Udviklingen af datacenterkøling: Fra luftbaserede metoder til frikøling

Problemdefinition

Den eskalerende vækst i datacenterinfrastrukturen og den samtidige stigning i udnyttelsen af ​​it-udstyr har e ført til et stigning i elforbruget.

Da servere, integrerede komponenter i datacentrene, omdanner elektricitet til varme under drift, står vi over for problemet med at håndtere høje temperaturer og kølige datacenterlokaler og -udstyr.

Lad os hurtigt huske det grundlæggende i skolens fysik: efter termodynamikkens grundlæggende principper forsvinder energien ikke, men transformeres. Hvis et datacenter altså bruger 1 MW elektricitet – bliver hele dette energikvante omdannet til en tilsvarende mængde varme. Jo mere strøm der forbruges, jo større er udfordringen med at håndtere den resulterende varme i datacentret.

Situationen bliver endnu mere kompliceret, da it-udstyr kan have varierende energiforbrugsniveauer og samtidig have forskellige fysiske størrelser. For eksempel kan udstyr med højt energiforbrug have en lille størrelse, hvilket giver problemer med effektiv afkøling af den koncentrerede varme. På den anden side er større it-udstyr med et relativt moderat elforbrug lettere at køle på grund af dets større overflade. Datacentre rummer typisk en blanding af udstyrsstørrelser og forbrugsniveauer, hvilket giver udfordringen med ikke kun at køle forskelligt it-udstyr, men også gøre det ved forskellige hastigheder, dikteret af temperaturkravene for hver udstyrstype. Det er overflødigt at sige, at for at afkøle DC har vi brug for betydelige mængder elektricitet, hvilket øger driftsomkostningerne.

Problemet med effektiv strømforbrug i datacentre bliver særligt akut med den globale stigning i elpriserne. Ifølge rapporten fra Statista verdens elpriser steg i vejret til et nogensinde maksimum mellem 2021 og 2022. Da COVID-19-sundhedskrisen aftog i andet halvår af 2021, steg energiefterspørgslen, og elpriserne ramte et første rekordhøjt niveau. I begyndelsen af ​​2022 strammede energimarkedet igen, og energikrisen forstærkedes.

Datacentrets elforbrug vokser på trods af øget ydeevne.

Med andre ord, selvom ydeevnen pr. watt forbedres, vokser efterspørgslen efter ressourcer endnu hurtigere, så det samlede forbrug stiger uundgåeligt såvel som omkostningerne. Der kan dog opnås betydelige omkostningsbesparelser ved at optimere kølesystemerne. Dette gav mig lyst til at se dybere ind i de effektive kølemetoder generelt og frikøling i særdeleshed.

Vurdering af energiforbrugsniveauer i datacentre afhænger normalt af Power Usage Effectiveness (PUE)-metrikken. PUE måler et datacenters effektivitet ved at evaluere det samlede energiforbrug i forhold til det, der udelukkende bruges til it-udstyr. Vi vil tale om det mere detaljeret lidt senere. Hvad vi skal vide nu er, at en lavere PUE betyder et mere effektivt datacenter, hvilket indikerer reduceret afhængighed af ikke-computerkraft. I lyset af voksende infrastruktur og eskalerende elforbrug giver optimering af PUE med mere effektive kølesystemer økonomisk forsigtighed og bæredygtig drift.

I denne artikel vil vi udforske traditionelle og innovative kølemetoder og opdage, hvilke af dem der giver maksimal effektivitet.

Oversigt over kølemetoder

Luft og ikke-luft

I en forenklet klassificering kan køleteknikker afgrænses i to primære kategorier: luftbaserede og ikke-luftbaserede metoder. For at uddybe omfatter luftkøling konventionelle tilgange, mens ikke-luftkategorien omfatter forskellige metoder, der anvender stoffer som vand, olie eller faste materialer. Det er bemærkelsesværdigt, at det overvældende flertal, der udgør 99%, af kølemetoder falder ind under luftkølende paraply.

Klimaanlæg

Airconditionsystemer er det mest udbredte middel til luftkøling i professionelle datacenteropsætninger. Deres grundlæggende princip afspejler det for klimaanlæg til boliger: luften, der strømmer gennem serverne, cirkuleres gennem et klimaanlæg, afkøles via et kølergitter og recirkuleres derefter tilbage til serverne. Denne cykliske proces sikrer en kontinuerlig kølemekanisme.

Chillers

Efter klimaanlæg repræsenterer kølere det næstmest udbredte kølesystem. I modsætning til klimaanlæg anvender kølere vand (eller en vandbaseret løsning) til at overføre varme væk fra rum, der kræver klimakontrol. Selvom klimaanlæg er enklere og generelt mere overkommeligt, kan dets højere energiomkostninger nogle gange virke afskrækkende for virksomheder. På den anden side er kølevandssystemer mere energieffektive, men kræver flere komponenter og kompleksitet i deres installation og vedligeholdelse.

Adiabatiske kamre og måtter

Adiabatisk køling involverer brug af kamre eller måtter, hvor vand hældes og fordampes. Når vandet fordamper, afkøles kamrene og måtterne sammen med luften indeni. Mens adiabatisk køling repræsenterer en tredje levedygtig mulighed, betragtes den som noget eksotisk og er ikke så almindeligt anvendt i datacenterkøling sammenlignet med klimaanlæg og kølere.

Vandkøling

I vandkølingssystemer bruges vand eller vandholdige væsker til varmeafledning. Vandrør er strategisk placeret i serverrum, hvor hver server er forbundet til to rør - et til varmtvandsudløb og det andet til koldtvandstilstrømning. Radiatorer på CPU'er, GPU'er og på andet udstyr er forbundet direkte med dette vandforsyningssystem. Denne tilgang afkøler ikke kun datacentrets udstyr og lokaler, men genererer også en forsyning af varmt vand til yderligere brug.

Varmevekslere

Denne metode forbedrer køleeffektiviteten ved at udnytte eksterne kolde miljøer.

Når en nærliggende kuldekilde, såsom en sø, hav eller kold jord, er tilgængelig, kan vandrør sættes direkte ind i den for at overføre store mængder varme fra it-udstyr.

Eksotik

Der er også utraditionelle metoder. En af dem er baseret på Peltier-elementer eller termoelektriske kølere (TEC'er). Denne tilgang er afhængig af halvledereffekter og involverer levering af elektricitet til en speciel plade, der opvarmes på den ene side og afkøles på den anden.

En anden avantgarde-tilgang er udrulningen af ​​undervandsdatacentre. I Microsofts Project Natick , for eksempel blev et datacenter nedsænket 117 fod dybt på de nordlige øer i foråret 2018. I løbet af de efterfølgende to år gennemførte holdet strenge test og overvågning af datacentrets servere. Det blev bekræftet, at placering af en forseglet beholder på havbunden kunne forbedre den overordnede datacenters pålidelighed ved at afbøde problemer som korrosion, temperatursvingninger og fysiske forstyrrelser, der typisk opstår på land.

Gratis afkøling

Denne teknik er især rettet mod at maksimere køleeffektiviteten. Fri køling opfrisker luften i et datacenter uden at være afhængig af traditionelle kølesystemer. Den bruger naturlig udeluft, som den er. Typisk er udeluften kun underlagt fugtkontrol, og så regulerer naturlige termodynamiske processer temperaturen i datarummene.

Denne metode reducerer strømforbruget markant (75% til 92% mindre sammenlignet med andre CRAH-systemer), sænker kuldioxidemissioner og eliminerer behovet for vand i kølesystemet.

Gratis køling er et af de mest miljøvenlige valg, der kræver mindre energi. Desuden kan det hjælpe med at spare omkostninger, da 40 % af den strøm, der bruges af datacentre, går til køling. Dette system forbedrer ydeevnen af ​​alt luftkølet udstyr, selv under hårde forhold. Her er en simpel visuel repræsentation af frikølingsprocessen:

Som du kan se, fungerer systemet på en meget ligetil måde, kanaliserer luften ude gennem filtre, IT-udstyr og udstøder den. Denne reduktion i kompleksitet, med kun blæsere som potentielle sårbarheder, styrker den overordnede pålidelighed af en DC på frikøling.

I modsætning til systemer med komplekst udstyr reducerer fraværet af indviklede komponenter også både indledende opsætningsomkostninger og løbende vedligeholdelsesudgifter. Så de økonomiske fordele begynder allerede på byggestadiet, hvor det strømlinede design af frikøling udmønter sig i håndgribelige besparelser.

Valgets smerte

Under konferencer og møder får jeg ofte adskillige spørgsmål, der kredser om paradokset: Hvis frikøling er lige så fordelagtigt med hensyn til omkostningsbesparelser og enkelhed, hvorfor er det så ikke universelt vedtaget i industrien?

Dette rejser det bredere spørgsmål om, hvorfor på trods af dets fordele kun et begrænset antal virksomheder har taget frikøling til sig, mens andre fortsætter med konventionelle metoder. Svaret på dette ligger i en mangefacetteret undersøgelse af den fremherskende industridynamik.

Industridiktatur

I datacenterindustrien, hvor pålidelighed er af primær betydning, møder indførelse af innovative løsninger ofte modstand. Det tilskriver jeg først og fremmest DC-industriens konservative karakter, hvor beslutningstagere prioriterer gennemprøvede koncepter frem for innovative løsninger.

Mens nye teknologier som gratis køling lover omkostningseffektivitet og effektivitet, vil brancherepræsentanter hellere foretrække traditionelle, men pålidelige tilgange til at sikre problemfri drift af serverne.

Markedsføringshindringer

Et andet punkt her er, at kommercielle DC-udbydere, der udgør omkring 80 % af industrien, er afhængige af certificeringer fra uafhængige organer som f.eks. Uptime Institute at markedsføre deres pålidelighed. Dette udgør dog en udfordring for frikøleløsninger, da der endnu ikke er etableret certificering for dem. Denne situation får kommercielle udbydere til at modstå alternative kølemetoder, idet de citerer usikkerheder omkring deres pålidelighed og fraværet af en certificeringspræcedens.

Bekymringer om global opvarmning

Kritikere rejser ofte bekymringer om virkningen af ​​global opvarmning på levedygtigheden af ​​fri afkøling. Argumentet afkræftes dog ved at anerkende den gradvise natur af global opvarmning med en omtrentlig stigning på 1,5 grader over et årti. Denne beskedne temperaturændring vil næppe kompromittere stabiliteten af ​​frikøleløsninger på kort sigt.

"Just in case"-argument

En mere almindelig praksis for virksomheder, der vælger en DC-kølingsmetode, er at inkludere backup-klimaanlæg som en sikkerhedsforanstaltning ud over frikøling. Dette "just in case"-argument underminerer kernekonceptet frikøling, introducerer unødvendig kompleksitet og kompromitterer økonomisk og operationel effektivitet.

Selv for et lille klimaanlæg opstår behovet for at levere forskellige komponenter såsom freon, ledninger, væsker, systemer og kontroller. I stedet for at omfavne ideen om at have et backup-klimaanlæg, bør industrien fokusere på at tilpasse sit frikølingssystem til en lang række forhold uden at stole på falske forhåbninger.

Reelle risici og overvejelser

Når man overvejer en frikølingsløsning, kræver nogle håndgribelige risici og overvejelser opmærksomhed. En primær overvejelse er den geografiske region, da det måske ikke er berettiget at installere gratis køling i en region som De Arabiske Emirater.

Tilgængelighed er et andet aspekt at huske på. Den valgte region skal have den nødvendige infrastruktur og være let tilgængelig for specialiseret personale, der har til opgave at vedligeholde datacenter. Forbindelse, herunder tilgængeligheden af ​​optiske linjer, er også vigtig. For eksempel bliver det upraktisk at etablere et frikølende datacenter uden for polarcirklen på grund af fraværet af kommunikationslinjer og udfordringen med at opretholde en kvalificeret arbejdsstyrke.

Ud over disse logistiske overvejelser er de eneste restriktioner for frikøling regionens maksimale temperatur (ca. 38-40 grader) og luftkvalitet. Områder med overdreven forurening, såsom dem nær travle motorveje eller intense landbrugsaktiviteter, kan udgøre problemer. Selvom der ikke er noget direkte forbud, skal filtre på sådanne steder hyppigt udskiftes. I modsætning til konventionelle, klimatiserede datacentre, der cirkulerer intern luft, trækker frikølingscentre udeluft ind, hvilket kræver mere omhyggelig filtervedligeholdelse. Andre placeringsparametre stemmer overens med dem, der gælder for traditionelle datacentre.

Pionerer og fremtidige tendenser

På trods af branchens konservative karakter vurderer nogle fremadstormende virksomhedsvirksomheder de håndgribelige fordele ved alternativer. Ved at beregne omkostningseffektiviteten ved frikøling gennem numerisk analyse indser de de potentielle omkostningsbesparelser, det giver.

Adskillige fremtrædende virksomheder, såsom Facebook (nu Meta), Google, Amazon, Yandex og Wildberries, er pionerer inden for at indføre frikølingsteknologi. Deres banebrydende status stammer fra deres vilje til at vurdere risici og anerkende de økonomiske fordele, der er forbundet med denne teknologi. Valget for disse virksomheder var klart – enten gå efter konventionelle ordninger og pådrage sig højere omkostninger eller tage risici og fordele ved at blive pionerer inden for køling af datacenter.

Branchens udviklende landskab indikerer en voksende tendens blandt virksomheders hyper-scalere til at implementere frikølingsløsninger. Efterhånden som flere virksomheder erkender omkostningseffektiviteten og de operationelle fordele ved denne teknologi, forventes det, at et stigende antal virksomhedsfrie køledatacentre vil dukke op i fremtiden.

Hvis du er interesseret i at lære mere om fysikken bag fri afkøling, så udforsk emnet i min nye artikel Free Cooling: Technology Deep Dive.