Evoluce chlazení datových center: od vzduchových metod k volnému chlazení

Definice problému

Eskalace růstu infrastruktury datových center a souběžný nárůst využití IT zařízení vedly ke zvýšení spotřeby elektrické energie.

Protože servery, nedílné součásti datových center, během provozu přeměňují elektřinu na teplo, čelíme problému s vysokými teplotami a chladnými prostory a vybavením datových center.

Živě si připomeňme základy školní fyziky: podle základních principů termodynamiky energie nemizí, ale přeměňuje se. Pokud tedy datové centrum spotřebuje 1 MW elektřiny – celé toto množství energie se přemění na ekvivalentní množství tepla. V důsledku toho, čím více elektřiny je spotřebováno, tím větší je problém řídit výsledné teplo v datovém centru.

Situace se stává ještě komplikovanější, protože IT zařízení mohou mít různé úrovně spotřeby energie a přitom mít různé fyzické velikosti. Například zařízení s vysokou spotřebou energie může mít malou velikost, což představuje problémy s účinným chlazením koncentrovaného tepla. Na druhou stranu, větší IT zařízení s relativně mírnou spotřebou elektrické energie se snadněji chladí díky jejich větší ploše. V datových centrech se obvykle nachází směs velikostí zařízení a úrovní spotřeby, což představuje výzvu nejen k chlazení různých IT zařízení, ale také k chlazení různými rychlostmi, diktovanými teplotními požadavky každého typu zařízení. Netřeba dodávat, že k chlazení DC potřebujeme značné množství elektřiny, což zvyšuje provozní náklady.

Problém efektivního využití energie v datových centrech se stává obzvláště akutním s globálním růstem cen elektřiny. Podle zpráva Statista světové ceny elektřiny vyletěly na historické maximum mezi roky 2021 a 2022. Když zdravotní krize COVID-19 ve druhé polovině roku 2021 odezněla, poptávka po energii vzrostla a ceny elektřiny dosáhly prvního rekordu. Začátkem roku 2022 se energetický trh opět zpřísnil a energetická krize zesílila.

Spotřeba elektrické energie datových center roste i přes zvyšující se efektivitu výkonu.

Jinými slovy, ačkoli se výkon na watt zlepšuje, poptávka po zdrojích roste ještě rychleji, takže celková spotřeba nevyhnutelně roste stejně jako náklady. Podstatných úspor nákladů však lze dosáhnout optimalizací chladicích systémů. To mě přimělo k tomu, abych se hlouběji podíval na účinné způsoby chlazení obecně a zejména na volné chlazení.

Posouzení úrovní spotřeby energie v datových centrech se obvykle opírá o metriku Power Usage Effectiveness (PUE). PUE měří efektivitu datového centra tím, že vyhodnocuje celkovou spotřebu energie ve srovnání se spotřebou výhradně IT zařízení. O tom si povíme podrobněji o něco později. Nyní potřebujeme vědět, že nižší PUE znamená efektivnější datové centrum, což naznačuje menší závislost na nepočítačovém výkonu. Tváří v tvář rostoucí infrastruktuře a zvyšující se spotřebě elektřiny poskytuje optimalizace PUE pomocí účinnějších chladicích systémů finanční obezřetnost a udržitelný provoz.

V tomto článku prozkoumáme tradiční a inovativní způsoby chlazení a zjistíme, které z nich nabízejí maximální účinnost.

Přehled metod chlazení

Vzduch a nevzduch

Ve zjednodušené klasifikaci lze chladicí techniky rozdělit do dvou primárních kategorií: vzduchové a nevzduchové metody. Pro upřesnění, chlazení vzduchem zahrnuje konvenční přístupy, zatímco kategorie bez vzduchu zahrnuje různé metody využívající látky, jako je voda, olej nebo pevné materiály. Je pozoruhodné, že drtivá většina, tvořící 99 %, způsobů chlazení spadá pod deštník chlazení vzduchem.

Klimatizace

Klimatizační systémy jsou nejrozšířenějším prostředkem chlazení vzduchem v profesionálních sestavách datových center. Jejich základní princip odpovídá principu bytových klimatizací: vzduch proudící přes servery cirkuluje klimatizací, ochlazuje se přes mřížku chladiče a poté recirkuluje zpět do serverů. Tento cyklický proces zajišťuje nepřetržitý chladicí mechanismus.

Chladiče

Po klimatizacích představují chladiče druhý nejrozšířenější chladicí systém. Na rozdíl od klimatizací používají chladiče vodu (nebo řešení na bázi vody) k přenosu tepla pryč z prostor vyžadujících klimatizaci. Přestože je klimatizace jednodušší a obecně dostupnější, její vyšší náklady na energii mohou podniky někdy odrazovat. Na druhou stranu systémy chlazené vody jsou energeticky účinnější, ale vyžadují více komponent a složitosti při jejich instalaci a údržbě.

Adiabatické komory a rohože

Adiabatické chlazení zahrnuje použití komor nebo rohoží, kde se voda nalévá a odpařuje. Jak se voda odpařuje, komory a rohože se ochlazují spolu se vzduchem uvnitř. Zatímco adiabatické chlazení představuje třetí životaschopnou možnost, je považováno za poněkud exotické a není tak běžně používané v chlazení datových center ve srovnání s klimatizacemi a chladiči.

Vodní chlazení

Ve vodních chladicích systémech se k odvodu tepla používá voda nebo kapaliny obsahující vodu. Vodovodní potrubí je strategicky umístěno v serverovnách, přičemž každý server je připojen ke dvěma potrubím – jedno pro odtok teplé vody a druhé pro přítok studené vody. Radiátory na CPU, GPU a na dalších zařízeních jsou připojeny přímo k tomuto systému zásobování vodou. Tento přístup nejen ochlazuje zařízení a prostory datového centra, ale také vytváří zásobu teplé vody pro další použití.

Výměníky tepla

Tato metoda zvyšuje účinnost chlazení využitím vnějšího chladného prostředí.

Když je k dispozici blízký zdroj chladu, jako je jezero, moře nebo studená země, lze přímo do něj zavést vodní potrubí, které přenáší velké množství tepla z IT zařízení.

Exotika

Existují i ​​netradiční metody. Jeden z nich je založen na Peltierových prvcích nebo termoelektrických chladičích (TEC). Tento přístup se opírá o polovodičové efekty a zahrnuje dodávku elektřiny do speciální desky, která je na jedné straně ohřívána a na druhé ochlazována.

Dalším avantgardním přístupem je nasazení podvodních datových center. V Microsoft Project Natick , například datové centrum bylo na jaře 2018 ponořeno do hloubky 117 stop na Severních ostrovech. Během následujících dvou let tým prováděl přísné testování a monitorování serverů datového centra. Bylo potvrzeno, že umístění utěsněného kontejneru na dno oceánu by mohlo zvýšit celkovou spolehlivost datového centra zmírněním problémů, jako je koroze, kolísání teploty a fyzické poruchy, které se obvykle vyskytují na souši.

Chlazení zdarma

Tato technika je zaměřena zejména na maximalizaci účinnosti chlazení. Volné chlazení osvěžuje vzduch v datovém centru, aniž by se spoléhalo na tradiční chladicí systémy. Využívá přirozený venkovní vzduch tak, jak je. Venkovní vzduch obvykle podléhá pouze regulaci vlhkosti a pak přirozené termodynamické procesy regulují teploty v datových místnostech.

Tato metoda výrazně snižuje spotřebu energie (o 75 % až 92 % méně ve srovnání s jinými systémy CRAH), snižuje emise oxidu uhličitého a eliminuje potřebu vody v chladicím systému.

Bezplatné chlazení je jednou z nejekologičtějších možností, která vyžaduje méně energie. Kromě toho může pomoci ušetřit náklady, protože 40 % energie spotřebované datovými centry jde na chlazení. Tento systém zvyšuje výkon všech vzduchem chlazených zařízení, a to i v náročných podmínkách. Zde je jednoduchá vizuální reprezentace procesu volného chlazení:

Jak můžete vidět, systém funguje velmi přímočaře, odvádí venkovní vzduch přes filtry, IT zařízení a vytlačuje ho. Toto snížení složitosti, kdy potenciální zranitelností jsou pouze ventilátory, posiluje celkovou spolehlivost DC při volném chlazení.

Na rozdíl od systémů se složitým vybavením také absence složitých komponent snižuje jak náklady na počáteční nastavení, tak náklady na průběžnou údržbu. Finanční výhody tedy začínají již ve fázi výstavby, kde se zjednodušený návrh volného chlazení promítá do hmatatelných úspor.

Agónie volby

Během konferencí a setkání často dostávám četné otázky, které se točí kolem paradoxu: pokud je volné chlazení tak výhodné z hlediska úspory nákladů a jednoduchosti, proč není v průmyslu všeobecně přijato?

To vyvolává širší otázku, proč, navzdory jeho výhodám, pouze omezený počet společností přijal volné chlazení, zatímco jiné přetrvávají u konvenčních metod. Odpověď na to spočívá v mnohostranném zkoumání převládající dynamiky odvětví.

Průmyslová diktatura

V odvětví datových center, kde je spolehlivost prvořadá, naráží přijetí inovativních řešení často na odpor. Přičítám to především konzervativní povaze DC průmyslu, kde tvůrci rozhodnutí upřednostňují osvědčené koncepty před inovativními řešeními.

Zatímco nové technologie, jako je volné chlazení, slibují hospodárnost a efektivitu, zástupci odvětví by raději preferovali tradiční, ale spolehlivé přístupy k zajištění bezproblémového provozu serverů.

Marketingové překážky

Dalším bodem je, že komerční poskytovatelé DC, kteří tvoří asi 80 % odvětví, spoléhají na certifikace od nezávislých orgánů, jako je např. Uptime Institute na trh jejich spolehlivost. To však představuje výzvu pro řešení volného chlazení, protože pro ně zatím neexistuje žádná zavedená certifikace. Tato situace vede komerční poskytovatele k tomu, aby se bránili alternativním metodám chlazení, přičemž uváděli nejistotu ohledně jejich spolehlivosti a absenci certifikačního precedentu.

Obavy z globálního oteplování

Kritici často vyvolávají obavy z dopadu globálního oteplování na životaschopnost volného chlazení. Tento argument je však vyvrácen uznáním postupné povahy globálního oteplování s přibližným nárůstem o 1,5 stupně za deset let. Je nepravděpodobné, že by tato mírná změna teploty v blízké budoucnosti ohrozila stabilitu řešení s volným chlazením.

Argument "Jen pro případ".

Další běžnou praxí společností, které volí metodu stejnosměrného chlazení, je zahrnutí záložních klimatizačních jednotek jako preventivní opatření vedle volného chlazení. Tento argument „pro všechny případy“ podkopává základní koncept volného chlazení, přináší zbytečnou složitost a ohrožuje finanční a provozní efektivitu.

I pro malou klimatizaci vzniká potřeba zajistit různé komponenty, jako jsou freon, dráty, kapaliny, systémy a ovládací prvky. Namísto přijetí myšlenky mít záložní klimatizaci by se průmysl měl zaměřit na přizpůsobení svého systému volného chlazení široké škále podmínek, aniž by se spoléhal na falešné naděje.

Skutečná rizika a úvahy

Při zvažování řešení volného chlazení vyžadují pozornost některá hmatatelná rizika a úvahy. Jedním z hlavních aspektů je geografický region, protože nasazení volného chlazení v regionu, jako jsou Arabské emiráty, nemusí být opodstatněné.

Přístupnost je dalším aspektem, který je třeba mít na paměti. Vybraný region musí mít potřebnou infrastrukturu a musí být snadno dosažitelný specializovaným personálem pověřeným údržbou datového centra. Důležitá je také konektivita včetně dostupnosti optických linek. Například zřízení datového centra s volným chlazením za polárním kruhem se stává nepraktickým kvůli absenci komunikačních linek a výzvě udržet kvalifikovanou pracovní sílu.

Kromě těchto logistických úvah se jediná omezení pro volné chlazení týkají maximální teploty v regionu (cca 38-40 stupňů) a kvality vzduchu. Oblasti s nadměrným znečištěním, jako jsou oblasti poblíž rušných dálnic nebo intenzivní zemědělské činnosti, mohou představovat problémy. I když neexistuje žádný přímý zákaz, filtry v takových místech budou vyžadovat častou výměnu. Na rozdíl od konvenčních klimatizovaných datových center, která cirkulují vnitřní vzduch, centra s volným chlazením nasávají venkovní vzduch, což vyžaduje pečlivější údržbu filtrů. Ostatní parametry umístění jsou v souladu s parametry platnými pro tradiční datová centra.

Průkopníci a budoucí trendy

Navzdory konzervativní povaze tohoto odvětví některé perspektivní korporátní společnosti hodnotí hmatatelné výhody alternativ. Při výpočtu nákladové efektivity volného chlazení pomocí numerické analýzy si uvědomují potenciální úspory nákladů, které nabízí.

Několik předních společností, jako je Facebook (nyní Meta), Google, Amazon, Yandex a Wildberries, jsou průkopníky v zavádění technologie bezplatného chlazení. Jejich průkopnický status pramení z jejich ochoty vyhodnotit rizika a rozpoznat finanční výhody, které jsou této technologii vlastní. Volba těchto společností byla jasná – buď přejít na konvenční schémata a vynaložit vyšší náklady, nebo přijmout rizika a výhody plynoucí z toho, že se stanou průkopníky v chlazení datových center.

Vyvíjející se prostředí v tomto odvětví naznačuje rostoucí trend mezi podnikovými hyperscalery směřující k implementaci řešení volného chlazení. Vzhledem k tomu, že stále více společností uznává nákladovou efektivitu a provozní výhody této technologie, očekává se, že v budoucnu bude vznikat stále větší počet datových center bez firemního chlazení.

Pokud se chcete dozvědět více o fyzice volného chlazení, prozkoumejte toto téma v mém novém článku Free Cooling: Technology Deep Dive.