Аптымізацыя эфектыўнасці цэнтра апрацоўкі дадзеных: глыбокае паглыбленне ў метады свабоднага астуджэння

У папярэднім артыкуле мы абмяркоўвалі хуткае пашырэнне інфраструктуры цэнтра апрацоўкі дадзеных і павелічэнне спажывання электраэнергіі, да якога гэта прывяло. Паколькі серверы пераўтвараюць электрычнасць у цяпло падчас працы, кіраванне высокімі тэмпературамі і астуджэнне памяшканняў і абсталявання цэнтра апрацоўкі дадзеных становіцца праблемай нумар 1 для каманд DC.

У той час як традыцыйныя метады астуджэння, у тым ліку кандыцыянеры і ахаладжальнікі, эфектыўна астуджаюць памяшканні цэнтра апрацоўкі дадзеных і серверы, іх дарагоўля застаецца істотным недахопам. Free cooling, у адрозненне ад традыцыйных метадаў, не патрабуе значных укладанняў, але забяспечвае той жа ўзровень эфектыўнасці і надзейнасці. У гэтым артыкуле я зраблю падрабязны агляд тэхналогіі бясплатнага астуджэння, вылучыўшы яе перавагі, абмежаванні і патрабаванні для паспяховага ўкаранення.

Фізіка вольнага астуджэння

Каб зразумець фізіку свабоднага астуджэння, нам трэба будзе перагледзець формулу цеплавой энергіі:

Q = mcΔT

Тут "Q" абазначае колькасць атрыманага або страчанага цяпла, "m" азначае масу ўзору (у нашым выпадку, масу паветра ў цэнтры апрацоўкі дадзеных), "c" абазначае ўдзельную цеплаёмістасць паветра, і ΔT азначае розніцу тэмператур.

У цэнтры апрацоўкі дадзеных асноўнай крыніцай цяпла з'яўляецца працэсар. Як правіла, існуе ад 2 да 4 працэсараў, кожны з якіх працуе прыблізна на 200 Вт. Як гаварылася раней, уся электрычная энергія, якая спажываецца працэсарамі, пераўтворыцца ў цяпло. Такім чынам, напрыклад, з 2 працэсарамі мы выпрацоўваем 400 Вт цяпла, якое трэба рассейваць. Цяпер наша мэта - вызначыць колькасць паветра, неабходнае для гэтай мэты.

Параметр ΔT, або розніца тэмператур, паказвае, што чым ніжэй тэмпература вонкавага паветра, тым менш паветраных мас патрабуецца для астуджэння працэсараў. Напрыклад, калі тэмпература паветра на ўваходзе роўная 0°C, а тэмпература на выхадзе роўная 35°C, ΔT будзе складаць толькі 35, што азначае значна меншую патрэбу ў масе паветра. Аднак у летні сезон астуджэнне становіцца больш складаным з-за павышэння тэмпературы навакольнага асяроддзя. Чым вышэй тэмпература на вуліцы, тым большая колькасць паветра спатрэбіцца для астуджэння сервераў.

Тэмпературныя абмежаванні сервераў і сеткавых кампанентаў

Нягледзячы на тое, што бясплатнае астуджэнне можа быць эфектыўным для ўмеранага і халоднага клімату, яно па-ранейшаму мае абмежаванні з-за тэмпературных абмежаванняў кампанентаў сервера. Крытычныя кампаненты ІТ- і сеткавага абсталявання, такія як працэсары, аператыўная памяць, жорсткія дыскі, цвёрдацельныя назапашвальнікі і дыскі NVMe, маюць патрабаванні да працоўнай тэмпературы:

• Працэсары: макс. 89°C
• RAM: макс. 75°C
• Жорсткія дыскі: макс. 50°C
• SSD і назапашвальнікі NVMe: макс. 47-48°C

Гэтыя абмежаванні непасрэдна ўплываюць на прыдатнасць тэмпературы вонкавага паветра для астуджэння. Вольнае астуджэнне не будзе жыццяздольным у рэгіёнах, дзе тэмпература вонкавага паветра перавышае гэтыя парогі ці нават набліжаецца да іх, бо можа пашкодзіць сістэму з-за перагрэву. Рэгіянальныя абмежаванні

Як мы ўжо тлумачылі, тэмпература вонкавага паветра павінна пастаянна заставацца ніжэйшай за максімальныя працоўныя тэмпературы ІТ-абсталявання, каб натуральнае астуджэнне было эфектыўным. Гэта патрабуе ўважлівага разгляду кліматычных умоў размяшчэння DC. Арганізацыі павінны аналізаваць доўгатэрміновыя прагнозы надвор'я, каб гарантаваць, што тэмпература не перавышае патрабаваныя парогавыя значэнні, нават у пэўныя дні ці гадзіны. Акрамя таго, улічваючы працяглы тэрмін службы цэнтраў апрацоўкі дадзеных (звычайна 10-15 гадоў), пры прыняцці рашэння аб размяшчэнні неабходна ўлічваць наступствы глабальнага пацяплення.

Патрабаванні да архітэктуры вузла сервера

У кантэксце фізікі дасягненне эфектыўнага астуджэння сервераў залежыць ад забеспячэння дастатковага патоку паветра праз сістэму. Важную ролю ў гэтым працэсе гуляе архітэктура сервера.

І наадварот, серверы без адпаведных канструктыўных функцый, такіх як перфарацыі або адтуліны, могуць перашкаджаць патоку паветра, патэнцыйна пагаршаючы агульную эфектыўнасць механізму вольнага астуджэння.

Кантроль вільготнасці

Узровень вільготнасці з'яўляецца яшчэ адным крытычным фактарам, калі справа даходзіць да свабоднага астуджэння. Паколькі нам не хапае кантролю над знешнімі ўмовамі вільготнасці, узнікаюць два актуальныя запыты: па-першае, узровень вільготнасці, які набліжаецца да 100% або перавышае яго ў цэнтры апрацоўкі дадзеных (DC); па-другое, разгляд сцэнарыяў вельмі нізкай вільготнасці паветра, напрыклад, у марозны лютаўскі дзень з тэмпературай вонкавага паветра -30°C і адноснай вільготнасцю ад 2% да 5%. Давайце сістэмна разгледзім гэтыя сітуацыі.

Ва ўмовах падвышанай вільготнасці існуе агульная занепакоенасць патэнцыйным узнікненнем кандэнсату і яго негатыўным уздзеяннем на функцыянальнасць абсталявання. Насуперак гэтай заклапочанасці, у зонах паўторнага астуджэння DC, дзе адбываецца працэс астуджэння, кандэнсацыя выключана. Гэта адбываецца з-за таго, што пры кантакце цёплага вільготнага паветра з больш халоднымі паверхнямі ўтвараецца кандэнсат. Аднак у сістэме вольнага астуджэння пастаяннага току ні адзін элемент не халаднейшы за навакольнае паветра. Такім чынам, кандэнсацыя па сваёй сутнасці абцяжарана, што пазбаўляе ад неабходнасці прыняцця актыўных мер.

Наадварот, пры нізкай вільготнасці асцярогі ссоўваюцца ў бок генерацыі статычнай электрычнасці, што стварае пагрозу для стабільнасці абсталявання. Гэтая праблема не звязана з кандэнсатам, але патрабуе асобнага рашэння. Змякчэнне ўключае працэдуры зазямлення і нанясенне спецыялізаванага падлогавага пакрыцця. Гэтыя меры супадаюць з устаноўленымі метадамі абароны ўнутранага абсталявання ад статычнай электрычнасці. Дзякуючы зазямленню канструктыўных элементаў, стэлажоў і IT-абсталявання, статычны зарад бясшкодна рассейваецца на зямлю, захоўваючы цэласнасць абсталявання.

У натуральным клімаце выпадкі экстрэмальна высокай або нізкай вільготнасці сустракаюцца рэдка. Прыкметныя выключэнні ўключаюць рэдкія падзеі, такія як навальніца, якая дасягае 100% вільготнасці ў ліпені, або моцны мароз, які выклікае вельмі нізкую вільготнасць. Аднак на працягу большай часткі часу ўзроўні вільготнасці застаюцца ў дапушчальных межах, якія не наносяць ніякай шкоды абсталяванню, нават пры адсутнасці актыўных умяшанняў.

Колькасць і хуткасць паветра

Як мы ўжо абмяркоўвалі, для эфектыўнага астуджэння нам патрэбны значны аб'ём вонкавага паветра. Адначасова ўзнікае, здавалася б, неразумнае патрабаванне - падтрыманне нізкага паветранага патоку ўнутры будынка. Гэты ўяўны парадокс караніцца ў праблемах, звязаных з высакахуткаснымі паветранымі патокамі, якія цыркулююць унутры.

Для спрашчэння ўявіце сабе высокую паветраную хуткасць як моцны паток з трубы, які стварае завіхрэнні і турбулентнасць вакол ІТ-абсталявання. Гэтая турбулентнасць патэнцыйна прыводзіць да нерэгулярных рухаў паветра і лакальнага перагрэву. Каб вырашыць гэтую праблему, мы стратэгічна імкнемся да агульнай нізкай паветранай хуткасці 1-2 метраў у секунду ва ўсім прасторы.

Падтрыманне гэтай кантраляванай хуткасці дазваляе нам ліквідаваць турбулентнасць. Больш высокая хуткасць можа выклікаць нераўнамернасць руху паветра. Прытрымліваючыся дыяпазону 1-2 метраў у секунду, мы забяспечваем плаўны, раўнамерны паток паветра, пазбягаючы лакальнага перагрэву. Гэты далікатны баланс забяспечвае аптымальнае астуджэнне ІТ-абсталявання, абыходзячы падводныя камяні, звязаныя з высакахуткаснымі паветранымі патокамі.

Як відаць, падыход свабоднага астуджэння круціцца вакол эфектыўнага выкарыстання вонкавага паветра, аддаючы прыярытэт кантраляванай нізкай унутранай хуткасці паветра. Гэтая прадуманая стратэгія дапамагае падтрымліваць ламінарным і раўнамерны паток паветра, забяспечваючы эфектыўнае астуджэнне ІТ-абсталявання.

Канцэпцыя будынка

У парадыгме свабоднага астуджэння традыцыйныя паветраводы не выкарыстоўваюцца ў канструкцыі будынка. У адрозненне ад звычайных установак з прызначанымі паветраводамі ў сценах, столі або ў асобных памяшканнях, цэнтры апрацоўкі даных выкарыстоўваюць нетрадыцыйны падыход. Сам будынак задуманы як паветравод, што робіць традыцыйныя кандыцыянеры састарэлымі. Велізарны памер гэтых паветраводаў ператварае іх у неад'емныя кампаненты пакояў і падлог.

Працэс паветранага патоку пачынаецца, калі вонкавае паветра паступае ў будынак, праходзячы праз два тыпу фільтраў - фільтры грубай ачысткі і фільтры тонкай ачысткі. Пасля таго, як паветра праходзіць працэс ачысткі, яно накіравана вентылятарамі ў шырокія аб'ёмы будынкаў, прыблізна эквівалентныя чатырох паверхам у вышыню. Гэты значны аб'ём выконвае сваю мэту: запавольваць паветраны паток, зніжаючы яго хуткасць да неабходнага дыяпазону 1-2 метраў у секунду. Пасля паветра апускаецца ў машыннае аддзяленне.

Пасля праходжання машыннага аддзялення паветра працягвае свой шлях праз ІТ-стойкі, прасоўваючыся ў гарачы праход. Адтуль ён трапляе ў калектар гарачага паветра, перш чым выкідвацца вонкі праз выцяжныя вентылятары. Гэты структураваны шлях паветранага патоку забяспечвае эфектыўны працэс астуджэння пры захаванні кантраляванай хуткасці паветра.

Паветраная хуткасць і аб'ём

Наўмысны выбар дызайну з выкарыстаннем шырокіх аб'ёмаў будынкаў служыць падвойнай мэты. Перш за ўсё, гэта дазваляе паступова зніжаць хуткасць паветра, гарантуючы, што паток паветра дасягае жаданай хуткасці 1-2 метраў у секунду. Гэтая кантраляваная хуткасць паветра важная для прадухілення турбулентнасці і падтрымання ламінарнага патоку, што асабліва важна, калі паветра праходзіць праз адчувальнае ІТ-абсталяванне. Па-другое, значны аб'ём змяшчае неабходны аб'ём паветра для эфектыўнага адводу вылучаемага цяпла. Сінхранізаванае ўзаемадзеянне хуткасці паветра і аб'ёму спрыяе агульнаму поспеху сістэмы.

Перапад ціску як адзіны драйвер кіравання

У рэжыме свабоднага астуджэння мы не можам кантраляваць тэмпературу вонкавага паветра, што прыводзіць да ваганняў тэмпературы паветра, якое паступае ў Цэнтр апрацоўкі дадзеных (DC). Нягледзячы на гэта, ацэнка неабходнага паветранага патоку для астуджэння абсталявання вельмі важная. Каб вырашыць гэта, мы абапіраемся на метад перападу ціску.

Унутры кожнай ІТ-стойкі серверы з унутранымі вентылятарамі працуюць з рознай хуткасцю, разам ствараючы перапад ціску паміж пярэдняй і задняй часткай стойкі. З вялікай колькасцю сервераў, кожны з якіх уносіць свой уклад у агульны паветраны паток, гэтая розніца ціску паступова нарастае паміж халодным і гарачым праходамі. Выкарыстоўваючы датчыкі ціску ў абодвух праходах і звонку будынка DC, мы можам вымераць гэты перапад ціску.

Разлік прадугледжвае адніманне даных датчыка ціску ў гарачым праходзе з атмасфернага ціску і адніманне даных датчыка ціску ў халодным праходзе з атмасфернага ціску. Такім чынам, як у прыкладзе ніжэй:

Рэальны прыклад

Атрыманыя значэнні затым накіроўваюць нас пры вызначэнні неабходнай падачы паветра ў DC і неабходнай выцяжкі для кампенсацыі працы серверных вентылятараў. Прасцей кажучы, мы ацэньваем нашы патрэбы ў паветраным патоку на аснове перападаў ціску, што дазваляе нам эфектыўна кіраваць працэсам астуджэння ў DC.

Камера нагрэву і змешвання

Традыцыйныя сістэмы ацяплення звычайна не ўкараняюцца ў ЦОД з натуральным астуджэннем. Выкарыстанне вады лічыцца нерацыянальным з-за кошту і магчымых рызык для абсталявання. Гэта ўяўляе праблему падчас моцных халадоў, калі на вуліцы дасягаецца -20–30 градусаў. Хоць абсталяванне спраўляецца з гэтым добра, інжынеры шукаюць больш мяккі падыход. Самае элегантнае і лагічнае рашэнне тут - паўторнае выкарыстанне гарачага паветра, якое ствараецца IT-абсталяваннем. Накіроўваючы гарачае паветра ад сервераў у камеру змешвання і вяртаючы яго частка ў асноўны паветраны струмень, сістэма падтрымлівае цяпло памяшканняў зімой і дазваляе зэканоміць выдаткі на ацяпленне.

Прастата і надзейнасць

Ключавы тэзіс у тэорыі надзейнасці сцвярджае, што прастата спараджае надзейнасць. Гэта датычыцца і сістэмы вольнага астуджэння, якая з'яўляецца надзвычай простай канцэпцыяй. Сістэма функцыянуе як барыкада, прапускаючы паветра звонку праз фільтры, прапускаючы яго праз ІТ-абсталяванне, а потым проста выдаляючы.

Адсутнасць складаных сістэм павышае надзейнасць, уразлівымі ў гарачае надвор'е з'яўляюцца толькі вентылятары. Падыход свабоднага астуджэння з'яўляецца прыкладам радыкальнага спрашчэння сістэмы, значнага павышэння надзейнасці за кошт памяншэння колькасці элементаў.

Фанаты DC супраць фанатаў сервера

Іерархічны аўтарытэт вентылятараў - яшчэ адно фундаментальнае пытанне ў дынаміцы паветранага патоку ў DC. Як мы ўжо абмяркоўвалі, ёсць буйныя фанаты на ўзроўні DC і на ўзроўні сервера. Пытанне ў наступным: вентылятары цэнтра апрацоўкі дадзеных проста падаюць паветра, пакідаючы вентылятары сервера спажываць столькі, колькі неабходна? Ці попыт зыходзіць ад фанатаў сервера, прымушаючы фанатаў DC выконваць іх патрабаванні?

Механізм такі: дамінуючую ролю ў гэтым працэсе выконваюць серверныя вентылятары, якія вызначаюць неабходны паветраны паток. Пасля гэтага вентылятары пастаяннага току рэагуюць, падаючы неабходны аб'ём паветра. Становіцца відавочным, што калі сукупны попыт ад усіх сервераў перавышае магутнасць прапановы вентылятара пастаяннага току, гэта можа прывесці да патэнцыйнага перагрэву.

Такім чынам, адказ у тым, што фанаты сервераў маюць перавагу ў гэтай дынаміцы. Яны арганізуюць паток паветра, задаючы неабходную колькасць паветра.

Эфектыўнасць і разлік ПУЭ

Для ацэнкі эфектыўнасці праекта пастаяннага току традыцыйна выкарыстоўваецца разлік эфектыўнасці выкарыстання энергіі (PUE). Формула для PUE - гэта стаўленне агульнай магутнасці аб'екта да магутнасці ІТ-абсталявання:

PUE = Агульная магутнасць аб'екта / Магутнасць ІТ-абсталявання

У ідэале ён роўны 1, што азначае, што ўся энергія накіроўваецца на ІТ-абсталяванне без якіх-небудзь страт. Аднак дасягненне гэтага ідэальнага сцэнарыя рэдка сустракаецца ў рэальных праектах.

Іншая праблема ўзнікае, калі мы спрабуем стварыць дакладную метадалогію вылічэння эфектыўнасці выкарыстання энергіі (PUE). Так, напрыклад, у нашай сістэме ёсць метрыка імгненнага спажывання энергіі ў ватах, што дазваляе разлічыць PUE ў рэжыме рэальнага часу.

Больш за тое, мы можам атрымаць сярэдні PUE за гадавы перыяд, які прапануе больш поўную ацэнку з улікам сезонных ваганняў. Гэта асабліва актуальна, улічваючы розніцу ў спажыванні энергіі паміж сезонамі; напрыклад, розніца ў патрабаваннях да астуджэння паміж летнімі і зімовымі месяцамі. Гэта азначае, што калі мы хочам атрымаць больш надзейную ацэнку, нам трэба расставіць прыярытэты ў сярэднім за год, забяспечваючы больш збалансаваную і поўную ацэнку.

Таксама важна вывучаць ПУЭ не толькі ў энергетычных, але і ў грашовых адзінках, улічваючы пры гэтым сезонныя ваганні цэн на электраэнергію. Ацэнка ПУЭ ў грашовым выразе дае больш цэласнае ўяўленне аб эфектыўнасці працы.

Акрамя таго, гэты падыход адкрывае магчымасці дасягнуць значэння PUE менш за 1 пры вымярэнні ў доларах. Гэта становіцца магчымым, напрыклад, калі мы выкарыстоўваем адпрацаванае цяпло для падагрэву вады і прадаем яго далей у бліжэйшыя гарады. Вартыя ўвагі прыклады, такія як цэнтр апрацоўкі дадзеных Google у ЗША і аб'ект Яндэкса ў Фінляндыі, дэманструюць жыццяздольнасць такой практыкі, асабліва ў рэгіёнах з высокімі выдаткамі на энергію.

Эфектыўнасць супраць надзейнасці

Асцярогі наконт зніжэння выдаткаў і павышэння эфектыўнасці часта выклікаюць пытанні аб магчымым негатыўным уздзеянні на надзейнасць. Аднак я хацеў бы падкрэсліць, што пры бясплатным астуджэнні пагоня за эфектыўнасцю не ставіць пад пагрозу надзейнасць. Замест гэтага яго тэхналагічныя пабочныя эфекты могуць нават павысіць эфектыўнасць. Напрыклад, як мы ўжо абмяркоўвалі, перанакіраванне залішняга цяпла на цеплавыя помпы для атрымання дадатковых пераваг, такіх як генерацыя гарачай вады для бліжэйшых гарадоў, становіцца фінансава выгаднай практыкай без шкоды для надзейнасці.

Будучыня свабоднага астуджэння

Нягледзячы на ўсе перавагі бясплатнага астуджэння, індустрыя цэнтраў апрацоўкі дадзеных па-ранейшаму кіруецца кансерватыўным падыходам і патрабуе праверанай надзейнасці, з тэндэнцыяй супрацьстаяць інавацыйным рашэнням. Залежнасць ад сертыфікатаў такіх органаў, як Інстытут бесперабойнай працы для маркетынгу стварае яшчэ адну перашкоду для рашэнняў бясплатнага астуджэння, адсутнасць усталяванай сертыфікацыі, у выніку чаго камерцыйныя пастаўшчыкі ставяцца да іх са скептыцызмам.

Тым не менш, сярод карпаратыўных гіперскаляраў існуе тэндэнцыя выкарыстоўваць бясплатнае астуджэнне ў якасці асноўнага рашэння для сваіх DC. З ростам колькасці кампаній, якія прызнаюць рэнтабельнасць і эксплуатацыйныя перавагі гэтай тэхналогіі, мы чакаем, што ў бліжэйшыя 10-20 гадоў з'явіцца больш цэнтраў апрацоўкі дадзеных без карпаратыўнага астуджэння.