Az adatközponti hűtés fejlődése: a levegő alapú módszerektől a szabad hűtésig

Probléma meghatározása

Az adatközponti infrastruktúra fokozódó növekedése és az informatikai berendezések kihasználtságának egyidejű felfutása a villamosenergia-fogyasztás növekedéséhez vezetett.

Mivel a szerverek, az adatközpontok szerves részei működés közben az elektromos áramot hővé alakítják, a magas hőmérséklet és a hűvös adatközponti helyiségek és berendezések problémájával kell szembenéznünk.

Emlékezzünk fürgén az iskolai fizika alapjaira: a termodinamika alapelveit követve az energia nem tűnik el, hanem átalakul. Így, ha egy adatközpont 1 MW áramot fogyaszt, akkor ez a teljes energiakvantum egyenértékű hőmennyiséggé alakul. Következésképpen minél több áramot fogyasztanak, annál nagyobb kihívást jelent a keletkező hő kezelése az adatközponton belül.

A helyzet még bonyolultabbá válik, mivel az informatikai berendezések eltérő energiafogyasztásúak lehetnek, miközben eltérő fizikai méretekkel rendelkeznek. Például a nagy energiafogyasztású berendezések kis méretűek lehetnek, ami problémákat vet fel a koncentrált hő hatékony hűtésében. Ezzel szemben a nagyobb, viszonylag mérsékelt áramfogyasztású informatikai berendezések nagyobb felületük miatt könnyebben hűthetők. Az adatközpontok jellemzően vegyes méretű és fogyasztási szintet tartalmaznak, ami nem csak a különféle informatikai berendezések hűtésének kihívását jelenti, hanem azt is, hogy ezt különböző sebességgel, az egyes berendezéstípusok hőmérsékleti követelményeitől függően tegyék. Mondanunk sem kell, hogy a DC hűtéséhez jelentős mennyiségű elektromos áramra van szükségünk, ami növeli a működési költségeket.

A hatékony energiafelhasználás problémája az adatközpontokban különösen akut a villamosenergia-árak globális emelkedésével. Szerint a Statista jelentése 2021 és 2022 között az áram világpiaci ára minden idők maximumára szökött fel. Amikor 2021 második felében a COVID-19 egészségügyi válság alábbhagyott, az energiaigény megnőtt, és az áramárak első rekordmagasságot értek el. 2022 elején ismét megfeszült az energiapiac, és felerősödött az energiaválság.

Az adatközpontok villamosenergia-fogyasztása a teljesítménynövekedés ellenére is nő.

Más szóval, bár a wattonkénti teljesítmény javul, az erőforrások iránti kereslet még gyorsabban növekszik, így elkerülhetetlenül nő a teljes fogyasztás és a költségek is. A hűtőrendszerek optimalizálásával azonban jelentős költségmegtakarítás érhető el. Ez arra késztetett, hogy mélyebben megvizsgáljak a hatékony hűtési módszereket általában, és különösen a szabad hűtést.

Az adatközpontok energiafogyasztási szintjének értékelése általában a Power Usage Effectiveness (PUE) mérőszámon alapul. A PUE úgy méri fel az adatközpontok hatékonyságát, hogy összeveti a teljes energiafogyasztást a kizárólag informatikai berendezésekhez használt energiafogyasztással. Kicsit később részletesebben fogunk beszélni róla. Amit most tudnunk kell, az az, hogy az alacsonyabb PUE hatékonyabb adatközpontot jelent, ami azt jelzi, hogy csökken a nem számítási teljesítményre való támaszkodás. A növekvő infrastruktúra és a növekvő villamosenergia-fogyasztás mellett a PUE hatékonyabb hűtési rendszerekkel történő optimalizálása pénzügyi körültekintést és fenntartható működést biztosít.

Ebben a cikkben megvizsgáljuk a hagyományos és innovatív hűtési módszereket, és megtudjuk, melyikük nyújtja a maximális hatékonyságot.

A hűtési módszerek áttekintése

Levegő és nem levegő

Az egyszerűsített osztályozásban a hűtési technikák két fő kategóriába sorolhatók: levegő alapú és nem levegő alapú módszerek. A léghűtés a hagyományos megközelítéseket foglalja magában, míg a nem levegő kategória különféle anyagokat, például vizet, olajat vagy szilárd anyagokat alkalmazó módszereket foglal magában. Figyelemre méltó, hogy a hűtési módok túlnyomó többsége, 99%-a a léghűtés alá tartozik.

Klímaberendezések

A légkondicionáló rendszerek a legelterjedtebb léghűtési eszközök a professzionális adatközpont-beállításokban. Alapelvük a lakossági klímaberendezésekét tükrözi: a szervereken átáramló levegőt egy klímaberendezésen keringetik, hűtőrácson keresztül lehűtik, majd visszavezetik a szerverekbe. Ez a ciklikus folyamat biztosítja a folyamatos hűtési mechanizmust.

Hűtők

A klímaberendezések után a hűtők jelentik a második legszélesebb körben alkalmazott hűtőrendszert. A klímaberendezésekkel ellentétben a hűtőberendezések vizet (vagy vízalapú megoldást) alkalmaznak a hő elvezetésére a klímaszabályozást igénylő helyekről. Bár a légkondicionálás egyszerűbb és általában megfizethetőbb, a magasabb energiaköltségei néha visszatartó erőt jelenthetnek a vállalkozások számára. Másrészt a hűtöttvizes rendszerek energiahatékonyabbak, de telepítésük és karbantartásuk több alkatrészt és összetettséget igényel.

Adiabatikus kamrák és szőnyegek

Az adiabatikus hűtés kamrák vagy szőnyegek használatát foglalja magában, ahol vizet öntenek és elpárologtatnak. Ahogy a víz elpárolog, a kamrák és a szőnyegek a belső levegővel együtt lehűlnek. Míg az adiabatikus hűtés a harmadik életképes lehetőség, kissé egzotikusnak tekinthető, és nem olyan általánosan alkalmazzák az adatközponti hűtéshez, mint a légkondicionálókhoz és hűtőkhöz.

Vízhűtés

A vízhűtő rendszerekben vizet vagy víztartalmú folyadékokat használnak a hőelvezetésre. A vízcsövek stratégiailag a szerverszobákban vannak elhelyezve, és minden szerver két csőhöz csatlakozik – az egyik a melegvíz kivezetéséhez, a másik pedig a hideg víz beáramlásához. A CPU-k, GPU-k és egyéb berendezések radiátorai közvetlenül ehhez a vízellátó rendszerhez csatlakoznak. Ez a megközelítés nemcsak hűti az adatközpont berendezéseit és helyiségeit, hanem meleg vizet is generál további felhasználásokhoz.

Hőcserélők

Ez a módszer javítja a hűtési hatékonyságot a külső hideg környezet kihasználásával.

Ha rendelkezésre áll egy közeli hidegforrás, például tó, tenger vagy hideg talaj, akkor vízvezetékek közvetlenül ebbe helyezhetők el, hogy nagy mennyiségű hőt továbbítsanak az informatikai berendezésekből.

Egzotika

Vannak nem szokványos módszerek is. Az egyik Peltier elemeken vagy termoelektromos hűtőkon (TEC) alapul. Ez a megközelítés a félvezető effektusokon alapul, és magában foglalja az elektromos áram ellátását egy speciális lemezre, amelyet az egyik oldalon fűtenek, a másikon pedig hűtenek.

Egy másik avantgárd megközelítés a víz alatti adatközpontok telepítése. In A Microsoft Project Natick 2018 tavaszán például egy adatközpont 117 méter mélyen merült el az északi szigeteken. A következő két évben a csapat szigorú tesztelést és megfigyelést végzett az adatközpont szerverein. Megerősítést nyert, hogy egy lezárt tartály elhelyezése az óceán fenekén javíthatja az adatközpont általános megbízhatóságát azáltal, hogy enyhíti az olyan problémákat, mint a korrózió, a hőmérséklet-ingadozások és a szárazföldön jellemzően előforduló fizikai zavarok.

Ingyenes hűtés

Ez a technika különösen a hűtési hatékonyság maximalizálását célozza. Az ingyenes hűtés felfrissíti az adatközpont levegőjét anélkül, hogy a hagyományos hűtőrendszerekre támaszkodna. Természetes külső levegőt használ, ahogy van. Jellemzően a külső levegő csak páratartalom-szabályozás alá esik, majd természetes termodinamikai folyamatok szabályozzák a hőmérsékletet az adatszobákban.

Ez a módszer jelentősen csökkenti az energiafogyasztást (75-92%-kal kevesebb a többi CRAH rendszerhez képest), csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást, és szükségtelenné teszi a víz szükségességét a hűtőrendszerben.

Az ingyenes hűtés az egyik leginkább környezetbarát megoldás, amely kevesebb energiát igényel. Emellett költségmegtakarítást is jelenthet, mivel az adatközpontok által felhasznált energia 40%-a hűtésre megy el. Ez a rendszer javítja az összes léghűtéses berendezés teljesítményét, még nehéz körülmények között is. Íme egy egyszerű vizuális ábrázolás a szabad hűtési folyamatról:

Amint látható, a rendszer nagyon egyszerű módon működik, a külső levegőt szűrőkön, informatikai berendezéseken keresztül vezeti át és kivezeti. Ez a bonyolultság csökkenése, amelyben csak a ventilátorok lehetnek potenciális sebezhetőségek, megerősíti a DC általános megbízhatóságát a szabad hűtés esetén.

Az összetett berendezésekkel ellentétben a bonyolult alkatrészek hiánya csökkenti a kezdeti beállítási és a folyamatos karbantartási költségeket is. Az anyagi előnyök tehát már az építési szakaszban jelentkeznek, ahol az ingyenes hűtés áramvonalas kialakítása kézzelfogható megtakarítást eredményez.

A választás kínja

Konferenciák és értekezletek során gyakran kapok számtalan kérdést, amelyek a paradoxon körül forognak: ha az ingyenes hűtés ugyanolyan előnyös a költségmegtakarítás és az egyszerűség szempontjából, miért nem alkalmazzák általánosan az iparágban?

Ez felveti azt a tágabb kérdést, hogy előnyei ellenére miért csak korlátozott számú vállalat alkalmazza az ingyenes hűtést, míg mások ragaszkodnak a hagyományos módszerekhez. A válasz erre az uralkodó iparági dinamika sokoldalú vizsgálatában rejlik.

Ipari diktatúra

Az adatközpont-iparban, ahol a megbízhatóság elsődleges fontosságú, az innovatív megoldások elfogadása gyakran ellenállásba ütközik. Ezt elsősorban a DC iparág konzervatív jellegének tulajdonítom, ahol a döntéshozók a bevált koncepciókat helyezik előtérbe az innovatív megoldásokkal szemben.

Míg az olyan új technológiák, mint az ingyenes hűtés költséghatékonyságot és hatékonyságot ígérnek, az iparág képviselői inkább a hagyományos, de megbízható megközelítéseket részesítik előnyben a szerverek zökkenőmentes működésének biztosítása érdekében.

Marketing akadályok

Egy másik szempont itt az, hogy a kereskedelmi egyenáram-szolgáltatók, amelyek az iparág mintegy 80%-át teszik ki, független testületek tanúsítványaira támaszkodnak, mint például a Uptime Institute hogy piacra dobják a megbízhatóságukat. Ez azonban kihívás elé állítja az ingyenes hűtési megoldásokat, mivel ezekre még nincs kidolgozott tanúsítvány. Ez a helyzet arra készteti a kereskedelmi szolgáltatókat, hogy ellenálljanak az alternatív hűtési módszereknek, a megbízhatóságuk körüli bizonytalanságra és a tanúsítási precedens hiányára hivatkozva.

Globális felmelegedési aggodalmak

A kritikusok gyakran aggasztják a globális felmelegedés hatását a szabad hűtés életképességére. Az érvelést azonban megcáfolják a globális felmelegedés fokozatos természetének felismerése, amely hozzávetőlegesen 1,5 fokos növekedést jelent egy évtized alatt. Ez a szerény hőmérséklet-változás nem valószínű, hogy a közeljövőben veszélyezteti a szabadhűtési megoldások stabilitását.

"Minden esetre" érv

Az egyenáramú hűtési módot választó vállalatoknál még elterjedtebb gyakorlat, hogy az ingyenes hűtés mellé elővigyázatosságból tartalék klímaberendezéseket is beépítenek. Ez a „csak arra az esetre” érvelés aláássa a szabad hűtés alapkoncepcióját, szükségtelen bonyolultságot hozva, és veszélyezteti a pénzügyi és működési hatékonyságot.

Még egy kis klímaberendezésnél is felmerül az igény különféle alkatrészek, például freon, vezetékek, folyadékok, rendszerek és vezérlők biztosítására. Ahelyett, hogy felvállalnák a tartalék légkondicionáló ötletét, az iparágnak arra kell összpontosítania, hogy az ingyenes hűtési rendszerét a körülmények széles köréhez igazítsa anélkül, hogy hamis reményekre hagyatkozna.

Valós kockázatok és megfontolások

Amikor egy ingyenes hűtési megoldást fontolgat, néhány kézzelfogható kockázat és megfontolás figyelmet igényel. Az egyik elsődleges szempont a földrajzi régió, mivel az ingyenes hűtés alkalmazása egy olyan régióban, mint az Arab Emírségek, nem biztos, hogy indokolt.

A hozzáférhetőség egy másik szempont, amelyet szem előtt kell tartani. A kiválasztott régiónak rendelkeznie kell a szükséges infrastruktúrával, és könnyen elérhetőnek kell lennie az adatközpontok karbantartásával megbízott szakemberek számára. A csatlakoztathatóság, beleértve az optikai vonalak elérhetőségét is, szintén fontos. Például egy ingyenes hűtésű adatközpont létrehozása az északi sarkkörön túl a kommunikációs vonalak hiánya és a szakképzett munkaerő fenntartásának kihívása miatt nem praktikus.

Ezeken a logisztikai megfontolásokon túl az ingyenes hűtés egyetlen korlátozása a régió maximális hőmérsékletére (kb. 38-40 fok) és a levegő minőségére vonatkozik. A túlzottan szennyezett területek, mint például a forgalmas autópályák vagy intenzív mezőgazdasági tevékenységek közelében, problémákat okozhatnak. Bár nincs közvetlen tilalom, az ilyen helyeken lévő szűrőket gyakran cserélni kell. A hagyományos, légkondicionált adatközpontokkal ellentétben, amelyek belső levegőt keringetnek, a szabadhűtő központok külső levegőt szívnak be, és szorgalmasabb szűrőkarbantartást igényelnek. A többi helyparaméter megegyezik a hagyományos adatközpontokra vonatkozó paraméterekkel.

Úttörők és jövőbeli trendek

Az iparág konzervatív jellege ellenére néhány előrelátó vállalati vállalat értékeli az alternatívák kézzelfogható előnyeit. Az ingyenes hűtés költséghatékonyságát numerikus elemzéssel kiszámítva felismerik az általa kínált lehetséges költségmegtakarítást.

Számos prominens cég, mint például a Facebook (jelenleg Meta), a Google, az Amazon, a Yandex és a Wildberries úttörő szerepet tölt be az ingyenes hűtési technológia bevezetésében. Úttörő státuszuk abból fakad, hogy hajlandóak felmérni a kockázatokat és felismerni a technológiában rejlő pénzügyi előnyöket. Ezeknek a vállalatoknak a választása egyértelmű volt – vagy a hagyományos megoldásokat választja, és magasabb költségekkel jár, vagy vállalja az adatközponti hűtés úttörőjévé válás kockázatát és előnyeit.

Az iparág fejlődő környezete azt jelzi, hogy a vállalati hiperskálázók egyre növekvő tendenciát mutatnak az ingyenes hűtési megoldások megvalósítása felé. Ahogy egyre több vállalat ismeri fel ennek a technológiának a költséghatékonyságát és működési előnyeit, a jövőben várhatóan egyre több vállalatmentes hűtési adatközpont fog megjelenni.

Ha többet szeretne megtudni a szabad hűtés fizikájáról, fedezze fel a témát új cikkemben Free Cooling: Technology Deep Dive.