Дефиниране на проблема Ескалиращото нарастване на инфраструктурата на центровете за данни и съпътстващото увеличаване на използването на ИТ оборудване доведоха до увеличаване на потреблението на електроенергия. Тъй като сървърите, неразделни компоненти на центровете за данни, преобразуват електричеството в топлина по време на работа, ние се сблъскваме с проблема да се справим с високи температури и хладни помещения и оборудване на центрове за данни. Нека си припомним набързо основите на училищната физика: следвайки основните принципи на термодинамиката, енергията не изчезва, а се трансформира. Така, ако един център за данни консумира 1 MW електроенергия – целият този енергиен квант се трансформира в еквивалентно количество топлина. Следователно, колкото повече електроенергия се консумира, толкова по-голямо е предизвикателството да се управлява получената топлина в центъра за данни. Ситуацията става още по-сложна, тъй като ИТ оборудването може да има различни нива на потребление на енергия, докато има различни физически размери. Например оборудване с висока консумация на енергия може да има малък размер, което създава проблеми при ефективното охлаждане на концентрираната топлина. От друга страна, по-голямото ИТ оборудване с относително умерено потребление на електроенергия се охлажда по-лесно поради по-голямата си повърхност. Центровете за данни обикновено разполагат с комбинация от размери на оборудване и нива на потребление, което представлява предизвикателството не само да се охлажда разнообразно ИТ оборудване, но и да се прави това с различни скорости, продиктувани от температурните изисквания на всеки тип оборудване. Излишно е да казвам, че за охлаждане на DC се нуждаем от значителни количества електроенергия, което увеличава оперативните разходи. Проблемът с ефективното използване на енергията в центровете за данни става особено остър с глобалното поскъпване на електроенергията. Според световните цени на електроенергията скочиха рязко до рекорден максимум между 2021 г. и 2022 г. Когато здравната криза с COVID-19 отшумя през втората половина на 2021 г., търсенето на енергия се увеличи и цените на електроенергията достигнаха първи рекорд. В началото на 2022 г. енергийният пазар отново се затегна и енергийната криза се засили. докладът на Statista Потреблението на електроенергия в центъра за данни расте въпреки нарастващата ефективност на производителността. С други думи, въпреки че производителността на ват се подобрява, търсенето на ресурси нараства още по-бързо, така че общото потребление неизбежно се увеличава, както и разходите. Въпреки това могат да се постигнат значителни икономии на разходи чрез оптимизиране на охладителните системи. Това ме накара да искам да разгледам по-задълбочено ефективните методи за охлаждане като цяло и в частност свободното охлаждане. Оценката на нивата на потребление на енергия в центровете за данни обикновено се основава на показателя за ефективност на използването на енергия (PUE). PUE измерва ефективността на центъра за данни, като оценява общата консумация на енергия спрямо тази, използвана изключително за ИТ оборудване. Ще говорим за това по-подробно малко по-късно. Това, което трябва да знаем сега, е, че по-нисък PUE означава по-ефективен център за данни, което показва намалена зависимост от некомпютърна мощност. В лицето на нарастващата инфраструктура и ескалиращото потребление на електроенергия, оптимизирането на PUE с по-ефективни системи за охлаждане осигурява финансова предпазливост и устойчиви операции. В тази статия ще разгледаме традиционните и иновативни методи за охлаждане и ще открием кой от тях предлага максимална ефективност. Преглед на методите за охлаждане Въздушни и невъздушни В опростена класификация техниките за охлаждане могат да бъдат разделени на две основни категории: въздушни и невъздушни методи. По-подробно въздушното охлаждане включва конвенционални подходи, докато категорията без въздух включва различни методи, използващи вещества като вода, масло или твърди материали. Трябва да се отбележи, че огромното мнозинство, съставляващо 99%, от методите за охлаждане попадат под чадъра за въздушно охлаждане. Климатици Климатичните системи са най-разпространеното средство за охлаждане на въздуха в професионалните центрове за данни. Техният основен принцип отразява този на жилищните климатици: въздухът, преминаващ през сървърите, циркулира през климатик, охлажда се през радиаторна решетка и след това се връща обратно в сървърите. Този цикличен процес осигурява непрекъснат охлаждащ механизъм. Чилъри След климатиците чилърите представляват втората най-разпространена система за охлаждане. За разлика от климатиците, охладителите използват вода (или разтвор на водна основа), за да пренасят топлината далеч от пространствата, изискващи контрол на климата. Въпреки че климатикът е по-прост и като цяло по-достъпен, по-високите енергийни разходи понякога могат да бъдат възпиращи за бизнеса. От друга страна, системите с охладена вода са по-енергийно ефективни, но изискват повече компоненти и сложност при инсталирането и поддръжката им. Адиабатни камери и рогозки Адиабатното охлаждане включва използването на камери или рогозки, където водата се излива и изпарява. Докато водата се изпарява, камерите и постелките се охлаждат заедно с въздуха вътре. Докато адиабатното охлаждане представлява трета жизнеспособна опция, то се счита за малко екзотично и не се използва толкова често в охлаждането на центрове за данни в сравнение с климатиците и охладителите. Водно охлаждане В системите за водно охлаждане водата или съдържащите вода течности се използват за разсейване на топлината. Водопроводните тръби са стратегически разположени в сървърните стаи, като всеки сървър е свързан към две тръби — едната за оттичане на гореща вода, а другата за приток на студена вода. Радиаторите на процесорите, графичните процесори и друго оборудване са свързани директно към тази водоснабдителна система. Този подход не само охлажда оборудването и помещенията на центъра за данни, но също така генерира доставка на топла вода за допълнителни нужди. Топлообменници Този метод подобрява ефективността на охлаждане чрез използване на външни студени среди. Когато наблизо има източник на студ, като езеро, море или студена почва, водопроводните тръби могат да бъдат разположени направо в него, за да предават големи количества топлина от ИТ оборудване. Екзотика Има и нетрадиционни методи. Един от тях е базиран на елементи на Пелтие или термоелектрически охладители (ТЕО). Този подход разчита на полупроводникови ефекти и включва подаване на електричество към специална плоча, която се нагрява от едната страна и се охлажда от другата. Друг авангарден подход е разполагането на подводни центрове за данни. в , например, център за данни беше потопен на дълбочина 117 фута в Северните острови през пролетта на 2018 г. През следващите две години екипът проведе стриктно тестване и наблюдение на сървърите на центъра за данни. Беше потвърдено, че поставянето на запечатан контейнер на океанското дъно може да подобри цялостната надеждност на центъра за данни чрез смекчаване на проблеми като корозия, температурни колебания и физически смущения, които обикновено се случват на сушата. Проектът Natick на Microsoft Свободно охлаждане Тази техника е специално насочена към максимизиране на ефективността на охлаждане. Безплатното охлаждане освежава въздуха в центъра за данни, без да разчита на традиционни системи за охлаждане. Той използва естествен външен въздух такъв, какъвто е. Обикновено външният въздух подлежи само на контрол на влажността и след това естествените термодинамични процеси регулират температурите в помещенията с данни. Този метод значително намалява консумацията на енергия (75% до 92% по-малко в сравнение с други системи CRAH), намалява емисиите на въглероден диоксид и елиминира нуждата от вода в охладителната система. Безплатното охлаждане е един от най-екологичните решения, който изисква по-малко енергия. Освен това може да помогне за спестяване на разходи, тъй като 40% от мощността, използвана от центровете за данни, отива за охлаждане. Тази система подобрява производителността на цялото оборудване с въздушно охлаждане, дори при тежки условия. Ето просто визуално представяне на процеса на свободно охлаждане: Както можете да видите, системата работи по много лесен начин, канализирайки външния въздух през филтри, ИТ оборудване и го изхвърля. Това намаляване на сложността, само с вентилатори като потенциални уязвимости, укрепва цялостната надеждност на DC при свободно охлаждане. За разлика от системите със сложно оборудване, липсата на сложни компоненти също намалява както първоначалните разходи за настройка, така и текущите разходи за поддръжка. Така че финансовите предимства започват още на етапа на изграждане, където рационализираният дизайн на естественото охлаждане се превръща в осезаеми спестявания. Агонията на избора По време на конференции и срещи често получавам многобройни въпроси, които се въртят около парадокса: ако свободното охлаждане е също толкова изгодно от гледна точка на спестяване на разходи и простота, защо не е универсално прието в индустрията? Това подтиква по-широкия въпрос защо, въпреки ползите от него, само ограничен брой компании са възприели свободното охлаждане, докато други продължават да използват конвенционалните методи. Отговорът на това се крие в многостранно изследване на преобладаващата динамика на индустрията. Индустриална диктатура В индустрията на центровете за данни, където надеждността е от първостепенно значение, приемането на иновативни решения често среща съпротива. Отдавам това преди всичко на консервативния характер на DC индустрията, където вземащите решения дават приоритет на доказани концепции пред иновативни решения. Докато новите технологии като свободното охлаждане обещават рентабилност и ефикасност, представителите на индустрията биха предпочели традиционни, но надеждни подходи за осигуряване на безпроблемна работа на сървърите. Маркетингови пречки Друг момент тук е, че търговските доставчици на DC, съставляващи около 80% от индустрията, разчитат на сертификати от независими органи като да рекламират своята надеждност. Това обаче представлява предизвикателство за решенията за свободно охлаждане, тъй като все още няма установено сертифициране за тях. Тази ситуация кара търговските доставчици да се противопоставят на алтернативните методи за охлаждане, позовавайки се на несигурността около тяхната надеждност и липсата на прецедент за сертифициране. Uptime Institute Загриженост за глобалното затопляне Критиците често изразяват загриженост относно въздействието на глобалното затопляне върху жизнеспособността на свободното охлаждане. Аргументът обаче се развенчава, като се признава постепенното естество на глобалното затопляне, с приблизително увеличение от 1,5 градуса за едно десетилетие. Тази умерена температурна промяна е малко вероятно да компрометира стабилността на решенията за свободно охлаждане в близко бъдеще. Аргумент "За всеки случай". Още една често срещана практика за компаниите, които избират метод за охлаждане с постоянен ток, е включването на резервни климатични модули като предпазна мярка в допълнение към естественото охлаждане. Този аргумент „за всеки случай“ подкопава основната концепция за свободно охлаждане, въвеждайки ненужна сложност и компрометирайки финансовата и оперативната ефективност. Дори и за малък климатик възниква необходимостта от осигуряване на различни компоненти като фреон, кабели, течности, системи и управление. Вместо да приеме идеята за резервен климатик, индустрията трябва да се съсредоточи върху адаптирането на своята система за свободно охлаждане към широк спектър от условия, без да разчита на фалшиви надежди. Реални рискове и съображения Когато обмисляте решение за свободно охлаждане, някои осезаеми рискове и съображения изискват внимание. Едно от основните съображения е географският регион, тъй като внедряването на естествено охлаждане в регион като Арабските емирства може да не е оправдано. Достъпността е друг аспект, който трябва да имате предвид. Избраният регион трябва да притежава необходимата инфраструктура и да бъде лесно достъпен от специализиран персонал, натоварен с поддръжката на центъра за данни. Свързаността, включително наличието на оптични линии, също е важна. Например създаването на център за данни със свободно охлаждане отвъд Арктическия кръг става непрактично поради липсата на комуникационни линии и предизвикателството да се поддържа квалифицирана работна сила. Извън тези логистични съображения, единствените ограничения за свободно охлаждане се отнасят до максималната температура в региона (прибл. 38-40 градуса) и качеството на въздуха. Райони с прекомерно замърсяване, като тези в близост до натоварени магистрали или интензивни селскостопански дейности, могат да създадат проблеми. Въпреки че няма категорична забрана, филтрите на такива места ще се нуждаят от честа подмяна. За разлика от конвенционалните климатизирани центрове за данни, които циркулират вътрешен въздух, центровете за свободно охлаждане изтеглят външен въздух, което изисква по-старателна поддръжка на филтъра. Други параметри на местоположението са в съответствие с тези, приложими за традиционните центрове за данни. Пионери и бъдещи тенденции Въпреки консервативния характер на индустрията, някои далновидни корпоративни компании оценяват осезаемите ползи от алтернативите. Изчислявайки рентабилността на естественото охлаждане чрез числен анализ, те осъзнават потенциалните спестявания на разходи, които предлага. Няколко видни компании, като Facebook (сега Meta), Google, Amazon, Yandex и Wildberries, са пионери в приемането на технологията за свободно охлаждане. Техният новаторски статус произтича от готовността им да оценяват рисковете и да разпознават финансовите предимства, присъщи на тази технология. Изборът за тези компании беше ясен – или да изберат конвенционални схеми и да поемат по-високи разходи, или да поемат рисковете и ползите да станат пионери в охлаждането на центрове за данни. Развиващият се пейзаж на индустрията показва нарастваща тенденция сред корпоративните хипермащабри към внедряване на решения за свободно охлаждане. Тъй като все повече компании признават рентабилността и оперативните предимства на тази технология, се очаква в бъдеще да се появят все по-голям брой центрове за данни без корпоративно охлаждане. Ако се интересувате да научите повече за физиката на свободното охлаждане, разгледайте темата в новата ми статия Free Cooling: Technology Deep Dive.
