Ορισμός Προβλήματος Η κλιμακούμενη ανάπτυξη της υποδομής των κέντρων δεδομένων και η ταυτόχρονη αύξηση της χρήσης εξοπλισμού πληροφορικής έχουν οδηγήσει σε αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Δεδομένου ότι οι διακομιστές, αναπόσπαστα στοιχεία των κέντρων δεδομένων, μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμότητα κατά τη λειτουργία, αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της αντιμετώπισης υψηλών θερμοκρασιών και δροσερών χώρων και εξοπλισμού κέντρων δεδομένων. Ας θυμηθούμε ζωηρά τα βασικά της σχολικής φυσικής: ακολουθώντας τις θεμελιώδεις αρχές της θερμοδυναμικής, η ενέργεια δεν εξαφανίζεται αλλά μετασχηματίζεται. Έτσι, εάν ένα κέντρο δεδομένων καταναλώνει 1 MW ηλεκτρικής ενέργειας - ολόκληρο αυτό το ενεργειακό κβάντο μετατρέπεται σε ισοδύναμη ποσότητα θερμότητας. Κατά συνέπεια, όσο περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνεται, τόσο μεγαλύτερη είναι η πρόκληση της διαχείρισης της θερμότητας που προκύπτει μέσα στο κέντρο δεδομένων. Η κατάσταση γίνεται ακόμη πιο περίπλοκη, καθώς ο εξοπλισμός πληροφορικής μπορεί να έχει διαφορετικά επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας ενώ έχει διαφορετικά φυσικά μεγέθη. Για παράδειγμα, ο εξοπλισμός με υψηλή κατανάλωση ενέργειας μπορεί να έχει μικρό μέγεθος, δημιουργώντας προβλήματα στην αποτελεσματική ψύξη της συγκεντρωμένης θερμότητας. Από την άλλη πλευρά, ο μεγαλύτερος εξοπλισμός πληροφορικής με σχετικά μέτριο ρυθμό κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας ψύχεται ευκολότερα λόγω της μεγαλύτερης επιφάνειάς του. Τα κέντρα δεδομένων συνήθως φιλοξενούν ένα συνδυασμό μεγεθών εξοπλισμού και επιπέδων κατανάλωσης, παρουσιάζοντας την πρόκληση όχι μόνο να ψύχουν διαφορετικούς εξοπλισμούς πληροφορικής αλλά και να το κάνουν σε διαφορετικές ταχύτητες, που υπαγορεύονται από τις απαιτήσεις θερμοκρασίας κάθε τύπου εξοπλισμού. Περιττό να πούμε ότι για την ψύξη του συνεχούς ρεύματος χρειαζόμαστε σημαντικές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, γεγονός που αυξάνει το λειτουργικό κόστος. Το πρόβλημα της αποδοτικής χρήσης ενέργειας στα κέντρα δεδομένων γίνεται ιδιαίτερα οξύ με την παγκόσμια άνοδο των τιμών της ηλεκτρικής ενέργειας. Σύμφωνα με Οι παγκόσμιες τιμές ηλεκτρικής ενέργειας εκτοξεύτηκαν στο μέγιστο όλων των εποχών μεταξύ 2021 και 2022. Όταν η υγειονομική κρίση του COVID-19 υποχώρησε το δεύτερο εξάμηνο του 2021, η ζήτηση ενέργειας αυξήθηκε και οι τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας έφτασαν σε υψηλό πρώτο ρεκόρ. Στις αρχές του 2022, η αγορά ενέργειας σφίγγεται ξανά και η ενεργειακή κρίση εντάθηκε. η αναφορά της Statista Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας του κέντρου δεδομένων αυξάνεται παρά την αυξανόμενη απόδοση απόδοσης. Με άλλα λόγια, αν και η απόδοση ανά watt βελτιώνεται, η ζήτηση για πόρους αυξάνεται ακόμη πιο γρήγορα, επομένως η συνολική κατανάλωση αυξάνεται αναπόφευκτα καθώς και το κόστος. Ωστόσο, μπορεί να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση κόστους με τη βελτιστοποίηση των συστημάτων ψύξης. Αυτό με έκανε να θέλω να ρίξω μια πιο βαθιά ματιά στις αποτελεσματικές μεθόδους ψύξης γενικά και στην ελεύθερη ψύξη ειδικότερα. Η αξιολόγηση των επιπέδων κατανάλωσης ενέργειας στα κέντρα δεδομένων συνήθως βασίζεται στη μέτρηση της αποτελεσματικότητας χρήσης ενέργειας (PUE). Το PUE μετράει την απόδοση ενός κέντρου δεδομένων αξιολογώντας τη συνολική κατανάλωση ενέργειας έναντι αυτής που χρησιμοποιείται αποκλειστικά για εξοπλισμό πληροφορικής. Θα μιλήσουμε για αυτό με περισσότερες λεπτομέρειες λίγο αργότερα. Αυτό που πρέπει να γνωρίζουμε τώρα είναι ότι ένα χαμηλότερο PUE σημαίνει ένα πιο αποτελεσματικό κέντρο δεδομένων, υποδεικνύοντας μειωμένη εξάρτηση από τη μη υπολογιστική ισχύ. Ενόψει της αυξανόμενης υποδομής και της κλιμακούμενης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, η βελτιστοποίηση της PUE με πιο αποτελεσματικά συστήματα ψύξης παρέχει οικονομική σύνεση και βιώσιμες λειτουργίες. Σε αυτό το άρθρο, θα εξερευνήσουμε παραδοσιακές και καινοτόμες μεθόδους ψύξης και θα ανακαλύψουμε ποιες από αυτές προσφέρουν μέγιστη απόδοση. Επισκόπηση μεθόδων ψύξης Αέρας και μη αέρας Σε μια απλοποιημένη ταξινόμηση, οι τεχνικές ψύξης μπορούν να οριοθετηθούν σε δύο κύριες κατηγορίες: μεθόδους με βάση τον αέρα και μη βασισμένες στον αέρα. Πιο αναλυτικά, η ψύξη με αέρα περιλαμβάνει συμβατικές προσεγγίσεις, ενώ η κατηγορία χωρίς αέρα περιλαμβάνει διάφορες μεθόδους που χρησιμοποιούν ουσίες όπως νερό, λάδι ή στερεά υλικά. Αξίζει να σημειωθεί ότι η συντριπτική πλειοψηφία, που αποτελεί το 99%, των μεθόδων ψύξης εμπίπτει στην ομπρέλα της ψύξης αέρα. Κλιματιστικά Τα συστήματα κλιματισμού είναι το πιο διαδεδομένο μέσο ψύξης του αέρα στις επαγγελματικές ρυθμίσεις κέντρων δεδομένων. Η θεμελιώδης αρχή τους αντικατοπτρίζει εκείνη των οικιακών κλιματιστικών: ο αέρας που ρέει μέσω των διακομιστών κυκλοφορεί μέσω ενός κλιματιστικού, ψύχεται μέσω μιας μάσκας ψυγείου και στη συνέχεια ανακυκλώνεται ξανά στους διακομιστές. Αυτή η κυκλική διαδικασία εξασφαλίζει έναν συνεχή μηχανισμό ψύξης. Ψυκτικά συγκροτήματα Μετά τα κλιματιστικά, τα ψυκτικά συγκροτήματα αντιπροσωπεύουν το δεύτερο πιο ευρέως διαδεδομένο σύστημα ψύξης. Σε αντίθεση με τα κλιματιστικά, τα ψυκτικά συγκροτήματα χρησιμοποιούν νερό (ή λύση με βάση το νερό) για τη μεταφορά θερμότητας μακριά από χώρους που απαιτούν έλεγχο του κλίματος. Αν και ο κλιματισμός είναι απλούστερος και γενικά πιο προσιτός, το υψηλότερο ενεργειακό του κόστος μπορεί μερικές φορές να είναι αποτρεπτικό για τις επιχειρήσεις. Από την άλλη πλευρά, τα συστήματα κρύου νερού είναι πιο ενεργειακά αποδοτικά, αλλά απαιτούν περισσότερα εξαρτήματα και πολυπλοκότητα στην εγκατάσταση και τη συντήρησή τους. Αδιαβατικοί θαλάμοι και χαλάκια Η αδιαβατική ψύξη περιλαμβάνει τη χρήση θαλάμων ή χαλιών όπου το νερό χύνεται και εξατμίζεται. Καθώς το νερό εξατμίζεται, οι θάλαμοι και τα χαλάκια ψύχονται μαζί με τον αέρα μέσα. Ενώ η αδιαβατική ψύξη αντιπροσωπεύει μια τρίτη βιώσιμη επιλογή, θεωρείται κάπως εξωτική και δεν χρησιμοποιείται τόσο συχνά στην ψύξη του κέντρου δεδομένων σε σύγκριση με τα κλιματιστικά και τα ψυκτικά συγκροτήματα. Υδροψύξη Στα συστήματα ψύξης νερού, νερό ή υγρά που περιέχουν νερό χρησιμοποιούνται για την απαγωγή θερμότητας. Οι σωλήνες νερού τοποθετούνται στρατηγικά σε δωμάτια διακομιστών, με κάθε διακομιστή να συνδέεται με δύο σωλήνες — έναν για την εκροή ζεστού νερού και τον άλλο για την εισροή κρύου νερού. Τα θερμαντικά σώματα σε CPU, GPU και σε άλλο εξοπλισμό συνδέονται απευθείας με αυτό το σύστημα παροχής νερού. Αυτή η προσέγγιση όχι μόνο ψύχει τον εξοπλισμό και τις εγκαταστάσεις του κέντρου δεδομένων αλλά δημιουργεί επίσης παροχή ζεστού νερού για πρόσθετες χρήσεις. Εναλλάκτες θερμότητας Αυτή η μέθοδος ενισχύει την απόδοση ψύξης αξιοποιώντας εξωτερικά ψυχρά περιβάλλοντα. Όταν υπάρχει διαθέσιμη μια κοντινή πηγή κρύου, όπως μια λίμνη, η θάλασσα ή το κρύο έδαφος, μπορούν να αναπτυχθούν σωλήνες νερού απευθείας σε αυτήν για να μεταδώσουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας από εξοπλισμό πληροφορικής. Εξωτικά Υπάρχουν και μη συμβατικές μέθοδοι. Ένα από αυτά βασίζεται σε στοιχεία Peltier ή θερμοηλεκτρικούς ψύκτες (TEC). Αυτή η προσέγγιση βασίζεται σε φαινόμενα ημιαγωγών και περιλαμβάνει την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε μια ειδική πλάκα που θερμαίνεται από τη μία πλευρά και ψύχεται από την άλλη. Μια άλλη πρωτοποριακή προσέγγιση είναι η ανάπτυξη υποβρύχιων κέντρων δεδομένων. Σε , για παράδειγμα, ένα κέντρο δεδομένων βυθίστηκε σε βάθος 117 πόδια στα Βόρεια Νησιά την άνοιξη του 2018. Κατά τη διάρκεια των δύο επόμενων ετών, η ομάδα διεξήγαγε αυστηρές δοκιμές και παρακολούθηση των διακομιστών του κέντρου δεδομένων. Επιβεβαιώθηκε ότι η τοποθέτηση ενός σφραγισμένου δοχείου στον πυθμένα του ωκεανού θα μπορούσε να βελτιώσει τη συνολική αξιοπιστία του κέντρου δεδομένων μετριάζοντας ζητήματα όπως η διάβρωση, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και οι φυσικές διαταραχές που συμβαίνουν συνήθως στην ξηρά. Το έργο Natick της Microsoft Δωρεάν ψύξη Αυτή η τεχνική στοχεύει ιδιαίτερα στη μεγιστοποίηση της απόδοσης ψύξης. Η δωρεάν ψύξη ανανεώνει τον αέρα μέσα σε ένα κέντρο δεδομένων χωρίς να βασίζεται σε παραδοσιακά συστήματα ψύξης. Χρησιμοποιεί φυσικό εξωτερικό αέρα ως έχει. Συνήθως ο εξωτερικός αέρας υπόκειται απλώς στον έλεγχο της υγρασίας και στη συνέχεια οι φυσικές θερμοδυναμικές διεργασίες ρυθμίζουν τις θερμοκρασίες μέσα στα δωμάτια δεδομένων. Αυτή η μέθοδος μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας (75% έως 92% λιγότερο σε σύγκριση με άλλα συστήματα CRAH), μειώνει τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και εξαλείφει την ανάγκη για νερό στο σύστημα ψύξης. Η δωρεάν ψύξη είναι μια από τις πιο φιλικές προς το περιβάλλον επιλογές που απαιτεί λιγότερη ενέργεια. Επιπλέον, μπορεί να βοηθήσει στην εξοικονόμηση κόστους καθώς το 40% της ενέργειας που χρησιμοποιείται από τα κέντρα δεδομένων πηγαίνει στην ψύξη. Αυτό το σύστημα βελτιώνει την απόδοση όλου του αερόψυκτου εξοπλισμού, ακόμη και σε δύσκολες συνθήκες. Ακολουθεί μια απλή οπτική αναπαράσταση της διαδικασίας ελεύθερης ψύξης: Όπως μπορείτε να δείτε το σύστημα λειτουργεί με πολύ απλό τρόπο, διοχετεύοντας τον εξωτερικό αέρα μέσω φίλτρων, εξοπλισμού πληροφορικής και αποβάλλοντάς τον. Αυτή η μείωση της πολυπλοκότητας, με μόνο ανεμιστήρες ως πιθανά τρωτά σημεία, ενισχύει τη συνολική αξιοπιστία ενός DC στην ελεύθερη ψύξη. Σε αντίθεση με τα συστήματα με πολύπλοκο εξοπλισμό, η απουσία περίπλοκων εξαρτημάτων μειώνει επίσης τόσο το αρχικό κόστος εγκατάστασης όσο και τα έξοδα συνεχούς συντήρησης. Έτσι τα οικονομικά πλεονεκτήματα ξεκινούν ήδη από το στάδιο της κατασκευής, όπου ο βελτιωμένος σχεδιασμός της ελεύθερης ψύξης μεταφράζεται σε απτή εξοικονόμηση πόρων. Η αγωνία της επιλογής Κατά τη διάρκεια συνεδρίων και συναντήσεων, λαμβάνω συχνά πολλές ερωτήσεις που περιστρέφονται γύρω από το παράδοξο: εάν η δωρεάν ψύξη είναι εξίσου συμφέρουσα όσον αφορά την εξοικονόμηση κόστους και την απλότητα, γιατί δεν υιοθετείται παγκοσμίως στη βιομηχανία; Αυτό θέτει το ευρύτερο ερώτημα γιατί, παρά τα πλεονεκτήματά της, μόνο ένας περιορισμένος αριθμός εταιρειών έχει υιοθετήσει τη δωρεάν ψύξη, ενώ άλλες επιμένουν με τις συμβατικές μεθόδους. Η απάντηση σε αυτό βρίσκεται σε μια πολύπλευρη εξέταση της δυναμικής του κλάδου που επικρατεί. Βιομηχανική Δικτατορία Στον κλάδο των κέντρων δεδομένων, όπου η αξιοπιστία είναι πρωταρχικής σημασίας, η υιοθέτηση καινοτόμων λύσεων συχνά αντιμετωπίζει αντίσταση. Αυτό το αποδίδω, πρώτα απ 'όλα, στη συντηρητική φύση της βιομηχανίας DC, όπου οι υπεύθυνοι λήψης αποφάσεων δίνουν προτεραιότητα στις αποδεδειγμένες ιδέες έναντι των καινοτόμων λύσεων. Ενώ οι νέες τεχνολογίες όπως η δωρεάν ψύξη υπόσχονται οικονομική αποδοτικότητα και αποδοτικότητα, οι εκπρόσωποι του κλάδου θα προτιμούσαν παραδοσιακές αλλά αξιόπιστες προσεγγίσεις για να εξασφαλίσουν την απρόσκοπτη λειτουργία των διακομιστών. Εμπόδια μάρκετινγκ Ένα άλλο σημείο εδώ είναι ότι οι εμπορικοί πάροχοι DC, που αποτελούν περίπου το 80% του κλάδου, βασίζονται σε πιστοποιήσεις από ανεξάρτητους φορείς όπως ο για την εμπορία της αξιοπιστίας τους. Ωστόσο, αυτό αποτελεί πρόκληση για τις λύσεις δωρεάν ψύξης, καθώς δεν υπάρχει ακόμη καθιερωμένη πιστοποίηση για αυτές. Αυτή η κατάσταση οδηγεί τους εμπορικούς παρόχους να αντιστέκονται σε εναλλακτικές μεθόδους ψύξης, επικαλούμενοι αβεβαιότητες σχετικά με την αξιοπιστία τους και την απουσία προηγούμενου πιστοποίησης. Ινστιτούτο Uptime Ανησυχίες για την υπερθέρμανση του πλανήτη Οι επικριτές συχνά εκφράζουν ανησυχίες σχετικά με τις επιπτώσεις της υπερθέρμανσης του πλανήτη στη βιωσιμότητα της ελεύθερης ψύξης. Ωστόσο, το επιχείρημα καταρρίπτεται με την αναγνώριση της σταδιακής φύσης της υπερθέρμανσης του πλανήτη, με μια κατά προσέγγιση αύξηση 1,5 μοιρών σε μια δεκαετία. Αυτή η μέτρια αλλαγή θερμοκρασίας είναι απίθανο να θέσει σε κίνδυνο τη σταθερότητα των λύσεων ελεύθερης ψύξης στο εγγύς μέλλον. Επιχείρημα "Just in Case". Μια ακόμη κοινή πρακτική για τις εταιρείες που επιλέγουν μια μέθοδο ψύξης DC είναι η συμπερίληψη εφεδρικών μονάδων κλιματισμού ως προληπτικό μέτρο εκτός από τη δωρεάν ψύξη. Αυτό το επιχείρημα «για κάθε περίπτωση» υπονομεύει τη βασική ιδέα της ελεύθερης ψύξης, εισάγοντας περιττή πολυπλοκότητα και διακυβεύοντας την οικονομική και λειτουργική απόδοση. Ακόμη και για ένα μικρό κλιματιστικό, προκύπτει η ανάγκη παροχής διαφόρων εξαρτημάτων όπως φρέον, καλώδια, υγρά, συστήματα και χειριστήρια. Αντί να υιοθετήσει την ιδέα της ύπαρξης εφεδρικού κλιματιστικού, η βιομηχανία θα πρέπει να επικεντρωθεί στην προσαρμογή του δωρεάν συστήματος ψύξης σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών χωρίς να βασίζεται σε ψεύτικες ελπίδες. Πραγματικοί κίνδυνοι και εκτιμήσεις Όταν εξετάζετε μια λύση δωρεάν ψύξης, απαιτούν προσοχή ορισμένοι απτές κίνδυνοι και ζητήματα. Ένα πρωταρχικό στοιχείο είναι η γεωγραφική περιοχή, καθώς η ανάπτυξη δωρεάν ψύξης σε μια περιοχή όπως τα Αραβικά Εμιράτα μπορεί να μην δικαιολογείται. Η προσβασιμότητα είναι μια άλλη πτυχή που πρέπει να έχουμε κατά νου. Η επιλεγμένη περιοχή πρέπει να διαθέτει την απαιτούμενη υποδομή και να είναι εύκολα προσβάσιμη από εξειδικευμένο προσωπικό επιφορτισμένο με τη συντήρηση του κέντρου δεδομένων. Η συνδεσιμότητα, συμπεριλαμβανομένης της διαθεσιμότητας οπτικών γραμμών, είναι επίσης σημαντική. Για παράδειγμα, η δημιουργία ενός κέντρου δεδομένων ελεύθερης ψύξης πέρα από τον Αρκτικό Κύκλο καθίσταται μη πρακτική λόγω της απουσίας γραμμών επικοινωνίας και της πρόκλησης της διατήρησης ενός ειδικευμένου εργατικού δυναμικού. Πέρα από αυτά τα υλικοτεχνικά ζητήματα, οι μόνοι περιορισμοί για δωρεάν ψύξη αφορούν τη μέγιστη θερμοκρασία της περιοχής (περίπου 38-40 βαθμοί) και την ποιότητα του αέρα. Περιοχές με υπερβολική ρύπανση, όπως αυτές που βρίσκονται κοντά σε πολυσύχναστους αυτοκινητόδρομους ή έντονες αγροτικές δραστηριότητες, ενδέχεται να δημιουργήσουν προβλήματα. Αν και δεν υπάρχει απόλυτη απαγόρευση, τα φίλτρα σε τέτοιες τοποθεσίες θα χρειάζονται συχνή αντικατάσταση. Σε αντίθεση με τα συμβατικά κλιματιζόμενα κέντρα δεδομένων που κυκλοφορούν τον εσωτερικό αέρα, τα κέντρα ελεύθερης ψύξης αντλούν εξωτερικό αέρα, απαιτώντας πιο επιμελή συντήρηση φίλτρων. Άλλες παράμετροι τοποθεσίας ευθυγραμμίζονται με εκείνες που ισχύουν για τα παραδοσιακά κέντρα δεδομένων. Πρωτοπόροι και μελλοντικές τάσεις Παρά τη συντηρητική φύση του κλάδου, ορισμένες μακροπρόθεσμες εταιρικές εταιρείες αξιολογούν τα απτά οφέλη των εναλλακτικών λύσεων. Υπολογίζοντας τη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας της δωρεάν ψύξης μέσω αριθμητικής ανάλυσης, συνειδητοποιούν την πιθανή εξοικονόμηση κόστους που προσφέρει. Αρκετές εξέχουσες εταιρείες, όπως το Facebook (τώρα Meta), η Google, η Amazon, η Yandex και η Wildberries, είναι πρωτοπόροι στην υιοθέτηση της τεχνολογίας δωρεάν ψύξης. Η πρωτοποριακή τους θέση πηγάζει από την προθυμία τους να αξιολογήσουν τους κινδύνους και να αναγνωρίσουν τα οικονομικά πλεονεκτήματα που ενυπάρχουν σε αυτήν την τεχνολογία. Η επιλογή για αυτές τις εταιρείες ήταν σαφής - είτε χρησιμοποιήστε συμβατικά προγράμματα και επιβαρύνεστε με υψηλότερο κόστος είτε αναλάβετε τους κινδύνους και τα οφέλη του να γίνετε πρωτοπόροι στην ψύξη των κέντρων δεδομένων. Το εξελισσόμενο τοπίο του κλάδου υποδηλώνει μια αυξανόμενη τάση μεταξύ των εταιρικών υπερκλιμακωτών προς την εφαρμογή λύσεων δωρεάν ψύξης. Καθώς περισσότερες εταιρείες αναγνωρίζουν τη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας και τα λειτουργικά πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας, αναμένεται ότι στο μέλλον θα εμφανιστεί αυξανόμενος αριθμός κέντρων δεδομένων ψύξης χωρίς εταιρική χρήση. Εάν ενδιαφέρεστε να μάθετε περισσότερα για τη φυσική της ελεύθερης ψύξης, εξερευνήστε το θέμα στο νέο μου άρθρο Free Cooling: Technology Deep Dive.
