Evolucija hlađenja podatkovnih centara: od metoda na bazi zraka do slobodnog hlađenja

Definicija problema

Eskalirajući rast infrastrukture data centara i istovremeni porast upotrebe IT opreme doveli su do povećanja potrošnje električne energije.

Budući da serveri, sastavne komponente data centara, tokom rada pretvaraju električnu energiju u toplotu, suočavamo se sa problemom suočavanja sa visokim temperaturama i hladnim prostorijama i opremom data centra.

Prisjetimo se žustro osnova školske fizike: slijedeći osnovne principe termodinamike, energija ne nestaje već se transformira. Dakle, ako data centar troši 1 MW električne energije – cijeli ovaj kvantum energije pretvara se u ekvivalentnu količinu topline. Posljedično, što se više električne energije troši, veći je izazov upravljanja rezultirajućom toplinom u podatkovnom centru.

Situacija postaje još komplikovanija, jer IT oprema može imati različite nivoe potrošnje energije dok ima različite fizičke veličine. Na primjer, oprema s velikom potrošnjom energije može imati malu veličinu, što predstavlja probleme u efikasnom hlađenju koncentrisane topline. S druge strane, veću IT opremu s relativno umjerenom stopom potrošnje električne energije lakše je rashladiti zbog njene veće površine. Data centri obično sadrže kombinaciju veličina opreme i nivoa potrošnje, što predstavlja izazov ne samo hlađenja različite IT opreme, već i hlađenja različitim brzinama, koje diktiraju temperaturni zahtjevi svake vrste opreme. Nepotrebno je reći da za hlađenje istosmjerne struje potrebne su nam značajne količine električne energije, što povećava operativne troškove.

Problem efikasnog korišćenja energije u data centrima postaje posebno akutan sa globalnim porastom cena električne energije. Prema izvještaj Statista Svjetske cijene električne energije skočile su na najviši maksimum svih vremena između 2021. i 2022. Kada se zdravstvena kriza COVID-19 smirila u drugoj polovini 2021. godine, potražnja za energijom je porasla, a cijene električne energije dostigle su prvi rekord. Početkom 2022. godine došlo je do ponovnog zaoštravanja energetskog tržišta i intenziviranja energetske krize.

Potrošnja električne energije data centra raste uprkos povećanju efikasnosti performansi.

Drugim riječima, iako se performanse po vatu poboljšavaju, potražnja za resursima raste još brže, tako da se ukupna potrošnja neizbježno povećava kao i troškovi. Međutim, značajne uštede mogu se postići optimizacijom rashladnih sistema. Ovo me je navelo da poželim da dublje pogledam efikasne metode hlađenja uopšte, a posebno slobodno hlađenje.

Procjena nivoa potrošnje energije u centrima podataka obično se oslanja na metriku efikasnosti upotrebe energije (PUE). PUE mjeri efikasnost data centra procjenjujući ukupnu potrošnju energije u odnosu na onu koja se koristi isključivo za IT opremu. O tome ćemo detaljnije govoriti nešto kasnije. Ono što sada trebamo znati je da niži PUE označava efikasniji podatkovni centar, što ukazuje na smanjeno oslanjanje na ne-računarske snage. Suočeni s rastućom infrastrukturom i eskalacijom potrošnje električne energije, optimizacija PUE sa efikasnijim sistemima hlađenja pruža finansijsku opreznost i održivo poslovanje.

U ovom članku ćemo istražiti tradicionalne i inovativne metode hlađenja i otkriti koji od njih nudi maksimalnu efikasnost.

Pregled metoda hlađenja

Vazdušni i nevazdušni

U pojednostavljenoj klasifikaciji, tehnike hlađenja mogu se podijeliti u dvije osnovne kategorije: metode na bazi zraka i metode koje nisu bazirane na zraku. Da elaboriramo, vazdušno hlađenje obuhvata konvencionalne pristupe, dok kategorija bez vazduha uključuje različite metode koje koriste supstance kao što su voda, ulje ili čvrsti materijali. Važno je napomenuti da ogromna većina, koja čini 99%, metoda hlađenja spada pod kišobran vazdušnog hlađenja.

Klima uređaji

Sistemi klimatizacije su najrasprostranjeniji način hlađenja zraka u profesionalnim postavkama centara podataka. Njihov osnovni princip odražava princip stambenih klima uređaja: vazduh koji struji kroz servere cirkuliše kroz klima uređaj, hladi se preko rešetke hladnjaka, a zatim se vraća nazad u servere. Ovaj ciklični proces osigurava kontinuirani mehanizam hlađenja.

Rashladni uređaji

Nakon klima uređaja, rashladni uređaji predstavljaju drugi najrasprostranjeniji sistem hlađenja. Za razliku od klima uređaja, rashladni uređaji koriste vodu (ili otopinu na bazi vode) za prijenos topline iz prostora koji zahtijevaju kontrolu klime. Iako je klimatizacija jednostavnija i općenito pristupačnija, njeni viši troškovi energije ponekad mogu biti odvraćajući faktor za preduzeća. S druge strane, sistemi za rashlađenu vodu su energetski efikasniji, ali zahtijevaju više komponenti i složenosti u njihovoj instalaciji i održavanju.

Adijabatske komore i prostirke

Adijabatsko hlađenje uključuje korištenje komora ili prostirki u koje se ulijeva i isparava voda. Kako voda isparava, komore i prostirke se hlade zajedno sa zrakom iznutra. Dok adijabatsko hlađenje predstavlja treću održivu opciju, smatra se pomalo egzotičnom i nije tako često korišteno u hlađenju podatkovnih centara u poređenju s klima uređajima i rashladnim uređajima.

Vodeno hlađenje

U sistemima za hlađenje vodom, voda ili tekućine koje sadrže vodu koriste se za odvođenje topline. Vodovodne cijevi su strateški postavljene u serverskim prostorijama, pri čemu je svaki server povezan sa dvije cijevi — jednom za odvod tople vode, a drugom za dotok hladne vode. Radijatori na CPU-ima, GPU-ima i na drugoj opremi su direktno povezani na ovaj vodovodni sistem. Ovaj pristup ne samo da hladi opremu i prostorije data centra, već i stvara zalihe tople vode za dodatnu upotrebu.

Izmjenjivači topline

Ova metoda poboljšava efikasnost hlađenja korištenjem vanjskog hladnog okruženja.

Kada je obližnji izvor hladnoće, kao što je jezero, more ili hladno tlo, dostupan, cijevi za vodu se mogu postaviti direktno u njega kako bi prenijele velike količine topline iz IT opreme.

Egzotika

Postoje i nekonvencionalne metode. Jedan od njih je baziran na Peltierovim elementima ili termoelektričnim hladnjakima (TEC). Ovaj pristup se oslanja na poluvodičke efekte i uključuje opskrbu električnom energijom posebne ploče koja se grije s jedne strane, a hladi s druge.

Drugi avangardni pristup je postavljanje podvodnih data centara. U Microsoftov Project Natick , na primjer, data centar je potopljen 117 stopa duboko na Sjevernim ostrvima u proljeće 2018. Tokom naredne dvije godine, tim je sproveo rigorozno testiranje i praćenje servera data centra. Potvrđeno je da bi postavljanje zatvorenog kontejnera na dno oceana moglo poboljšati ukupnu pouzdanost podatkovnog centra ublažavanjem problema poput korozije, temperaturnih fluktuacija i fizičkih poremećaja koji se obično javljaju na kopnu.

Besplatno hlađenje

Ova tehnika je posebno usmjerena na maksimiziranje efikasnosti hlađenja. Besplatno hlađenje osvježava zrak u podatkovnom centru bez oslanjanja na tradicionalne sisteme hlađenja. Koristi prirodni vanjski zrak kakav je. Obično je vanjski zrak samo podložan kontroli vlažnosti, a zatim prirodni termodinamički procesi reguliraju temperature unutar prostorija za podatke.

Ova metoda značajno smanjuje potrošnju energije (75% do 92% manje u odnosu na druge CRAH sisteme), smanjuje emisiju ugljen-dioksida i eliminiše potrebu za vodom u rashladnom sistemu.

Besplatno hlađenje je jedan od ekološki najprihvatljivijih izbora koji zahtijeva manje energije. Osim toga, može pomoći u uštedi troškova jer 40% energije koju koriste podatkovni centri odlazi na hlađenje. Ovaj sistem poboljšava performanse sve opreme sa vazdušnim hlađenjem, čak iu teškim uslovima. Evo jednostavnog vizualnog prikaza procesa slobodnog hlađenja:

Kao što možete vidjeti, sistem radi na vrlo jednostavan način, kanalizira vanjski zrak kroz filtere, IT opremu i izbacuje ga. Ovo smanjenje složenosti, sa samo ventilatorima kao potencijalnim ranjivostima, jača ukupnu pouzdanost DC-a na slobodnom hlađenju.

Za razliku od sistema sa složenom opremom, odsustvo složenih komponenti takođe smanjuje i početne troškove podešavanja i tekuće troškove održavanja. Dakle, finansijske prednosti počinju već u fazi izgradnje, gdje se pojednostavljeni dizajn slobodnog hlađenja pretvara u opipljive uštede.

Agonija izbora

Tokom konferencija i sastanaka često dobijam brojna pitanja koja se vrte oko paradoksa: ako je besplatno hlađenje jednako povoljno u smislu uštede i jednostavnosti, zašto nije univerzalno prihvaćeno u industriji?

Ovo postavlja šire pitanje zašto je, uprkos njegovim prednostima, samo ograničen broj kompanija prihvatio besplatno hlađenje, dok druge nastavljaju s konvencionalnim metodama. Odgovor na ovo leži u višestrukom ispitivanju preovlađujuće industrijske dinamike.

Industry Dictatorship

U industriji centara podataka, gdje je pouzdanost od primarne važnosti, usvajanje inovativnih rješenja često nailazi na otpor. Ovo pripisujem, prije svega, konzervativnoj prirodi DC industrije, gdje donosioci odluka daju prioritet dokazanim konceptima u odnosu na inovativna rješenja.

Dok nove tehnologije kao što je besplatno hlađenje obećavaju isplativost i efikasnost, predstavnici industrije bi radije radije radije radili na tradicionalnim, ali pouzdanim pristupima kako bi osigurali besprijekoran rad servera.

Marketinške prepreke

Još jedna stvar je da se komercijalni DC provajderi, koji čine oko 80% industrije, oslanjaju na certifikate nezavisnih tijela poput Uptime Institute da plasiraju njihovu pouzdanost. Međutim, ovo predstavlja izazov za rješenja za slobodno hlađenje, jer za njih još uvijek nema ustanovljenih certifikata. Ova situacija navodi komercijalne provajdere da se odupiru alternativnim metodama hlađenja, navodeći nesigurnost oko njihove pouzdanosti i odsustvo presedana za sertifikaciju.

Zabrinutost zbog globalnog zagrijavanja

Kritičari često izražavaju zabrinutost zbog uticaja globalnog zagrevanja na održivost slobodnog hlađenja. Međutim, argument se pobija priznavanjem postupne prirode globalnog zagrijavanja, sa približno povećanjem od 1,5 stepena tokom jedne decenije. Ova skromna promjena temperature vjerovatno neće ugroziti stabilnost rješenja za slobodno hlađenje u bliskoj budućnosti.

Argument "za svaki slučaj".

Još jedna uobičajena praksa za kompanije koje biraju DC metod hlađenja je uključivanje rezervnih jedinica za klimatizaciju kao mjera predostrožnosti pored slobodnog hlađenja. Ovaj argument "za svaki slučaj" podriva osnovni koncept besplatnog hlađenja, uvodeći nepotrebnu složenost i ugrožavajući finansijsku i operativnu efikasnost.

Čak i za mali klima uređaj javlja se potreba da se obezbede različite komponente kao što su freon, žice, tečnosti, sistemi i kontrole. Umjesto da prihvati ideju da ima rezervni klima uređaj, industrija bi se trebala fokusirati na prilagođavanje svog sistema slobodnog hlađenja širokom spektru uslova bez oslanjanja na lažne nade.

Stvarni rizici i razmatranja

Kada razmišljate o rješenju za slobodno hlađenje, neki opipljivi rizici i razmatranja zahtijevaju pažnju. Jedno od primarnih razmatranja je geografska regija, jer uvođenje slobodnog hlađenja u regiji poput Arapskih Emirata možda nije opravdano.

Pristupačnost je još jedan aspekt koji treba imati na umu. Odabrana regija mora posjedovati potrebnu infrastrukturu i biti lako dostupna specijalizovanom osoblju zaduženom za održavanje data centra. Povezivanje, uključujući dostupnost optičkih linija, takođe je važno. Na primjer, uspostavljanje podatkovnog centra sa slobodnim hlađenjem izvan Arktičkog kruga postaje nepraktično zbog nepostojanja komunikacionih linija i izazova održavanja kvalifikovane radne snage.

Osim ovih logističkih razmatranja, jedina ograničenja za slobodno hlađenje odnose se na maksimalnu temperaturu u regionu (oko 38-40 stepeni) i kvalitet vazduha. Područja s prekomjernim zagađenjem, poput onih u blizini prometnih autoputeva ili intenzivnih poljoprivrednih aktivnosti, mogu predstavljati probleme. Iako ne postoji potpuna zabrana, filteri na takvim lokacijama će trebati čestu zamjenu. Za razliku od konvencionalnih klimatizovanih data centara koji cirkulišu unutrašnji vazduh, centri za slobodno hlađenje uvlače spoljašnji vazduh, zahtevajući pažljivije održavanje filtera. Ostali parametri lokacije usklađeni su s onima koji se primjenjuju na tradicionalne centre podataka.

Pioniri i budući trendovi

Uprkos konzervativnoj prirodi industrije, neke korporativne kompanije koje razmišljaju o budućnosti procjenjuju opipljive prednosti alternativa. Izračunavajući isplativost besplatnog hlađenja kroz numeričku analizu, oni shvataju potencijalnu uštedu troškova koju nudi.

Nekoliko istaknutih kompanija, kao što su Facebook (sada Meta), Google, Amazon, Yandex i Wildberries, pioniri su u usvajanju tehnologije besplatnog hlađenja. Njihov status vrhunca proizlazi iz njihove spremnosti da procijene rizike i prepoznaju finansijske prednosti koje su svojstvene ovoj tehnologiji. Izbor za ove kompanije bio je jasan – ili ići na konvencionalne šeme i imati veće troškove ili preuzeti rizike i koristi od toga da postanu pioniri u hlađenju data centara.

Razvoj industrije ukazuje na rastući trend među korporativnim hiper-skalerima prema implementaciji rješenja za besplatno hlađenje. Kako sve više kompanija prepoznaje isplativost i operativne prednosti ove tehnologije, očekuje se da će se u budućnosti pojaviti sve veći broj centara za hlađenje bez korporativnih podataka.

Ako ste zainteresovani da saznate više o fizici slobodnog hlađenja, istražite ovu temu u mom novom članku Slobodno hlađenje: Tehnologija dubokog zarona.