Optimiziranje efikasnosti podatkovnog centra: Duboko uronjenje u tehnike slobodnog hlađenja

U prethodnom članku raspravljali smo o brzom širenju infrastrukture data centra i povećanju potrošnje električne energije do kojeg je došlo. Kako serveri pretvaraju električnu energiju u toplinu tokom rada, upravljanje visokim temperaturama i hlađenje i objekata i opreme data centra postaje problem broj 1. za DC timove.

Dok tradicionalne metode hlađenja, uključujući klima-uređaje i rashladne uređaje, efikasno hlade prostorije i servere data centara, njihova skupoća ostaje značajan nedostatak. Besplatno hlađenje za razliku od tradicionalnih metoda ne zahtijeva značajna ulaganja, ali nudi isti nivo efikasnosti i pouzdanosti. U ovom članku ću napraviti detaljan pregled tehnologije slobodnog hlađenja, naglašavajući njene prednosti, ograničenja i zahtjeve za uspješnu implementaciju.

Fizika slobodnog hlađenja

Da bismo razumjeli fiziku koja stoji iza slobodnog hlađenja, morat ćemo ponovo pogledati formulu toplotne energije:

Q = mcΔT

Ovdje 'Q' predstavlja količinu dobivene ili izgubljene topline, 'm' predstavlja masu uzorka (u našem slučaju masa zraka u podatkovnom centru), 'c' označava specifični toplinski kapacitet zraka, a ΔT označava temperaturnu razliku.

U data centru primarni izvor toplote je CPU. Obično postoje 2 do 4 CPU-a, od kojih svaki radi na približno 200 vati. Kao što je ranije rečeno, sva električna energija koju troše CPU pretvara se u toplinu. Stoga, sa 2 CPU-a, na primjer, generišemo 400 vati toplote koju treba raspršiti. Sada nam je cilj odrediti količinu zraka koja je potrebna za ovu svrhu.

Parametar ΔT, ili temperaturna razlika, pokazuje da što je niža temperatura spoljašnjeg vazduha, to je manja masa vazduha potrebna za hlađenje CPU-a. Na primjer, ako je ulazna temperatura zraka 0°C, a izlazna temperatura 35°C, ΔT bi bio samo 35, što označava prilično manji zahtjev za vazdušnom masom. Međutim, tokom ljetne sezone hlađenje postaje izazovnije zbog porasta temperature okoline. Što je vanjska temperatura viša, to će veća količina zraka biti potrebna za hlađenje servera.

Ograničenja temperature serverskih i mrežnih komponenti

Iako besplatno hlađenje može biti efikasno za umjerenu i hladnu klimu, ono i dalje ima ograničenja zbog temperaturnih ograničenja na komponentama servera. Kritične komponente u IT i mrežnoj opremi, kao što su procesori, RAM, HDD, SSD i NVMe diskovi, imaju zahtjeve za radnu temperaturu:

• Procesori: max 89°C
• RAM: max 75°C
• HDD: max 50°C
• SSD i NVMe diskovi: max 47-48°C

Ova ograničenja direktno utiču na pogodnost spoljašnjih temperatura vazduha za hlađenje. Besplatno hlađenje ne bi bilo održivo u regijama u kojima vanjske temperature prelaze ove pragove ili im se čak približavaju, jer bi moglo oštetiti sistem zbog pregrijavanja. Regionalna ograničenja

Kao što smo već objasnili, vanjske temperature moraju konstantno ostati niže od maksimalnih radnih temperatura IT opreme da bi slobodno hlađenje bilo efikasno. Ovo zahtijeva pažljivo razmatranje klimatskih uslova lokacije DC. Organizacije moraju analizirati dugoročne vremenske prognoze kako bi osigurale da temperature ne prelaze potrebne pragove, čak ni u određenim danima ili satima. Uz to, s obzirom na dug životni vijek podatkovnih centara (obično 10-15 godina), efekti globalnog zagrijavanja također bi se trebali uzeti u obzir u odlukama o lokaciji.

Zahtjevi arhitekture čvora servera

U kontekstu fizike, postizanje efikasnog hlađenja u serverima se oslanja na obezbeđivanje dovoljnog protoka vazduha kroz sistem. Arhitektura servera igra važnu ulogu u ovom procesu.

Nasuprot tome, serveri kojima nedostaju odgovarajuće karakteristike dizajna, kao što su perforacije ili otvori, mogu ometati protok vazduha, potencijalno kompromitujući ukupnu efikasnost mehanizma za slobodno hlađenje.

Kontrola vlažnosti

Nivo vlažnosti je još jedan kritičan faktor kada je u pitanju slobodno hlađenje. Kako nam nedostaje kontrola nad uslovima spoljne vlažnosti, javljaju se dva relevantna pitanja: prvo, adresiranje nivoa vlažnosti koji se približava ili prelazi 100% unutar data centra (DC); drugo, rješavanje scenarija vrlo niske vlažnosti zraka, kao što je tokom mraznog februarskog dana sa vanjskom temperaturom od -30°C i relativnom vlažnošću u rasponu od 2% do 5%. Hajde da sistematski ispitamo ove situacije.

U uslovima povišene vlažnosti, postoji zajednička zabrinutost u vezi sa potencijalnom pojavom kondenzacije i njenim negativnim efektima na funkcionalnost opreme. Suprotno ovoj zabrinutosti, unutar zona ponovnog hlađenja DC, gdje se odvija proces hlađenja, kondenzacija je isključena. To je zbog principa da kondenzacija nastaje kada topli, vlažni zrak dođe u kontakt sa hladnijim površinama. Međutim, u sistemu slobodnog hlađenja DC, nijedan element nije hladniji od okolnog vazduha. Posljedično, kondenzacija je inherentno otežana, eliminirajući potrebu za proaktivnim mjerama.

S druge strane, kada se radi o niskoj vlažnosti, bojazan se pomjera prema stvaranju statičkog elektriciteta, što predstavlja prijetnju stabilnosti opreme. Ovaj problem nije povezan s kondenzacijom, ali zahtijeva posebno rješenje. Ublažavanje uključuje postupke uzemljenja i nanošenje specijaliziranog podnog premaza. Ove mjere su usklađene sa utvrđenim metodama zaštite unutrašnje opreme od statičkog elektriciteta. Uzemljenjem građevinskih elemenata, rekova i IT opreme, statički naboj se neškodljivo raspršuje na tlo, čuvajući integritet opreme.

U prirodnoj klimi rijetki su slučajevi ekstremno visoke ili niske vlažnosti. Značajni izuzeci uključuju rijetke događaje kao što je grmljavina koja dostiže 100% vlažnost u julu ili jak mraz koji uzrokuje vrlo nisku vlažnost. Međutim, veći dio vremena nivoi vlažnosti ostaju u prihvatljivim granicama koji ne oštećuju opremu, čak i u odsustvu aktivnih intervencija.

Količina i brzina zraka

Kao što smo već spomenuli, da bismo olakšali efikasno hlađenje, potrebna nam je značajna količina vanjskog zraka. Istovremeno, pojavljuje se naizgled kontraintuitivan zahtjev – održavanje niskog protoka zraka unutar zgrade. Ovaj očigledni paradoks je ukorijenjen u izazovima koje predstavljaju brze zračne struje koje kruže unutra.

Da pojednostavimo, zamislite veliku brzinu zraka kao robustan mlaz iz cijevi, koji stvara vrtloge i turbulencije oko IT opreme. Ova turbulencija potencijalno dovodi do nepravilnog kretanja zraka i lokaliziranog pregrijavanja. Da bismo to riješili, strateški ciljamo na ukupnu malu brzinu zraka od 1-2 metra u sekundi u cijelom prostoru.

Održavanje ove kontrolisane brzine omogućava nam da eliminišemo turbulenciju. Veća brzina bi rizikovala nepravilnosti u kretanju zraka. Pridržavajući se raspona od 1-2 metra u sekundi, podstičemo glatki, ujednačeni protok zraka, izbjegavajući lokalizirano pregrijavanje. Ova delikatna ravnoteža osigurava optimalno hlađenje IT opreme zaobilazeći zamke povezane sa strujama zraka velike brzine.

Kao što se može vidjeti, pristup slobodnog hlađenja vrti se oko efikasne upotrebe vanjskog zraka uz davanje prioriteta kontrolisanoj maloj unutrašnjoj brzini zraka. Ova promišljena strategija pomaže u održavanju laminarnog i ujednačenog protoka zraka, osiguravajući djelotvornost hlađenja IT opreme.

Koncept zgrade

U paradigmi slobodnog hlađenja, tradicionalni vazdušni kanali se ne koriste u strukturi zgrade. Za razliku od konvencionalnih podešavanja sa određenim vazdušnim kanalima u zidovima, plafonima ili određenim prostorima, centri za obradu podataka usvajaju nekonvencionalan pristup. Sama zgrada je zamišljena kao zračni kanal, zbog čega su tradicionalne klimatizacijske jedinice zastarjele. Sama veličina ovih vazdušnih kanala pretvara ih u sastavne komponente prostorija i podova.

Proces strujanja zraka započinje kada vanjski zrak ulazi u zgradu, prolazeći kroz dvije vrste filtera – grube i fine filtere. Kada zrak prođe proces čišćenja, ventilatori ga pokreću u velike prostore zgrade, otprilike jednake visini četiri sprata. Ova značajna zapremina služi svojoj svrsi: da uspori protok vazduha, smanjujući njegovu brzinu na potreban opseg od 1-2 metra u sekundi. Nakon toga, vazduh se spušta u mašinsku sobu.

Nakon što prođe kroz mašinsku sobu, vazduh nastavlja svoje putovanje kroz IT police, napredujući u vrući prolaz. Odatle ulazi u kolektor vrućeg zraka prije nego što se izbacuje van kroz izduvne ventilatore. Ova strukturirana putanja protoka zraka osigurava efikasan proces hlađenja uz održavanje kontrolirane brzine zraka.

Zračna brzina i jačina

Namjerni izbor dizajna korištenja ekspanzivnih volumena zgrade služi dvostrukoj svrsi. Prvo i najvažnije, omogućava postepeno smanjenje brzine zraka, osiguravajući da protok zraka postigne željenu brzinu od 1-2 metra u sekundi. Ova kontrolisana brzina vazduha je neophodna za sprečavanje turbulencije i održavanje laminarnog toka, posebno važno kako vazduh prolazi kroz osetljivu IT opremu. Drugo, značajna zapremina omogućava potrebnu zapreminu vazduha za efikasno rasipanje proizvedene toplote. Sinhronizovana interakcija brzine i zapremine doprinosi ukupnom uspehu sistema.

Diferencijalni pritisak kao jedini pokretač upravljanja

U postavci slobodnog hlađenja, nemamo kontrolu nad vanjskom temperaturom zraka, što dovodi do varijacija u temperaturi zraka koja ulazi u Data Center (DC). Uprkos tome, procjena potrebnog protoka zraka za hlađenje opreme je neophodna. Da bismo to riješili, oslanjamo se na metodu diferencijalnog pritiska.

Unutar svakog IT stalka, serveri sa unutrašnjim ventilatorima rade različitim brzinama, zajedno stvarajući diferencijalni pritisak između prednje i zadnje strane stalka. Uz brojne servere, od kojih svaki doprinosi ukupnom protoku zraka, ova razlika tlaka se postepeno povećava između hladnog i vrućeg prolaza. Koristeći senzore pritiska u oba prolaza i izvan zgrade DC, možemo izmjeriti ovaj diferencijalni tlak.

Proračun uključuje oduzimanje podataka senzora pritiska u toplom prolazu od atmosferskog pritiska i oduzimanje podataka senzora pritiska u hladnom prolazu od atmosferskog pritiska. Dakle, kao u primjeru ispod:

Primjer iz stvarnog svijeta

Rezultirajuće vrijednosti nas zatim vode u određivanju potrebnog dovoda zraka u DC i potrebnog izduvavanja za kompenzaciju rada serverskih ventilatora. Jednostavnije rečeno, mjerimo naše potrebe protoka zraka na osnovu razlika u tlaku, što nam omogućava da efikasno upravljamo procesom hlađenja unutar DC.

Komora za grijanje i miješanje

Tradicionalni sistemi grijanja se obično ne implementiraju u data centrima sa besplatnim hlađenjem. Korištenje vode smatra se neracionalnim zbog troškova i potencijalnih rizika za opremu. Ovo predstavlja izazov tokom ekstremnih hladnoća, dostižući napolju -20-30 stepeni. Dok oprema to dobro podnosi, inženjeri traže blaži pristup. Najelegantnije i najlogičnije rješenje ovdje je ponovno korištenje toplog zraka koji proizvodi IT oprema. Usmeravajući topli vazduh iz servera u komoru za mešanje, i vraćajući deo u glavnu vazdušnu struju, sistem održava prostor toplim zimi i omogućava uštedu na troškovima grejanja.

Jednostavnost i pouzdanost

Ključna teza u teoriji pouzdanosti tvrdi da jednostavnost rađa pouzdanost. Ovo važi za sistem slobodnog hlađenja koji predstavlja izuzetno jednostavan koncept. Sistem funkcionira kao barikada, propušta zrak izvana kroz filtere, prolazi kroz IT opremu, a zatim ga samo izbacuje.

Odsustvo složenih sistema povećava pouzdanost, a samo ventilatori predstavljaju ranjivost po vrućem vremenu. Pristup slobodnog hlađenja predstavlja primjer radikalnog pojednostavljenja sistema, značajno poboljšavajući pouzdanost smanjenjem broja elemenata.

DC ventilatori protiv serverskih ventilatora

Hijerarhijski autoritet ventilatora je još jedno fundamentalno pitanje u dinamici protoka vazduha unutar DC. Kao što smo već raspravljali, postoje veliki fanovi na DC nivou i oni na nivou servera. Pitanje je: da li ventilatori centra podataka samo dovode zrak, ostavljajući ventilatorima servera da troše onoliko koliko je potrebno? Ili potražnja potiče od obožavatelja servera, primoravajući DC fanove da ispune svoje zahtjeve?

Mehanizam je sljedeći: serverski ventilatori imaju dominantnu ulogu u ovom procesu, određujući potreban protok zraka. Nakon toga, DC ventilatori reaguju isporukom potrebne količine zraka. Postaje evidentno da ako kumulativna potražnja sa svih servera nadmaši kapacitet napajanja DC ventilatora, to može dovesti do potencijalnog pregrijavanja.

Dakle, odgovor je da navijači servera imaju primat u ovoj dinamici. Oni orkestriraju protok vazduha, određujući potrebnu količinu vazduha.

Efikasnost i PUE proračun

Za procjenu efikasnosti DC projekta tradicionalno se koristi proračun učinkovitosti korištenja energije (PUE). Formula za PUE je omjer ukupne snage postrojenja i snage IT opreme:

PUE = Ukupna snaga postrojenja / Snaga IT opreme

U idealnom slučaju, to je 1, što znači da je sva energija usmjerena na IT opremu bez ikakvog gubitka. Međutim, postizanje ovog savršenog scenarija rijetko je u projektima u stvarnom svijetu.

Još jedan problem se javlja kada pokušamo da uspostavimo jasnu metodologiju za izračunavanje efikasnosti upotrebe energije (PUE). Tako, na primjer, u našem sistemu posjedujemo metriku koja pokazuje trenutnu potrošnju energije u vatima, što omogućava izračunavanje PUE u realnom vremenu.

Štaviše, možemo izvući prosječni PUE tokom godišnjeg perioda, što nudi sveobuhvatniju procjenu s obzirom na sezonske fluktuacije. Ovo je posebno važno s obzirom na nejednakost u potrošnji energije između godišnjih doba; na primjer, razlika u zahtjevima za hlađenjem između ljetnih i zimskih mjeseci. To znači da ako želimo da imamo pouzdaniju ocjenu, moramo dati prioritet godišnjem prosjeku koji daje uravnoteženiju i sveobuhvatniju procjenu.

Također je važno istražiti PUE ne samo u smislu energije, već i monetarnih jedinica, čime se uključuju sezonske fluktuacije cijena električne energije. Procjena PUE u monetarnom smislu daje holističkiju perspektivu operativne efikasnosti.

Osim toga, ovaj pristup otkriva mogućnosti da se postigne PUE vrijednost manja od 1 kada se mjeri u dolarima. To postaje moguće, na primjer, kada otpadnu toplinu koristimo za grijanje vode i dalje je prodajemo u obližnje gradove. Primjeri vrijedni pažnje, kao što su Googleov centar za podatke u SAD-u i Yandexov pogon u Finskoj, pokazuju održivost takvih praksi, posebno u regijama koje karakterišu visoki troškovi energije.

Efikasnost naspram pouzdanosti

Brige oko smanjenja troškova i povećanja efikasnosti često postavljaju pitanja o potencijalnim negativnim uticajima na pouzdanost. Međutim, želim da naglasim da u slobodnom hlađenju težnja za efikasnošću ne ugrožava pouzdanost. Umjesto toga, njegove tehnološke nuspojave mogu čak i povećati efikasnost. Na primjer, kao što smo već raspravljali, preusmjeravanje viška toplote na toplotne pumpe radi dodatnih pogodnosti, kao što je proizvodnja tople vode za obližnje gradove, postaje finansijski povoljna praksa bez žrtvovanja pouzdanosti.

Budućnost slobodnog hlađenja

Unatoč svim prednostima koje nudi besplatno hlađenje, industrija podatkovnih centara je i dalje vođena konzervativnim pristupom i zahtijeva dokazanu pouzdanost, sa tendencijom da se odupre inovativnim rješenjima. Oslanjanje na sertifikate tela poput Uptime Institute jer marketing predstavlja još jednu prepreku za rješenja za besplatno hlađenje, jer nemaju uspostavljenu certifikaciju, što navodi komercijalne provajdere da ih gledaju sa skepticizmom.

Ipak, postoji trend među korporativnim hiper-skalerima da usvoje besplatno hlađenje kao glavno rješenje za svoje DC uređaje. Uz sve veći broj kompanija koje priznaju isplativost i operativne prednosti ove tehnologije, očekujemo da će se u narednih 10-20 godina pojaviti više centara za hlađenje bez korporativnih podataka.