاحترافية. ويعكس مبدأها الأساسي مبدأ مكيفات الهواء السكنية: حيث يتم تدوير الهواء المتدفق عبر الخوادم عبر مكيف هواء، ثم يتم تبريده عبر شبكة مبرد، ثم يتم إعادة تدويره مرة أخرى إلى الخوادم. وتضمن هذه العملية الدورية آلية تبريد مستمرة.

المبردات

بعد مكيفات الهواء، تمثل المبردات ثاني أكثر أنظمة التبريد انتشارًا. وعلى عكس مكيفات الهواء، تستخدم المبردات الماء (أو محلول قائم على الماء) لنقل الحرارة بعيدًا عن المساحات التي تتطلب التحكم في المناخ. ورغم أن تكييف الهواء أبسط وأكثر تكلفة بشكل عام، فإن تكاليف الطاقة الأعلى قد تكون أحيانًا رادعة للشركات. من ناحية أخرى، تعد أنظمة المياه المبردة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، ولكنها تتطلب المزيد من المكونات والتعقيدات في تركيبها وصيانتها.

غرف وحصائر حرارية

يتضمن التبريد الأدياباتي استخدام غرف أو حصائر حيث يتم سكب الماء وتبخيره. ومع تبخر الماء، تبرد الغرف والحصائر مع الهواء الموجود بداخلها. وفي حين يمثل التبريد الأدياباتي خيارًا ثالثًا قابلاً للتطبيق، فإنه يعتبر غريبًا إلى حد ما ولا يتم استخدامه بشكل شائع في تبريد مراكز البيانات مقارنة بأجهزة تكييف الهواء والمبردات.

تبريد المياه

في أنظمة التبريد بالماء، يتم استخدام الماء أو السوائل المحتوية على الماء لتبديد الحرارة. يتم وضع أنابيب المياه بشكل استراتيجي في غرف الخوادم، حيث يتم توصيل كل خادم بأنبوبين - أحدهما لتدفق الماء الساخن والآخر لتدفق الماء البارد. يتم ربط المبردات الموجودة على وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات وغيرها من المعدات مباشرة بنظام إمداد المياه هذا. لا يعمل هذا النهج على تبريد معدات ومباني مركز البيانات فحسب، بل يولد أيضًا إمدادًا من الماء الدافئ لاستخدامات إضافية.

المبادلات الحرارية

تعمل هذه الطريقة على تعزيز كفاءة التبريد من خلال الاستفادة من البيئات الباردة الخارجية.

عندما يكون هناك مصدر بارد قريب، مثل بحيرة أو بحر أو أرض باردة، يمكن نشر أنابيب المياه مباشرة فيه لنقل كميات كبيرة من الحرارة من معدات تكنولوجيا المعلومات.

أشياء غريبة

هناك أيضًا طرق غير تقليدية. تعتمد إحدى هذه الطرق على عناصر بيلتييه أو المبردات الحرارية الكهربائية (TECs). يعتمد هذا النهج على تأثيرات أشباه الموصلات ويتضمن إمداد لوحة خاصة بالكهرباء يتم تسخينها على جانب واحد وتبريدها على الجانب الآخر.

هناك نهج طليعي آخر يتمثل في نشر مراكز البيانات تحت الماء. مشروع Natick من مايكروسوفت على سبيل المثال، تم غمر مركز بيانات بعمق 117 قدمًا في الجزر الشمالية في ربيع عام 2018. وعلى مدار العامين التاليين، أجرى الفريق اختبارات ومراقبة صارمة لخوادم مركز البيانات. وتم التأكيد على أن وضع حاوية محكمة الغلق على قاع المحيط يمكن أن يعزز موثوقية مركز البيانات بشكل عام من خلال التخفيف من مشكلات مثل التآكل وتقلبات درجات الحرارة والاضطرابات المادية التي تحدث عادةً على الأرض.

تبريد مجاني

تهدف هذه التقنية بشكل خاص إلى تعظيم كفاءة التبريد. يعمل التبريد الحر على تجديد الهواء داخل مركز البيانات دون الاعتماد على أنظمة التبريد التقليدية. فهو يستخدم الهواء الخارجي الطبيعي كما هو. وعادة ما يخضع الهواء الخارجي للتحكم في الرطوبة ثم تعمل العمليات الديناميكية الحرارية الطبيعية على تنظيم درجات الحرارة داخل غرف البيانات.

تقلل هذه الطريقة بشكل كبير من استهلاك الطاقة (75% إلى 92% أقل مقارنة بأنظمة CRAH الأخرى)، وتخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وتزيل الحاجة إلى الماء في نظام التبريد.

يعد التبريد المجاني أحد أكثر الخيارات الصديقة للبيئة والتي تتطلب طاقة أقل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يساعد في توفير التكاليف حيث أن 40% من الطاقة التي تستخدمها مراكز البيانات تذهب إلى التبريد. يعمل هذا النظام على تحسين أداء جميع المعدات المبردة بالهواء، حتى في الظروف الصعبة. فيما يلي تمثيل مرئي بسيط لعملية التبريد المجاني:

كما ترى، يعمل النظام بطريقة مباشرة للغاية، حيث يقوم بتوجيه الهواء الخارجي عبر المرشحات ومعدات تكنولوجيا المعلومات، ثم يطرده. وهذا التخفيض في التعقيد، مع وجود المراوح فقط كنقاط ضعف محتملة، يعزز من الموثوقية الإجمالية للتيار المستمر في التبريد الحر.

وعلى النقيض من الأنظمة التي تحتوي على معدات معقدة، فإن غياب المكونات المعقدة يقلل أيضًا من تكاليف الإعداد الأولي ونفقات الصيانة المستمرة. لذا فإن المزايا المالية تبدأ بالفعل في مرحلة البناء، حيث تترجم التصميم المبسط للتبريد المجاني إلى وفورات ملموسة.

معاناة الاختيار

خلال المؤتمرات والاجتماعات، غالبا ما أتلقى العديد من الأسئلة التي تدور حول المفارقة: إذا كان التبريد المجاني مفيدا من حيث توفير التكاليف والبساطة، فلماذا لا يتم اعتماده عالميا في الصناعة؟

وهذا يثير تساؤلاً أوسع نطاقاً حول سبب تبني عدد محدود من الشركات للتبريد المجاني، على الرغم من فوائده، في حين تستمر شركات أخرى في استخدام الأساليب التقليدية. وتكمن الإجابة على هذا السؤال في فحص متعدد الجوانب لديناميكيات الصناعة السائدة.

دكتاتورية الصناعة

في صناعة مراكز البيانات، حيث تشكل الموثوقية أهمية أساسية، غالبًا ما يواجه تبني الحلول المبتكرة مقاومة. وأرجع هذا في المقام الأول إلى الطبيعة المحافظة لصناعة مراكز البيانات، حيث يعطي صناع القرار الأولوية للمفاهيم المثبتة على الحلول المبتكرة.

في حين أن التقنيات الجديدة مثل التبريد المجاني تعد بالفعالية من حيث التكلفة والكفاءة، فإن ممثلي الصناعة يفضلون الأساليب التقليدية ولكن الموثوقة لضمان التشغيل السلس للخوادم.

عوائق التسويق

هناك نقطة أخرى هنا وهي أن مقدمي خدمات التيار المستمر التجاريين، الذين يشكلون حوالي 80% من الصناعة، يعتمدون على الشهادات من هيئات مستقلة مثل معهد أب تايم ولكن هذا يشكل تحديًا لحلول التبريد المجانية، حيث لا يوجد حتى الآن شهادة معتمدة لها. ويؤدي هذا الوضع إلى مقاومة مقدمي الخدمات التجارية لأساليب التبريد البديلة، مشيرين إلى عدم اليقين بشأن موثوقيتها وغياب سابقة الاعتماد.

مخاوف بشأن الاحتباس الحراري العالمي

كثيراً ما يثير المنتقدون مخاوف بشأن تأثير الانحباس الحراري العالمي على جدوى التبريد المجاني. ولكن هذه الحجة تُدحض بالاعتراف بالطبيعة التدريجية للاحتباس الحراري العالمي، مع زيادة تقريبية تبلغ 1.5 درجة مئوية على مدى عقد من الزمان. ومن غير المرجح أن يؤدي هذا التغير المتواضع في درجات الحرارة إلى المساس باستقرار حلول التبريد المجاني في الأمد القريب.

حجة "فقط في حالة"

هناك ممارسة أخرى شائعة بين الشركات التي تختار طريقة تبريد التيار المستمر، وهي تضمين وحدات تكييف الهواء الاحتياطية كإجراء احترازي بالإضافة إلى التبريد المجاني. وهذه الحجة "فقط في حالة الطوارئ" تقوض المفهوم الأساسي للتبريد المجاني، وتؤدي إلى تعقيد غير ضروري وتهدد الكفاءة المالية والتشغيلية.

حتى بالنسبة لمكيف الهواء الصغير، تنشأ الحاجة إلى توفير مكونات مختلفة مثل الفريون والأسلاك والسوائل والأنظمة وأدوات التحكم. وبدلاً من تبني فكرة وجود مكيف هواء احتياطي، يجب على الصناعة التركيز على تكييف نظام التبريد المجاني الخاص بها مع مجموعة واسعة من الظروف دون الاعتماد على الآمال الزائفة.

المخاطر والاعتبارات الحقيقية

عند التفكير في حلول التبريد المجانية، هناك بعض المخاطر والاعتبارات الملموسة التي تتطلب الاهتمام. أحد الاعتبارات الأساسية هو المنطقة الجغرافية، حيث قد لا يكون نشر التبريد المجاني في منطقة مثل الإمارات العربية المتحدة مبررًا.

إن إمكانية الوصول هي جانب آخر يجب وضعه في الاعتبار. يجب أن تمتلك المنطقة المختارة البنية الأساسية اللازمة وأن تكون سهلة الوصول من قبل الموظفين المتخصصين المكلفين بصيانة مركز البيانات. كما أن الاتصال، بما في ذلك توافر الخطوط الضوئية، مهم أيضًا. على سبيل المثال، يصبح إنشاء مركز بيانات مجاني التبريد خارج الدائرة القطبية الشمالية غير عملي بسبب غياب خطوط الاتصال والتحدي المتمثل في الحفاظ على قوة عاملة ماهرة.

وبعيداً عن هذه الاعتبارات اللوجستية، فإن القيود الوحيدة المفروضة على التبريد المجاني تتعلق بأقصى درجة حرارة في المنطقة (حوالي 38-40 درجة) ونوعية الهواء. وقد تشكل المناطق التي تعاني من التلوث المفرط، مثل تلك القريبة من الطرق السريعة المزدحمة أو الأنشطة الزراعية المكثفة، مشاكل. وفي حين لا يوجد حظر صريح، فإن المرشحات في مثل هذه المواقع ستحتاج إلى استبدال متكرر. وعلى عكس مراكز البيانات المكيفة التقليدية التي تدور الهواء الداخلي، فإن مراكز التبريد المجاني تسحب الهواء الخارجي، مما يتطلب صيانة أكثر اجتهاداً للمرشحات. وتتوافق معلمات الموقع الأخرى مع تلك التي تنطبق على مراكز البيانات التقليدية.

رواد وتوجهات المستقبل

وعلى الرغم من الطبيعة المحافظة للصناعة، فإن بعض الشركات ذات التفكير المستقبلي تقوم بتقييم الفوائد الملموسة للبدائل. ومن خلال حساب فعالية التبريد المجاني من حيث التكلفة من خلال التحليل العددي، تدرك هذه الشركات التوفير المحتمل في التكاليف الذي توفره.

إن العديد من الشركات البارزة، مثل فيسبوك (ميتا الآن)، وجوجل، وأمازون، وياندكس، وويلدبيريز، رائدة في تبني تقنية التبريد المجانية. وتنبع مكانتها الرائدة من استعدادها لتقييم المخاطر والاعتراف بالمزايا المالية الكامنة في هذه التقنية. وكان الاختيار واضحًا لهذه الشركات - إما أن تلجأ إلى المخططات التقليدية وتتكبد تكاليف أعلى أو تخاطر وتتحمل فوائد التحول إلى رواد في تبريد مراكز البيانات.

يشير المشهد المتطور للصناعة إلى اتجاه متزايد بين الشركات العملاقة نحو تنفيذ حلول التبريد المجانية. ومع إدراك المزيد من الشركات للفعالية من حيث التكلفة والمزايا التشغيلية لهذه التكنولوجيا، فمن المتوقع ظهور عدد متزايد من مراكز البيانات المبردة المجانية للشركات في المستقبل.

إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن فيزياء التبريد المجاني، فاستكشف الموضوع في مقالتي الجديدة التبريد المجاني: الغوص العميق في التكنولوجيا.