Palvelinkeskuksen tehokkuuden optimointi: Sukella syvään vapaajäähdytystekniikoihin

Edellisessä artikkelissa käsittelimme konesaliinfrastruktuurin nopeaa laajentumista ja sen aiheuttamaa sähkönkulutuksen kasvua. Palvelimet muuttavat sähköä lämmöksi käytön aikana, joten korkeiden lämpötilojen hallinta ja jäähdytys sekä konesalin tilojen että laitteiden ykkösongelma DC-joukkueille.

Vaikka perinteiset jäähdytysmenetelmät, mukaan lukien ilmastointilaitteet ja jäähdyttimet, viilentävät tehokkaasti konesalien tiloja ja palvelimia, niiden kalleus on edelleen merkittävä haittapuoli. Vapaajäähdytys perinteisistä menetelmistä poiketen ei vaadi suuria investointeja, mutta tarjoaa saman tason tehokkuutta ja luotettavuutta. Tässä artikkelissa teen yksityiskohtaisen yleiskatsauksen ilmaisjäähdytystekniikasta, korostaen sen etuja, rajoituksia ja onnistuneen toteutuksen vaatimuksia.

Vapaan jäähdytyksen fysiikka

Ymmärtääksemme vapaan jäähdytyksen taustalla olevan fysiikan, meidän on palattava lämpöenergiakaavaan:

Q = mcAT

Tässä "Q" edustaa saadun tai hävinneen lämmön määrää, "m" tarkoittaa näytteen massaa (tässä tapauksessa ilmamassaa datakeskuksessa), "c" tarkoittaa ilman ominaislämpökapasiteettia, ja ΔT tarkoittaa lämpötilaeroa.

Palvelinkeskuksessa ensisijainen lämmönlähde on CPU. Tyypillisesti prosessoreita on 2–4, joista jokainen toimii noin 200 watilla. Kuten aiemmin mainittiin, kaikki prosessorien kuluttama sähköenergia muunnetaan lämmöksi. Siksi esimerkiksi kahdella CPU:lla tuotamme 400 wattia lämpöä, joka on haihdutettava. Nyt tavoitteenamme on määrittää tähän tarkoitukseen tarvittava ilmamäärä.

Parametri ΔT eli lämpötilaero osoittaa, että mitä alhaisempi ulkoilman lämpötila on, sitä vähemmän ilmamassaa tarvitaan CPU:iden jäähdyttämiseen. Esimerkiksi, jos tuloilman lämpötila on 0°C ja poistoilman lämpötila on 35°C, ΔT olisi vain 35, mikä tarkoittaa melko pienempää ilmamassan vaatimusta. Kesäkaudella jäähdyttäminen on kuitenkin haastavampaa ympäristön lämpötilan nousun vuoksi. Mitä korkeampi ulkolämpötila on, sitä enemmän ilmaa tarvitaan palvelimien jäähdyttämiseen.

Palvelimen ja verkkokomponenttien lämpötilarajoitukset

Vaikka ilmainen jäähdytys voi olla tehokas kohtalaisissa ja kylmissä ilmastoissa, sillä on silti rajoituksia palvelinkomponenttien lämpötilarajoitusten vuoksi. IT- ja verkkolaitteiden kriittisillä komponenteilla, kuten prosessoreilla, RAM-muistilla, kiintolevyillä, SSD-levyillä ja NVMe-asemilla, on toimintalämpötilavaatimukset:

• Prosessorit: max 89°C
• RAM: max 75°C
• Kiintolevyt: max 50°C
• SSD-levyt ja NVMe-asemat: max 47-48°C

Nämä rajoitukset vaikuttavat suoraan ulkoilman lämpötilojen soveltuvuuteen jäähdytykseen. Ilmainen jäähdytys ei olisi kannattavaa alueilla, joilla ulkolämpötilat ylittävät nämä rajat tai jopa pääsevät lähelle niitä, koska se voi vaurioittaa järjestelmää ylikuumenemisen vuoksi. Alueelliset rajoitukset

Kuten olemme jo selittäneet, ulkolämpötilojen on pysyttävä jatkuvasti IT-laitteiden enimmäiskäyttölämpötiloja alempana, jotta vapaajäähdytys olisi tehokasta. Tämä edellyttää DC-paikan ilmasto-olosuhteiden huolellista harkintaa. Organisaatioiden on analysoitava pitkän aikavälin sääennusteet varmistaakseen, että lämpötilat eivät ylitä vaadittuja kynnysarvoja edes tiettyinä päivinä tai tunteina. Lisäksi palvelinkeskusten pitkä käyttöikä (yleensä 10-15 vuotta) huomioon ottaen ilmaston lämpenemisen vaikutukset tulisi huomioida myös sijaintipäätöksissä.

Palvelinsolmuarkkitehtuurivaatimukset

Fysiikan kannalta tehokkaan jäähdytyksen saavuttaminen palvelimissa edellyttää riittävän ilmavirran varmistamista järjestelmän läpi. Palvelimen arkkitehtuurilla on tärkeä rooli tässä prosessissa.

Toisaalta palvelimet, joista puuttuu asianmukaisia suunnitteluominaisuuksia, kuten rei'ityksiä tai aukkoja, voivat haitata ilmavirtausta, mikä saattaa vaarantaa vapaan jäähdytysmekanismin yleisen tehokkuuden.

Kosteudensäätö

Kosteustaso on toinen kriittinen näkökohta vapaajäähdytyksessä. Koska emme voi hallita ulkoisia kosteusolosuhteita, herää kaksi asiaa: ensinnäkin kosteustaso, joka on lähellä 100 % tai ylittää datakeskuksen (DC); toiseksi erittäin alhaisen ilmankosteuden skenaariot, kuten helmikuun pakkaspäivä, jolloin ulkolämpötila on -30°C ja suhteellinen kosteus 2–5 %. Tarkastellaan näitä tilanteita systemaattisesti.

Korkean kosteuden olosuhteissa on yleinen huoli mahdollisesta kondensoitumisen esiintymisestä ja sen haitallisista vaikutuksista laitteiden toimintaan. Vastoin tätä huolta DC:n jäähdytysvyöhykkeillä, joissa jäähdytys tapahtuu, kondensaatio on estetty. Tämä johtuu periaatteesta, että kondensaatiota ilmaantuu, kun lämmin, kostea ilma joutuu kosketuksiin kylmempien pintojen kanssa. DC:n vapaajäähdytysjärjestelmässä mikään elementti ei kuitenkaan ole kylmempää kuin ympäröivä ilma. Näin ollen kondensoituminen estyy luonnostaan, mikä eliminoi ennakoivien toimenpiteiden tarpeen.

Päinvastoin, kun käsitellään alhaista kosteutta, pelko siirtyy kohti staattisen sähkön muodostumista, mikä vaarantaa laitteiden vakauden. Tämä ongelma ei liity tiivistymiseen, mutta vaatii selkeän ratkaisun. Lieventäminen sisältää maadoitustoimenpiteet ja erikoispinnoitteen levittämisen. Nämä toimenpiteet vastaavat vakiintuneita menetelmiä sisäisten laitteiden suojaamiseksi staattiselta sähköltä. Maadoittamalla rakennuselementit, telineet ja IT-laitteet staattinen varaus haihtuu harmittomasti maahan, mikä säilyttää laitteiden eheyden.

Luonnollisessa ilmastossa erittäin korkea tai matala kosteus on harvoin. Huomattavia poikkeuksia ovat harvinaiset tapahtumat, kuten ukkosmyrsky, joka saavuttaa 100 % kosteuden heinäkuussa, tai kova pakkanen, joka aiheuttaa erittäin alhaisen kosteuden. Suurimman osan ajasta kosteustasot pysyvät kuitenkin hyvin hyväksyttävillä alueilla, jotka eivät aiheuta haittaa laitteelle, vaikka aktiivisia toimenpiteitä ei tehdäkään.

Ilman määrä ja nopeus

Kuten olemme jo keskustelleet, tehokkaan jäähdytyksen helpottamiseksi tarvitsemme huomattavan määrän ulkoilmaa. Samalla ilmaantuu näennäisesti vastoin intuitiivista vaatimusta – alhaisen ilmavirran ylläpitäminen rakennuksen sisällä. Tämä ilmeinen paradoksi juontuu sisällä kiertävien nopeiden ilmavirtojen aiheuttamista haasteista.

Yksinkertaistaaksesi, kuvittele suuri ilmanopeus vahvana putkesta tulevana virtana, joka luo pyörteitä ja turbulenssia IT-laitteiden ympärille. Tämä turbulenssi voi johtaa epäsäännöllisiin ilman liikkeisiin ja paikalliseen ylikuumenemiseen. Tämän ratkaisemiseksi pyrimme strategisesti saavuttamaan alhaisen ilmanopeuden 1-2 metriä sekunnissa koko tilassa.

Tämän säädellyn ilmanopeuden ylläpitäminen mahdollistaa turbulenssin poistamisen. Suurempi nopeus saattaisi aiheuttaa epäsäännöllisyyksiä ilman liikkeessä. Noudattamalla 1-2 metriä sekunnissa aluetta edistämme tasaista ja tasaista ilmavirtaa välttäen paikallista ylikuumenemista. Tämä herkkä tasapaino varmistaa IT-laitteiden optimaalisen jäähdytyksen ohittamalla nopeisiin ilmavirtoihin liittyvät sudenkuopat.

Kuten voidaan nähdä, vapaajäähdytys perustuu ulkoilman tehokkaaseen käyttöön, samalla kun se asettaa etusijalle hallitun alhaisen sisäisen ilmanopeuden. Tämä harkittu strategia auttaa ylläpitämään laminaarista ja tasaista ilmavirtaa varmistaen IT-laitteiden jäähdytyksen tehokkuuden.

Rakennuskonsepti

Vapaajäähdytysparadigmassa perinteisiä ilmakanavia ei käytetä rakennuksen rakenteessa. Toisin kuin perinteiset järjestelyt, joissa on nimetyt ilmakanavat seinissä, katoissa tai tietyillä alueilla, tietojenkäsittelykeskukset omaksuvat epätavanomaisen lähestymistavan. Itse rakennus on suunniteltu ilmakanavaksi, mikä tekee perinteiset ilmastointilaitteet vanhentuneiksi. Näiden ilmakanavien suuri mittakaava muuttaa ne huoneiden ja lattioiden kiinteäksi osaksi.

Ilmavirtausprosessi käynnistyy, kun ulkoilma tulee rakennukseen ja kulkee kahden tyyppisten suodattimien – karkeasuodattimen ja hienosuodattimen – läpi. Kun ilma on puhdistettu, puhaltimet ohjaavat sen suuriin rakennustiloihin, jotka vastaavat noin neljän kerroksen korkeutta. Tämä merkittävä tilavuus palvelee omaa tarkoitustaan: hidastaa ilmavirtaa ja vähentää sen nopeutta vaaditulle alueelle 1-2 metriin sekunnissa. Tämän jälkeen ilma laskeutuu konehuoneeseen.

Konehuoneen läpi kulkemisen jälkeen ilma jatkaa matkaansa IT-telineiden läpi ja etenee kuumaan käytävään. Sieltä se tulee kuuman ilman kerääjään ennen kuin se poistuu ulos poistopuhaltimien kautta. Tämä jäsennelty ilmavirtausreitti varmistaa tehokkaan jäähdytysprosessin säilyttäen samalla hallitun ilmanopeuden.

Ilmanopeus ja äänenvoimakkuus

Tarkoituksellisella suunnitteluvalinnalla suurien rakennusvolyymien käyttöön on kaksi tarkoitusta. Ensinnäkin se mahdollistaa ilmanopeuden asteittaisen alentamisen varmistaen, että ilmavirtaus saavuttaa halutun nopeuden 1-2 metriä sekunnissa. Tämä säädelty ilmanopeus on välttämätön turbulenssin estämiseksi ja laminaarisen virtauksen ylläpitämiseksi, mikä on erityisen tärkeää, kun ilma kulkee herkkien IT-laitteiden läpi. Toiseksi, merkittävä tilavuus mahdollistaa tarvittavan ilmamäärän syntyneen lämmön poistamiseksi tehokkaasti. Ilmanopeuden ja äänenvoimakkuuden synkronoitu vuorovaikutus edistää järjestelmän yleistä menestystä.

Paine-ero ainoana hallintatekijänä

Ilmaisessa jäähdytyksessä emme voi hallita ulkoilman lämpötilaa, mikä johtaa ilman lämpötilan vaihteluihin datakeskukseen (DC). Tästä huolimatta laitteiden jäähdytykseen tarvittavan ilmavirran arvioiminen on välttämätöntä. Tämän ratkaisemiseksi luotamme paine-eron menetelmään.

Jokaisen IT-telineen sisällä palvelimet, joissa on sisäiset tuulettimet, toimivat eri nopeuksilla, luoden yhdessä paine-eron telineen etu- ja takaosan välille. Lukuisten palvelimien ansiosta, joista jokainen myötävaikuttaa yleiseen ilmavirtaan, tämä paine-ero kasvaa vähitellen kylmän ja kuuman käytävän välille. Käyttämällä paineantureita sekä käytävillä että DC-rakennuksen ulkopuolella voimme mitata tämän paine-eron.

Laskennassa vähennetään kuuman käytävän paineanturin tiedot ilmakehän paineesta ja kylmän käytävän paineanturin tiedot vähennetään ilmanpaineesta. Eli kuten alla olevassa esimerkissä:

Tosimaailman esimerkki

Tuloksena saadut arvot ohjaavat meitä määrittämään tarvittavan ilmansyötön tasavirtaan ja tarvittavan poistovirran kompensoimaan palvelimen tuulettimien toimintaa. Yksinkertaisesti sanottuna mittaamme ilmavirtatarpeemme paine-erojen perusteella, jolloin voimme hallita jäähdytysprosessia DC:ssä tehokkaasti.

Lämmitys- ja sekoituskammio

Perinteisiä lämmitysjärjestelmiä ei yleensä toteuteta konesaleissa, joissa on vapaajäähdytys. Veden käyttöä pidetään järjettömänä kustannusten ja laitteisiin kohdistuvien mahdollisten riskien vuoksi. Tämä on haaste äärimmäisten pakkasten aikana, kun ulkona on -20–30 astetta. Vaikka laitteet käsittelevät sitä hyvin, insinöörit etsivät lempeämpää lähestymistapaa. Tyylikkäin ja loogisin ratkaisu tässä on IT-laitteiden tuottaman kuuman ilman uudelleenkäyttö. Ohjaamalla kuuman ilman palvelimilta sekoituskammioon ja palauttamalla osan siitä pääilmavirtaan, järjestelmä pitää tilat lämpimänä talvella ja säästää lämmityskustannuksia.

Yksinkertaisuus ja luotettavuus

Luotettavuusteorian keskeinen teesi väittää, että yksinkertaisuus synnyttää luotettavuuden. Tämä pätee vapaajäähdytysjärjestelmään, joka on erittäin yksinkertainen konsepti. Järjestelmä toimii barrikadina, joka ohjaa ilmaa ulkopuolelta suodattimien läpi, kuljettaa sen IT-laitteiden läpi ja sitten vain ulos.

Monimutkaisten järjestelmien puuttuminen lisää luotettavuutta, ja vain tuulettimet aiheuttavat haavoittuvuuden kuumalla säällä. Vapaajäähdytystapa on esimerkki järjestelmän radikaalista yksinkertaistamisesta, mikä parantaa merkittävästi luotettavuutta vähentämällä elementtien määrää.

DC-fanit vs palvelinfanit

Puhaltimien hierarkkinen auktoriteetti on toinen peruskysymys DC:iden ilmavirran dynamiikassa. Kuten olemme keskustelleet, DC-tasolla ja palvelintasolla on suuria faneja. Kysymys kuuluu: tuovatko konesalin tuulettimet vain ilmaa, jolloin palvelimen tuulettimet kuluttavat niin paljon kuin tarvitaan? Vai tuleeko kysyntä palvelinfaneilta, mikä pakottaa DC-fanit täyttämään vaatimuksensa?

Mekanismi on seuraava: palvelimen tuulettimilla on hallitseva rooli tässä prosessissa, mikä määrää tarvittavan ilmavirran. Tämän jälkeen tasavirtapuhaltimet vastaavat toimittamalla tarvittavan määrän ilmaa. On selvää, että jos kaikkien palvelimien kumulatiivinen kysyntä ylittää tasavirtapuhaltimen syöttökapasiteetin, se voi johtaa mahdolliseen ylikuumenemiseen.

Joten vastaus on, että palvelinfaneilla on etusija tässä dynamiikassa. He ohjaavat ilmavirran ja määrittävät tarvittavan ilmamäärän.

Tehokkuus ja PUE-laskenta

Tasavirtaprojektin tehokkuuden arvioimiseksi on perinteisesti käytetty PUE (Power Usage Effectiveness) -laskentaa. PUE:n kaava on laitoksen kokonaistehon suhde IT-laitteiden tehoon:

PUE = laitoksen kokonaisteho / IT-laitteiden teho

Ihannetapauksessa se on yhtä kuin 1, mikä tarkoittaa, että kaikki energia ohjataan IT-laitteisiin ilman hukkaa. Tämän täydellisen skenaarion saavuttaminen on kuitenkin harvinaista tosielämän projekteissa.

Toinen ongelma nousee esiin, kun yritämme luoda selkeän menetelmän virrankäytön tehokkuuden (PUE) laskemiseksi. Näin ollen esimerkiksi järjestelmässämme on metriikka, joka ilmaisee hetkellisen virrankulutuksen watteina, mikä mahdollistaa PUE:n laskemisen reaaliajassa.

Lisäksi voimme johtaa keskimääräisen PUE:n vuosijaksolta, mikä tarjoaa kattavamman arvion kausivaihtelut huomioon ottaen. Tämä on erityisen olennaista, kun otetaan huomioon energiankäytön erot vuodenaikojen välillä; esimerkiksi jäähdytystarpeiden erot kesä- ja talvikuukausien välillä. Tämä tarkoittaa, että jos haluamme luotettavamman arvioinnin, meidän on asetettava etusijalle vuosikeskiarvo, joka tarjoaa tasapainoisemman ja kattavamman arvion.

On myös tärkeää tutkia PUE:ta paitsi energian lisäksi myös rahayksiköinä, jolloin sähkön hintojen kausivaihtelut otetaan huomioon. PUE:n rahallinen arviointi antaa kokonaisvaltaisemman näkökulman toiminnan tehokkuuteen.

Lisäksi tämä lähestymistapa paljastaa mahdollisuudet saavuttaa alle 1 PUE-arvo dollareissa mitattuna. Se tulee mahdolliseksi esimerkiksi kun käytämme hukkalämpöä veden lämmittämiseen ja myymme sitä edelleen lähikaupunkeihin. Huomionarvoiset esimerkit, kuten Googlen palvelinkeskus Yhdysvalloissa ja Yandexin laitos Suomessa, osoittavat tällaisten käytäntöjen kannattavuuden erityisesti korkeiden energiakustannusten alueilla.

Tehokkuus vs. luotettavuus

Huoli kustannusten vähentämisestä ja tehokkuuden lisäämisestä herättää usein kysymyksiä mahdollisista negatiivisista vaikutuksista luotettavuuteen. Haluan kuitenkin korostaa, että vapaajäähdytyksessä tehokkuuteen pyrkiminen ei vaaranna luotettavuutta. Sen sijaan sen teknologiset sivuvaikutukset voivat jopa lisätä tehokkuutta. Esimerkiksi, kuten olemme jo käsitelleet, ylimääräisen lämmön ohjaamisesta lämpöpumppuihin lisäetujen saamiseksi, kuten kuuman veden tuottamiseen lähikaupunkeihin, tulee taloudellisesti edullinen käytäntö luotettavuudesta tinkimättä.

Ilmaisen jäähdytyksen tulevaisuus

Kaikista ilmaisjäähdytystarjonnan eduista huolimatta konesaliteollisuutta ohjaa edelleen konservatiivinen lähestymistapa ja se vaatii todistettua luotettavuutta ja taipumusta vastustaa innovatiivisia ratkaisuja. Luottamus sellaisilta tahoilta saatuihin sertifikaatteihin kuin Uptime Institute markkinointi on toinen este ilmaisille jäähdytysratkaisuille, koska niiltä puuttuu vakiintunut sertifiointi, mikä saa kaupalliset palveluntarjoajat suhtautumaan niihin skeptisesti.

Yritysten hyperskaalaajien keskuudessa on kuitenkin suuntaus omaksua vapaajäähdytys DC-laitteidensa pääratkaisuna. Yhä useammat yritykset tunnustavat tämän tekniikan kustannustehokkuuden ja toiminnalliset hyödyt, joten odotamme, että seuraavien 10–20 vuoden aikana ilmaantuu enemmän yritysvapaita jäähdytyspalvelinkeskuksia.