سیر تکامل خنک‌سازی مرکز داده: از روش‌های مبتنی بر هوا تا خنک‌سازی رایگان

تعریف مشکل

رشد فزاینده در زیرساخت مرکز داده و افزایش همزمان در استفاده از تجهیزات فناوری اطلاعات منجر به افزایش مصرف برق شده است.

از آنجایی که سرورها، اجزای جدایی ناپذیر مراکز داده، در حین کار، الکتریسیته را به گرما تبدیل می کنند، ما با مشکل مواجهه با دماهای بالا و خنک شدن ساختمان ها و تجهیزات مرکز داده مواجه هستیم.

بیایید اصول اولیه فیزیک مدرسه را به سرعت به یاد بیاوریم: با پیروی از اصول اساسی ترمودینامیک، انرژی ناپدید نمی شود، بلکه تبدیل می شود. بنابراین، اگر یک مرکز داده 1 مگاوات برق مصرف کند، کل این کوانتوم انرژی به مقداری معادل گرما تبدیل می شود. در نتیجه، هرچه برق بیشتری مصرف شود، چالش مدیریت گرمای حاصل در مرکز داده بیشتر خواهد بود.

وضعیت حتی پیچیده‌تر می‌شود، زیرا تجهیزات فناوری اطلاعات می‌توانند سطوح مصرف انرژی متفاوتی داشته باشند در حالی که اندازه‌های فیزیکی متفاوتی دارند. به عنوان مثال، تجهیزات با مصرف انرژی بالا ممکن است اندازه کوچکی داشته باشند که باعث ایجاد مشکلاتی در خنک کردن موثر گرمای متمرکز می شود. از سوی دیگر، تجهیزات IT بزرگتر با میزان مصرف برق نسبتاً متوسط ​​به دلیل مساحت سطح بزرگ‌تر، خنک‌تر می‌شوند. مراکز داده معمولاً ترکیبی از اندازه تجهیزات و سطوح مصرف را در خود جای می دهند، که چالش نه تنها خنک کردن تجهیزات متنوع فناوری اطلاعات، بلکه انجام این کار با سرعت های مختلف، دیکته شده توسط دما مورد نیاز هر نوع تجهیزات را ارائه می دهد. نیازی به گفتن نیست که برای خنک کردن DC به مقدار قابل توجهی برق نیاز داریم که به هزینه های عملیاتی می افزاید.

مشکل استفاده کارآمد از توان در مراکز داده به ویژه با افزایش جهانی قیمت برق حادتر می شود. با توجه به گزارش Statista قیمت جهانی برق بین سال‌های 2021 تا 2022 به حداکثر بی‌سابقه افزایش یافت. زمانی که بحران بهداشتی کووید-19 در نیمه دوم سال 2021 فروکش کرد، تقاضای انرژی افزایش یافت و قیمت برق به بالاترین حد خود رسید. در آغاز سال 2022، بازار انرژی دوباره تشدید شد و بحران انرژی تشدید شد.

مصرف برق مرکز داده علیرغم افزایش کارایی عملکرد در حال رشد است.

به عبارت دیگر، اگرچه عملکرد به ازای هر وات در حال بهبود است، تقاضا برای منابع حتی سریعتر رشد می کند، بنابراین مصرف کلی و همچنین هزینه ها به طور اجتناب ناپذیری افزایش می یابد. با این حال، با بهینه سازی سیستم های خنک کننده می توان به صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ها دست یافت. این باعث شد که بخواهم نگاه عمیق تری به روش های خنک کننده کارآمد به طور کلی و خنک کننده رایگان به طور خاص داشته باشم.

ارزیابی سطوح مصرف انرژی در مراکز داده معمولاً به معیار اثربخشی مصرف انرژی (PUE) متکی است. PUE کارایی مرکز داده را با ارزیابی کل مصرف انرژی در مقابل انرژی مورد استفاده منحصراً برای تجهیزات فناوری اطلاعات اندازه گیری می کند. کمی بعد در مورد آن با جزئیات بیشتر صحبت خواهیم کرد. آنچه اکنون باید بدانیم این است که PUE کمتر به معنای مرکز داده کارآمدتر است که نشان دهنده کاهش اتکا به توان غیر محاسباتی است. در مواجهه با زیرساخت های رو به رشد و افزایش مصرف برق، بهینه سازی PUE با سیستم های خنک کننده کارآمد تر، احتیاط مالی و عملیات پایدار را فراهم می کند.

در این مقاله، روش‌های خنک‌کننده سنتی و نوآورانه را بررسی می‌کنیم و کشف می‌کنیم که کدام یک از آنها حداکثر کارایی را ارائه می‌دهند.

بررسی اجمالی روش های خنک کننده

هوا و غیر هوا

در یک طبقه بندی ساده، تکنیک های خنک کننده را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: روش های مبتنی بر هوا و غیر مبتنی بر هوا. برای توضیح بیشتر، خنک کننده هوا شامل رویکردهای معمولی است، در حالی که دسته غیر هوا شامل روش های متنوعی است که از موادی مانند آب، روغن یا مواد جامد استفاده می کند. قابل ذکر است که اکثریت قریب به اتفاق، که 99 درصد از روش های خنک کننده را تشکیل می دهند، در زیر چتر خنک کننده هوا قرار می گیرند.

تهویه مطبوع

سیستم های تهویه مطبوع رایج ترین وسیله خنک کننده هوا در راه اندازی مراکز داده حرفه ای هستند. اصل اساسی آنها منعکس کننده سیستم های تهویه مطبوع مسکونی است: هوای جریان یافته از طریق سرورها از طریق یک دستگاه تهویه مطبوع به گردش در می آید، از طریق مشبک رادیاتور خنک می شود و سپس دوباره به سرورها بازگردانده می شود. این فرآیند چرخه ای مکانیزم خنک کننده مداوم را تضمین می کند.

چیلرها

پس از تهویه مطبوع، چیلرها دومین سیستم خنک کننده پرکاربرد هستند. برخلاف تهویه مطبوع، چیلرها از آب (یا محلول مبتنی بر آب) برای انتقال گرما از فضاهایی که نیاز به کنترل آب و هوا دارند استفاده می کنند. اگرچه تهویه مطبوع ساده تر و به طور کلی مقرون به صرفه تر است، هزینه های انرژی بالاتر آن گاهی اوقات می تواند یک عامل بازدارنده برای مشاغل باشد. از سوی دیگر، سیستم‌های آب سرد از نظر انرژی کارآمدتر هستند، اما به اجزا و پیچیدگی‌های بیشتری در نصب و نگهداری نیاز دارند.

اتاق ها و تشک های آدیاباتیک

خنک کننده آدیاباتیک شامل استفاده از محفظه ها یا تشک هایی است که در آن آب ریخته و تبخیر می شود. با تبخیر آب، اتاق ها و تشک ها همراه با هوای داخل خنک می شوند. در حالی که خنک کننده آدیاباتیک سومین گزینه قابل اجرا را نشان می دهد، تا حدودی عجیب و غریب در نظر گرفته می شود و در مقایسه با تهویه مطبوع و چیلرها معمولاً در خنک کننده مرکز داده استفاده نمی شود.

آب خنک کننده

در سیستم های خنک کننده آب از آب یا مایعات حاوی آب برای دفع گرما استفاده می شود. لوله های آب به طور استراتژیک در اتاق های سرور قرار می گیرند و هر سرور به دو لوله متصل است - یکی برای خروج آب گرم و دیگری برای ورودی آب سرد. رادیاتورها روی پردازنده‌ها، پردازنده‌های گرافیکی و سایر تجهیزات مستقیماً به این سیستم آبرسانی متصل هستند. این رویکرد نه تنها تجهیزات و محل‌های مرکز داده را خنک می‌کند، بلکه منبع آب گرم را برای استفاده‌های اضافی تولید می‌کند.

مبدل های حرارتی

این روش با استفاده از محیط های سرد خارجی، راندمان خنک کننده را افزایش می دهد.

هنگامی که یک منبع سرمای نزدیک، مانند دریاچه، دریا یا زمین سرد در دسترس باشد، می توان لوله های آب را مستقیماً در آن مستقر کرد تا مقادیر زیادی گرما را از تجهیزات فناوری اطلاعات منتقل کند.

عجیب و غریب

روش های غیر متعارفی نیز وجود دارد. یکی از آنها بر اساس عناصر Peltier یا خنک کننده ترموالکتریک (TEC) است. این رویکرد متکی بر اثرات نیمه هادی است و شامل تامین برق به صفحه خاصی است که از یک طرف گرم و از طرف دیگر خنک می شود.

یکی دیگر از رویکردهای آوانگارد، استقرار مراکز داده زیر آب است. در پروژه Natick مایکروسافت برای مثال، یک مرکز داده در بهار 2018 در عمق 117 فوتی در جزایر شمالی غوطه ور شد. طی دو سال بعد، تیم آزمایش و نظارت دقیقی بر سرورهای مرکز داده انجام داد. تأیید شد که قرار دادن یک ظرف مهر و موم شده در کف اقیانوس می تواند قابلیت اطمینان کلی مرکز داده را با کاهش مسائلی مانند خوردگی، نوسانات دما و اختلالات فیزیکی که معمولاً در خشکی رخ می دهد، افزایش دهد.

خنک کننده رایگان

این تکنیک به ویژه با هدف به حداکثر رساندن راندمان خنک کننده است. خنک کننده رایگان هوای داخل یک مرکز داده را بدون اتکا به سیستم های خنک کننده سنتی تازه می کند. همانطور که هست از هوای طبیعی بیرون استفاده می کند. معمولاً هوای بیرون فقط تحت کنترل رطوبت است و سپس فرآیندهای ترمودینامیکی طبیعی دما را در اتاق های داده تنظیم می کنند.

این روش به طور قابل توجهی مصرف برق را کاهش می دهد (75٪ تا 92٪ کمتر در مقایسه با سایر سیستم های CRAH)، انتشار دی اکسید کربن را کاهش می دهد و نیاز به آب در سیستم خنک کننده را از بین می برد.

خنک کننده رایگان یکی از سازگارترین گزینه ها با محیط زیست است که به انرژی کمتری نیاز دارد. علاوه بر این، می تواند به صرفه جویی در هزینه ها کمک کند زیرا 40 درصد انرژی مورد استفاده توسط مراکز داده صرف خنک سازی می شود. این سیستم عملکرد کلیه تجهیزات خنک کننده هوا را حتی در شرایط سخت افزایش می دهد. در اینجا یک نمایش بصری ساده از فرآیند خنک سازی آزاد وجود دارد:

همانطور که می بینید این سیستم به روشی بسیار ساده عمل می کند و هوای بیرون را از طریق فیلترها، تجهیزات IT هدایت می کند و آن را خارج می کند. این کاهش پیچیدگی، با وجود تنها فن ها به عنوان آسیب پذیری بالقوه، قابلیت اطمینان کلی DC را در خنک کننده آزاد تقویت می کند.

برخلاف سیستم‌های دارای تجهیزات پیچیده، عدم وجود اجزای پیچیده هم هزینه‌های راه‌اندازی اولیه و هم هزینه‌های نگهداری مداوم را کاهش می‌دهد. بنابراین، مزایای مالی از قبل در مرحله ساخت و ساز شروع می شود، جایی که طراحی ساده خنک کننده رایگان به صرفه جویی ملموس تبدیل می شود.

عذاب انتخاب

در طول کنفرانس ها و جلسات، اغلب سوالات متعددی برای من مطرح می شود که حول این پارادوکس می چرخند: اگر خنک کننده رایگان از نظر صرفه جویی در هزینه و سادگی به همان اندازه سودمند است، چرا به طور جهانی در صنعت پذیرفته نشده است؟

این امر باعث این سوال گسترده تر می شود که چرا با وجود مزایای آن، تنها تعداد محدودی از شرکت ها خنک کننده رایگان را پذیرفته اند، در حالی که سایرین به روش های مرسوم ادامه می دهند. پاسخ به این امر در بررسی چند وجهی پویایی صنعت غالب نهفته است.

دیکتاتوری صنعتی

در صنعت مرکز داده، جایی که قابلیت اطمینان از اهمیت اولیه برخوردار است، اتخاذ راه حل های نوآورانه اغلب با مقاومت مواجه می شود. من این را اول از همه به طبیعت محافظه کارانه صنعت DC نسبت می دهم، جایی که تصمیم گیرندگان مفاهیم اثبات شده را بر راه حل های نوآورانه اولویت می دهند.

در حالی که فناوری‌های جدید مانند خنک‌کننده رایگان، مقرون به صرفه بودن و کارایی را وعده می‌دهند، نمایندگان صنعت ترجیح می‌دهند رویکردهای سنتی و در عین حال قابل اعتماد را برای اطمینان از عملکرد یکپارچه سرورها ترجیح دهند.

موانع بازاریابی

نکته دیگر در اینجا این است که ارائه دهندگان DC تجاری، که حدود 80 درصد صنعت را تشکیل می دهند، به گواهینامه های نهادهای مستقل مانند موسسه Uptime تا قابلیت اطمینان آنها به بازار عرضه شود. با این حال، این یک چالش را برای راه حل های خنک کننده رایگان ایجاد می کند، زیرا هنوز گواهینامه ای برای آنها وجود ندارد. این وضعیت، ارائه دهندگان تجاری را به مقاومت در برابر روش‌های خنک‌کننده جایگزین، با استناد به عدم قطعیت در مورد قابلیت اطمینان آنها و عدم وجود گواهینامه سوق می‌دهد.

نگرانی های گرمایش جهانی

منتقدان اغلب نگرانی‌هایی را در مورد تأثیر گرمایش جهانی بر دوام سرمایش رایگان مطرح می‌کنند. با این حال، این استدلال با شناخت ماهیت تدریجی گرمایش جهانی، با افزایش تقریبی 1.5 درجه در طول یک دهه، رد می شود. بعید است که این تغییر دما در کوتاه مدت پایداری راه حل های خنک کننده آزاد را به خطر بیندازد.

استدلال "فقط در مورد".

یکی از روش های رایج دیگر برای شرکت هایی که روش خنک کننده DC را انتخاب می کنند، گنجاندن واحدهای تهویه مطبوع پشتیبان به عنوان یک اقدام پیشگیرانه علاوه بر خنک کننده رایگان است. این استدلال "فقط در صورت" مفهوم اصلی خنک کننده رایگان را تضعیف می کند، پیچیدگی غیر ضروری را ایجاد می کند و کارایی مالی و عملیاتی را به خطر می اندازد.

حتی برای یک کولر گازی کوچک، نیاز به تامین قطعات مختلف مانند فریون، سیم، مایعات، سیستم ها و کنترل ها احساس می شود. به جای پذیرش ایده داشتن یک تهویه مطبوع پشتیبان، صنعت باید روی تطبیق سیستم خنک کننده رایگان خود با طیف گسترده ای از شرایط بدون تکیه بر امیدهای واهی تمرکز کند.

ریسک ها و ملاحظات واقعی

هنگام فکر کردن به یک راه حل خنک کننده رایگان، برخی از خطرات و ملاحظات ملموس توجه را می طلبد. یکی از ملاحظات اولیه منطقه جغرافیایی است، زیرا استقرار خنک کننده رایگان در منطقه ای مانند امارات عربی ممکن است توجیه پذیر نباشد.

قابلیت دسترسی جنبه دیگری است که باید در نظر داشت. منطقه انتخاب شده باید زیرساخت لازم را داشته باشد و توسط پرسنل متخصصی که وظیفه نگهداری از مرکز داده را بر عهده دارند به راحتی قابل دسترسی باشد. اتصال، از جمله در دسترس بودن خطوط نوری نیز مهم است. به عنوان مثال، ایجاد یک مرکز داده خنک‌کننده آزاد فراتر از دایره قطب شمال به دلیل عدم وجود خطوط ارتباطی و چالش حفظ نیروی کار ماهر، غیرعملی می‌شود.

فراتر از این ملاحظات لجستیکی، تنها محدودیت‌های خنک‌کننده رایگان مربوط به حداکثر دمای منطقه (حدود 38-40 درجه) و کیفیت هوا است. مناطقی که آلودگی بیش از حد دارند، مانند مناطق نزدیک به بزرگراه های شلوغ یا فعالیت های کشاورزی شدید، ممکن است مشکلاتی ایجاد کنند. در حالی که هیچ ممنوعیتی وجود ندارد، فیلترها در چنین مکان هایی نیاز به تعویض مکرر دارند. بر خلاف مراکز داده معمولی با تهویه مطبوع که هوای داخلی را به گردش در می‌آورند، مراکز خنک‌کننده آزاد هوای بیرون را جذب می‌کنند و نیاز به نگهداری دقیق‌تر فیلتر دارند. سایر پارامترهای مکان با پارامترهایی که برای مراکز داده سنتی قابل استفاده هستند، همسو می شوند.

پیشگامان و روندهای آینده

با وجود ماهیت محافظه کارانه این صنعت، برخی از شرکت های شرکتی آینده نگر، مزایای ملموس جایگزین ها را ارزیابی می کنند. با محاسبه مقرون به صرفه بودن خنک کننده رایگان از طریق تجزیه و تحلیل عددی، آنها متوجه صرفه جویی در هزینه بالقوه آن می شوند.

چندین شرکت برجسته مانند فیس بوک (اکنون متا)، گوگل، آمازون، یاندکس و وایلدبری پیشگام در استفاده از فناوری خنک کننده رایگان هستند. وضعیت پیشرو آنها از تمایل آنها برای ارزیابی ریسک ها و شناخت مزایای مالی ذاتی این فناوری ناشی می شود. انتخاب این شرکت‌ها روشن بود – یا به سراغ طرح‌های معمولی بروید و هزینه‌های بیشتری را متحمل شوید یا خطرات و مزایای پیشگام شدن در خنک‌سازی مراکز داده را بپذیرید.

چشم انداز در حال تحول صنعت نشان دهنده یک روند رو به رشد در میان مقیاس پذیرهای شرکتی به سمت اجرای راه حل های خنک کننده رایگان است. از آنجایی که شرکت‌های بیشتری به مقرون به صرفه بودن و مزایای عملیاتی این فناوری پی می‌برند، پیش‌بینی می‌شود که تعداد فزاینده‌ای از مراکز داده خنک‌کننده بدون شرکت در آینده ظهور کنند.

اگر علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد فیزیک خنک کننده رایگان هستید، موضوع را در مقاله جدید من Cooling Free: Technology Deep Dive بررسی کنید.