Palvelinkeskusten jäähdytyksen kehitys: ilmapohjaisista menetelmistä ilmaiseen jäähdytykseen

Ongelman määritelmä

Konesaliinfrastruktuurin kiihtyvä kasvu ja samanaikainen IT-laitteiden käytön nousu on johtanut sähkön kulutuksen kasvuun.

Koska palvelimet, palvelinkeskusten kiinteät komponentit, muuttavat sähköä lämmöksi toimiessaan, meillä on ongelmana käsitellä korkeita lämpötiloja ja viileitä konesalin tiloja ja laitteita.

Muistakaamme reippaasti koulufysiikan perusteet: termodynamiikan perusperiaatteita noudattaen energia ei katoa, vaan muuttuu. Jos konesali kuluttaa siis 1 MW sähköä – tämä koko energiakvantti muunnetaan vastaavaksi määräksi lämpöä. Näin ollen mitä enemmän sähköä kulutetaan, sitä suurempi haaste on hallita syntyvää lämpöä datakeskuksen sisällä.

Tilanne muuttuu entisestään monimutkaisemmaksi, koska IT-laitteiden energiankulutus voi vaihdella, mutta niiden fyysinen koko voi vaihdella. Esimerkiksi paljon energiaa kuluttavat laitteet voivat olla kooltaan pieniä, mikä aiheuttaa ongelmia tiivistetyn lämmön tehokkaassa jäähdytyksessä. Toisaalta suurempia IT-laitteita, joiden sähkönkulutus on suhteellisen maltillinen, on helpompi jäähdyttää suuremman pinta-alan ansiosta. Palvelinkeskuksissa on tyypillisesti erilaisia ​​laitekokoja ja kulutustasoja, mikä on haaste erilaisten IT-laitteiden jäähdyttämisen lisäksi eri nopeuksilla kunkin laitetyypin lämpötilavaatimusten mukaan. Sanomattakin on selvää, että DC:n jäähdyttämiseen tarvitsemme huomattavia määriä sähköä, mikä lisää käyttökustannuksia.

Tehokkaan sähkönkäytön ongelma konesaleissa tulee erityisen akuutiksi sähkön hinnan maailmanlaajuisen nousun myötä. Mukaan Statistan raportti sähkön maailmanmarkkinahinnat nousivat kaikkien aikojen maksimissaan vuosina 2021–2022. Kun COVID-19-terveyskriisi laantui vuoden 2021 toisella puoliskolla, energian kysyntä kasvoi ja sähkön hinta saavutti ensimmäisen ennätyksensä. Vuoden 2022 alussa energiamarkkinat kiristyivät jälleen ja energiakriisi kiihtyi.

Konesalien sähkönkulutus kasvaa suoritustehokkuuden lisääntymisestä huolimatta.

Toisin sanoen vaikka teho wattia kohden paranee, resurssien kysyntä kasvaa entistä nopeammin, joten kokonaiskulutus ja kustannukset väistämättä kasvavat. Jäähdytysjärjestelmiä optimoimalla voidaan kuitenkin saavuttaa huomattavia kustannussäästöjä. Tämä sai minut tutustumaan syvällisemmin tehokkaisiin jäähdytysmenetelmiin yleensä ja vapaajäähdytykseen erityisesti.

Datakeskusten energiankulutustasojen arviointi perustuu yleensä PUE (Power Usage Effectiveness) -mittariin. PUE mittaa palvelinkeskuksen tehokkuutta arvioimalla kokonaisenergiankulutusta verrattuna yksinomaan IT-laitteiden kulutukseen. Puhumme siitä tarkemmin hieman myöhemmin. Meidän on nyt tiedettävä, että pienempi PUE tarkoittaa tehokkaampaa palvelinkeskusta, mikä osoittaa, että riippuvuus ei-laskentatehosta on vähäistä. Kasvavan infrastruktuurin ja lisääntyvän sähkönkulutuksen vuoksi PUE:n optimointi tehokkaammilla jäähdytysjärjestelmillä takaa taloudellista varovaisuutta ja kestävää toimintaa.

Tässä artikkelissa tutkimme perinteisiä ja innovatiivisia jäähdytysmenetelmiä ja selvitämme, mikä niistä tarjoaa maksimaalisen tehokkuuden.

Jäähdytysmenetelmien yleiskatsaus

Ilmaa ja ei-ilmaa

Yksinkertaistetussa luokituksessa jäähdytystekniikat voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: ilmapohjaisiin ja ei-ilmapohjaisiin menetelmiin. Tarkemmin sanottuna ilmajäähdytys kattaa tavanomaiset lähestymistavat, kun taas ei-ilmaluokka sisältää erilaisia ​​menetelmiä, joissa käytetään aineita, kuten vettä, öljyä tai kiinteitä aineita. On huomionarvoista, että ylivoimainen enemmistö, 99 %, jäähdytysmenetelmistä kuuluu ilmajäähdytyksen sateenvarjon alle.

Ilmastointilaitteet

Ilmastointijärjestelmät ovat yleisin ilmajäähdytystapa ammattimaisissa konesaleissa. Niiden perusperiaate heijastelee kotitalouksien ilmastointilaitteiden periaatetta: palvelimien läpi virtaava ilma kierrätetään ilmastointilaitteen läpi, jäähdytetään jäähdyttimen säleikön kautta ja kierrätetään sitten takaisin palvelimiin. Tämä syklinen prosessi varmistaa jatkuvan jäähdytysmekanismin.

Jäähdyttimet

Ilmastointilaitteiden jälkeen jäähdyttimet ovat toiseksi yleisimmin käytetty jäähdytysjärjestelmä. Toisin kuin ilmastointilaitteet, jäähdyttimet käyttävät vettä (tai vesipohjaista ratkaisua) lämmön siirtämiseen pois ilmastonsäätöä vaativista tiloista. Vaikka ilmastointi on yksinkertaisempaa ja yleensä edullisempaa, sen korkeammat energiakustannukset voivat joskus pelotella yrityksiä. Toisaalta kylmävesijärjestelmät ovat energiatehokkaampia, mutta vaativat enemmän komponentteja ja monimutkaisuutta asennuksessa ja kunnossapidossa.

Adiabaattiset kammiot ja matot

Adiabaattiseen jäähdytykseen kuuluu kammioiden tai mattojen käyttö, joissa vettä kaadetaan ja haihdutetaan. Kun vesi haihtuu, kammiot ja matot jäähtyvät sisällä olevan ilman mukana. Vaikka adiabaattinen jäähdytys on kolmas varteenotettava vaihtoehto, sitä pidetään hieman eksoottisena, eikä sitä käytetä niin yleisesti konesalien jäähdytyksessä kuin ilmastointilaitteita ja jäähdyttimiä.

Vesijäähdytys

Vesijäähdytysjärjestelmissä lämmönpoistoon käytetään vettä tai vettä sisältäviä nesteitä. Vesiputket on sijoitettu strategisesti palvelinhuoneisiin, ja jokainen palvelin on liitetty kahteen putkeen - yksi kuuman veden poistoa varten ja toinen kylmän veden tuloa varten. CPU:iden, GPU:iden ja muiden laitteiden jäähdyttimet on liitetty suoraan tähän vesijärjestelmään. Tämä lähestymistapa ei vain jäähdytä konesalin laitteita ja tiloja, vaan myös tuottaa lämmintä vettä lisäkäyttöön.

Lämmönvaihtimet

Tämä menetelmä parantaa jäähdytystehoa hyödyntämällä ulkoisia kylmiä ympäristöjä.

Kun lähellä oleva kylmälähde, kuten järvi, meri tai kylmä maaperä, on käytettävissä, vesiputket voidaan asentaa suoraan siihen siirtämään suuria määriä lämpöä IT-laitteista.

Eksotiikkaa

On myös epätavallisia menetelmiä. Yksi niistä perustuu Peltier-elementteihin tai termosähköisiin jäähdyttimiin (TEC). Tämä lähestymistapa perustuu puolijohdevaikutuksiin ja sisältää sähkön syöttämisen erityiselle levylle, joka lämmitetään toiselta ja jäähdytetään toiselta puolelta.

Toinen avantgardistinen lähestymistapa on vedenalaisten datakeskusten käyttöönotto. sisään Microsoftin Project Natick Esimerkiksi palvelinkeskus upotettiin 117 metrin syvyyteen Pohjoissaarilla keväällä 2018. Seuraavien kahden vuoden aikana tiimi suoritti tiukkaa testausta ja valvontaa palvelinkeskuksen palvelimille. Vahvistettiin, että sinetöidyn säiliön sijoittaminen merenpohjaan voisi parantaa palvelinkeskuksen yleistä luotettavuutta vähentämällä ongelmia, kuten korroosiota, lämpötilan vaihteluita ja fyysisiä häiriöitä, joita tyypillisesti esiintyy maalla.

Ilmainen jäähdytys

Tällä tekniikalla pyritään erityisesti maksimoimaan jäähdytystehokkuus. Ilmainen jäähdytys raikastaa ilmaa konesalissa ilman perinteisiä jäähdytysjärjestelmiä. Se käyttää luonnollista ulkoilmaa sellaisenaan. Tyypillisesti ulkoilma on vain kosteussäädön alainen, ja sitten luonnolliset termodynaamiset prosessit säätelevät lämpötiloja datahuoneissa.

Tämä menetelmä vähentää merkittävästi virrankulutusta (75–92 % vähemmän verrattuna muihin CRAH-järjestelmiin), vähentää hiilidioksidipäästöjä ja eliminoi veden tarpeen jäähdytysjärjestelmässä.

Ilmainen jäähdytys on yksi ympäristöystävällisimmistä valinnoista, joka kuluttaa vähemmän energiaa. Lisäksi se voi auttaa säästämään kustannuksia, koska 40 % datakeskusten käyttämästä tehosta menee jäähdytykseen. Tämä järjestelmä parantaa kaikkien ilmajäähdytteisten laitteiden suorituskykyä myös vaikeissa olosuhteissa. Tässä on yksinkertainen visuaalinen esitys vapaajäähdytysprosessista:

Kuten näette, järjestelmä toimii hyvin yksinkertaisella tavalla, ohjaten ulkoilmaa suodattimien, IT-laitteiden läpi ja poistaen sen. Tämä monimutkaisuuden väheneminen, jossa vain tuulettimet ovat mahdollisia haavoittuvuuksia, vahvistaa DC:n yleistä luotettavuutta vapaassa jäähdytyksessä.

Toisin kuin monimutkaisilla laitteilla varustetut järjestelmät, monimutkaisten komponenttien puuttuminen vähentää myös sekä alkuasennuksen kustannuksia että jatkuvia ylläpitokustannuksia. Taloudelliset edut alkavat siis jo rakennusvaiheessa, jossa vapaajäähdytyksen virtaviivaistettu suunnittelu tuo konkreettisia säästöjä.

Valinnan tuska

Konferensseissa ja kokouksissa saan usein lukuisia kysymyksiä, jotka pyörivät paradoksissa: jos vapaajäähdytys on yhtä edullinen kustannussäästöjen ja yksinkertaisuuden kannalta, miksi sitä ei oteta yleisesti käyttöön alalla?

Tämä herättää laajemman kysymyksen siitä, miksi sen eduista huolimatta vain rajoitettu määrä yrityksiä on omaksunut vapaajäähdytyksen, kun taas toiset jatkavat perinteisten menetelmien parissa. Vastaus tähän on vallitsevan toimialan dynamiikan monipuolisessa tarkastelussa.

Teollisuuden diktatuuri

Konesaliteollisuudessa, jossa luotettavuus on ensiarvoisen tärkeää, innovatiivisten ratkaisujen käyttöönotto kohtaa usein vastustusta. Pidän tätä ennen kaikkea DC-teollisuuden konservatiivisen luonteen vuoksi, jossa päättäjät priorisoivat hyväksi havaitut konseptit innovatiivisten ratkaisujen sijaan.

Vaikka uudet tekniikat, kuten ilmainen jäähdytys, lupaavat kustannustehokkuutta ja tehokkuutta, alan edustajat suosivat mieluummin perinteisiä mutta luotettavia lähestymistapoja palvelimien saumattoman toiminnan varmistamiseksi.

Markkinoinnin esteitä

Toinen asia tässä on se, että kaupalliset DC-toimittajat, jotka muodostavat noin 80 prosenttia alasta, luottavat riippumattomien elinten, kuten Uptime Institute markkinoidakseen luotettavuuttaan. Tämä on kuitenkin haaste ilmaisjäähdytysratkaisuille, sillä niille ei ole vielä vakiintunutta sertifikaattia. Tämä tilanne saa kaupalliset palveluntarjoajat vastustamaan vaihtoehtoisia jäähdytysmenetelmiä vetoamalla niiden luotettavuuteen liittyviin epävarmuuksiin ja sertifiointiennakkotapauksen puuttumiseen.

Huoli ilmaston lämpenemisestä

Kriitikot herättävät usein huolta ilmaston lämpenemisen vaikutuksista vapaan jäähdytyksen kannattavuuteen. Väite kumotaan kuitenkin tunnustamalla maapallon lämpenemisen asteittainen luonne, jossa lämpötila on noussut noin 1,5 astetta vuosikymmenen aikana. Tämä vaatimaton lämpötilan muutos ei todennäköisesti vaaranna vapaajäähdytysratkaisujen vakautta lähitulevaisuudessa.

Argumentti "vain tapauksessa".

Yksi tavallisempi käytäntö yrityksille, jotka valitsevat DC-jäähdytysmenetelmän, on varailmastointilaitteiden sisällyttäminen varotoimenpiteenä vapaajäähdytyksen lisäksi. Tämä "vain varalta" -argumentti heikentää vapaan jäähdytyksen ydinkonseptia, mikä lisää tarpeetonta monimutkaisuutta ja vaarantaa taloudellisen ja toiminnan tehokkuuden.

Pienessäkin ilmastointilaitteessa on tarve tarjota erilaisia ​​komponentteja, kuten freoni, johdot, nesteet, järjestelmät ja säätimet. Sen sijaan, että alan omaksuisi varailmastointilaitteen, sen tulisi keskittyä mukauttamaan vapaajäähdytysjärjestelmänsä monenlaisiin olosuhteisiin luottamatta vääriin toiveisiin.

Todelliset riskit ja huomiot

Vapaajäähdytysratkaisua harkittaessa on huomioitava joitakin konkreettisia riskejä ja näkökohtia. Yksi ensisijainen näkökohta on maantieteellinen alue, koska ilmaisen jäähdytyksen käyttöönotto Arabiemiirikuntien kaltaisella alueella ei ehkä ole perusteltua.

Esteettömyys on toinen näkökohta, joka on pidettävä mielessä. Valitulla alueella on oltava tarvittava infrastruktuuri, ja konesalien ylläpitoon erikoistuneen henkilöstön on oltava helposti tavoitettavissa. Yhteydet, mukaan lukien optisten johtojen saatavuus, ovat myös tärkeitä. Esimerkiksi vapaajäähdyttävän datakeskuksen perustaminen napapiirin taakse käy epäkäytännölliseksi viestintälinjojen puuttumisen ja ammattitaitoisen työvoiman ylläpitämisen vuoksi.

Näiden logististen näkökohtien lisäksi vapaajäähdytyksen ainoat rajoitukset koskevat alueen maksimilämpötilaa (n. 38-40 astetta) ja ilmanlaatua. Alueet, joilla on liiallinen saastuminen, kuten vilkkaiden moottoriteiden tai intensiivisen maataloustoiminnan lähellä, voivat aiheuttaa ongelmia. Vaikka suoraa kieltoa ei ole, tällaisissa paikoissa olevat suodattimet on vaihdettava usein. Toisin kuin perinteiset ilmastoidut konesalit, jotka kierrättävät sisäilmaa, vapaajäähdytyskeskukset imevät ulkoilmaa ja vaativat huolellisempaa suodattimen huoltoa. Muut sijaintiparametrit vastaavat perinteisten palvelinkeskusten parametreja.

Pioneerit ja tulevaisuuden trendit

Alan konservatiivisuudesta huolimatta jotkut eteenpäin katsovat yritysyritykset arvioivat vaihtoehtojen konkreettisia etuja. Laskemalla vapaajäähdytyksen kustannustehokkuutta numeerisen analyysin avulla he ymmärtävät sen tarjoamat mahdolliset kustannussäästöt.

Useat merkittävät yritykset, kuten Facebook (nykyisin Meta), Google, Amazon, Yandex ja Wildberries, ovat edelläkävijöitä ilmaisen jäähdytystekniikan käyttöönotossa. Heidän edelläkävijän asemansa johtuu heidän halukkuudestaan ​​arvioida riskejä ja tunnistaa tämän tekniikan luontaiset taloudelliset edut. Valinta näille yrityksille oli selvä – joko valita tavanomaiset järjestelmät ja aiheutua korkeammat kustannukset tai ottaa riskit ja hyödyt olla konesalien jäähdytyksen edelläkävijöitä.

Alan kehittyvä maisema osoittaa yritysten hyperskaalaajien keskuudessa kasvavaa trendiä kohti ilmaisten jäähdytysratkaisujen käyttöönottoa. Kun yhä useammat yritykset tunnistavat tämän tekniikan kustannustehokkuuden ja toiminnalliset edut, on odotettavissa, että tulevaisuudessa syntyy yhä enemmän yritysvapaita jäähdytyspalvelinkeskuksia.

Jos olet kiinnostunut oppimaan lisää vapaajäähdytyksen fysiikasta, tutustu aiheeseen uudessa artikkelissani Free Cooling: Technology Deep Dive.