Az adatközpontok hatékonyságának optimalizálása: mélyrepülés a szabadhűtési technikákba

Az előző cikkben szó volt az adatközponti infrastruktúra gyors bővüléséről és az ennek következtében megnövekedett villamosenergia-fogyasztásról. Mivel a szerverek működésük során az elektromosságot hővé alakítják, a magas hőmérséklet kezelése és az adatközpont létesítményeinek és berendezéseinek hűtése is az első számú probléma. a DC csapatok számára.

Míg a hagyományos hűtési módszerek, beleértve a légkondicionálókat és hűtőket, hatékonyan hűtik az adatközpontok helyiségeit és a szervereket, költségességük továbbra is jelentős hátrányt jelent. A szabadhűtés a hagyományos módszerekkel ellentétben nem igényel jelentős beruházást, de ugyanolyan szintű hatékonyságot és megbízhatóságot kínál. Ebben a cikkben részletes áttekintést adok az ingyenes hűtés technológiájáról, kiemelve előnyeit, korlátait és a sikeres megvalósítás követelményeit.

A szabad hűtés fizikája

Ahhoz, hogy megértsük a szabad hűtés mögött rejlő fizikát, újra át kell tekintenünk a hőenergia képletét:

Q = mcΔT

Itt a „Q” a nyert vagy elveszett hőmennyiséget jelenti, az „m” a minta tömegét (esetünkben az adatközpontban lévő levegő tömegét), a „c” pedig a levegő fajlagos hőkapacitását, és ΔT a hőmérséklet-különbséget jelöli.

Az adatközpontokban az elsődleges hőforrás a CPU. Általában 2-4 CPU van, amelyek mindegyike körülbelül 200 watton működik. Amint azt korábban tárgyaltuk, a CPU-k által fogyasztott összes elektromos energia hővé alakul. Ezért például 2 CPU-val 400 watt hőt termelünk, amelyet el kell vezetni. Most az a célunk, hogy meghatározzuk az ehhez szükséges levegőmennyiséget.

A ΔT vagy hőmérsékletkülönbség paraméter azt jelzi, hogy minél alacsonyabb a külső levegő hőmérséklete, annál kevesebb légtömegre van szükség a CPU-k hűtéséhez. Például, ha a bemenő levegő hőmérséklete 0°C, a kilépő levegő hőmérséklete pedig 35°C, akkor a ΔT csak 35 lenne, ami meglehetősen alacsonyabb légtömeg-igényt jelent. A nyári szezonban azonban a hűtés nagyobb kihívást jelent az emelkedő környezeti hőmérséklet miatt. Minél magasabb a külső hőmérséklet, annál nagyobb mennyiségű levegőre lesz szükség a szerverek hűtéséhez.

Szerver és hálózati összetevők hőmérsékleti korlátozásai

Bár az ingyenes hűtés hatékony lehet mérsékelt és hideg éghajlaton, a szerveralkatrészek hőmérsékleti korlátai miatt még mindig vannak korlátai. Az informatikai és hálózati berendezések kritikus összetevőinek, például processzoroknak, RAM-oknak, HDD-knek, SSD-knek és NVMe-meghajtóknak működési hőmérsékleti követelményei vannak:

• Processzorok: max 89°C
• RAM: max 75°C
• HDD: max 50°C
• SSD-k és NVMe meghajtók: max 47-48°C

Ezek a korlátozások közvetlenül befolyásolják a külső levegő hőmérsékletének hűtésre való alkalmasságát. Az ingyenes hűtés nem lenne életképes azokban a régiókban, ahol a külső hőmérséklet meghaladja ezeket a küszöbértékeket, vagy akár a közelébe is kerül, mivel a túlmelegedés miatt károsíthatja a rendszert. Regionális korlátozások

Amint azt már kifejtettük, a szabad hűtés hatékony működéséhez a külső hőmérsékletnek folyamatosan alacsonyabbnak kell lennie, mint az informatikai berendezések maximális üzemi hőmérséklete. Ez szükségessé teszi a DC hely éghajlati viszonyainak alapos mérlegelését. A szervezeteknek elemezniük kell a hosszú távú időjárás-előrejelzéseket, hogy a hőmérséklet ne haladja meg a szükséges küszöbértékeket még meghatározott napokon vagy órákon sem. Ezen túlmenően, tekintettel az adatközpontok hosszú élettartamára (jellemzően 10-15 év), a globális felmelegedés hatásait is figyelembe kell venni a helymeghatározásnál.

Szervercsomópont-architektúra követelményei

A fizika összefüggésében a szerverek hatékony hűtése a rendszeren keresztüli bőséges levegőáramlás biztosításán múlik. A szerver architektúrája fontos szerepet játszik ebben a folyamatban.

Ezzel szemben a megfelelő tervezési jellemzőkkel, például perforációkkal vagy nyílásokkal nem rendelkező szerverek akadályozhatják a légáramlást, ami potenciálisan veszélyezteti a szabadhűtési mechanizmus általános hatékonyságát.

Páratartalom szabályozás

A páratartalom egy másik kritikus szempont a szabad hűtés során. Mivel nem tudjuk ellenőrizni a külső páraviszonyokat, két releváns kérdés merül fel: először is, az adatközponton (DC) belül a 100%-hoz közelítő vagy meghaladó páratartalom kezelése; másodszor, a nagyon alacsony páratartalom forgatókönyveinek kezelése, például egy fagyos februári napon, amikor a külső hőmérséklet -30°C és a relatív páratartalom 2% és 5% között mozog. Vizsgáljuk meg szisztematikusan ezeket a helyzeteket.

Magas páratartalmú körülmények között általános aggodalomra ad okot a páralecsapódás lehetséges előfordulása és annak a berendezés működésére gyakorolt káros hatásai. Ezzel ellentétben az egyenáram visszahűtési zónáin belül, ahol a hűtési folyamat végbemegy, a kondenzáció kizárt. Ez annak az elvnek köszönhető, hogy páralecsapódás keletkezik, amikor meleg, nedves levegő érintkezik hidegebb felületekkel. A DC szabadhűtési rendszerében azonban egyetlen elem sem hidegebb, mint a környező levegő. Következésképpen a páralecsapódás eleve akadályozott, így nincs szükség proaktív intézkedésekre.

Ellenkezőleg, alacsony páratartalom esetén a félelem a statikus elektromosság keletkezése felé tolódik el, ami veszélyt jelent a berendezés stabilitására. Ez a probléma nem páralecsapódáshoz kapcsolódik, de különleges megoldást igényel. A mérséklés a földelési eljárásokat és a speciális padlóbevonat alkalmazását foglalja magában. Ezek az intézkedések összhangban vannak a belső berendezések statikus elektromossággal szembeni védelmére alkalmazott módszerekhez. Az építőelemek, állványok és informatikai berendezések földelésével a statikus töltés ártalmatlanul eloszlik a talajban, megőrizve a berendezés épségét.

A természetes éghajlaton ritkán fordul elő rendkívül magas vagy alacsony páratartalom. A figyelemre méltó kivételek közé tartoznak a ritka események, mint például a júliusban 100%-os páratartalmat elérő zivatar vagy egy erős fagy, amely nagyon alacsony páratartalmat okoz. A páratartalom azonban az idő nagy részében jóval az elfogadható tartományon belül marad, ami még aktív beavatkozás hiányában sem károsítja a berendezést.

Levegő mennyisége és sebessége

Amint arról már beszéltünk, a hatékony hűtés elősegítéséhez jelentős mennyiségű külső levegőre van szükség. Ezzel párhuzamosan megjelenik egy látszólag ellentétes követelmény – az épületen belüli alacsony légáramlás fenntartása. Ez a látszólagos paradoxon a benne keringő nagy sebességű légáramlatok jelentette kihívásokban gyökerezik.

Leegyszerűsítve képzelje el a nagy légsebességet egy csőből származó robusztus áramlásként, amely örvénylést és turbulenciát kelt az informatikai berendezések körül. Ez a turbulencia szabálytalan légmozgáshoz és helyi túlmelegedéshez vezethet. Ennek megoldására stratégiai célunk az, hogy az egész térben 1-2 méter/másodperc általános alacsony légsebességet érjünk el.

Ennek a szabályozott légsebességnek a fenntartása lehetővé teszi a turbulencia kiküszöbölését. A nagyobb sebesség a légmozgás szabálytalanságainak kockázatát jelentené. A másodpercenkénti 1-2 méteres tartomány betartásával egyenletes, egyenletes légáramlást biztosítunk, elkerülve a helyi túlmelegedést. Ez a finom egyensúly biztosítja az informatikai berendezések optimális hűtését azáltal, hogy kikerüli a nagy sebességű légáramokkal kapcsolatos buktatókat.

Mint látható, a szabad hűtési megközelítés a külső levegő hatékony felhasználása körül forog, miközben előnyben részesíti a szabályozott alacsony belső légsebességet. Ez a tudatos stratégia segít fenntartani a lamináris és egyenletes légáramlást, biztosítva az informatikai berendezések hűtésének hatékonyságát.

építési koncepció

A szabad hűtési paradigmában az épület szerkezetén belül nem alkalmaznak hagyományos légcsatornákat. A falakban, mennyezetekben vagy meghatározott területeken kijelölt légcsatornákkal rendelkező hagyományos elrendezésekkel ellentétben az adatfeldolgozó központok nem szokványos megközelítést alkalmaznak. Maga az épület légcsatornaként készült, ami a hagyományos klímaberendezéseket elavulttá teszi. Ezeknek a légcsatornáknak a puszta mérete a helyiségek és a padlók szerves részévé alakítja őket.

A légáramlási folyamat akkor indul be, amikor a külső levegő belép az épületbe, és kétféle szűrőn halad át – durvaszűrőn és finomszűrőn. Amint a levegő átesik a tisztítási folyamaton, ventilátorok lendítik hatalmas épülettérbe, amely megközelítőleg négy emelet magasságnak felel meg. Ez a jelentős mennyiség saját célját szolgálja: a légáramlás lassítását, sebességét a szükséges 1-2 méter/s tartományra csökkentve. Ezt követően a levegő leszáll a gépterembe.

A gépterem áthaladása után a levegő az informatikai állványokon keresztül folytatja útját, továbbhaladva a forró folyosóba. Innen bejut a meleglevegő-gyűjtőbe, mielőtt az elszívó ventilátorokon keresztül távozna. Ez a strukturált légáramlási út hatékony hűtési folyamatot biztosít a szabályozott légsebesség fenntartása mellett.

Légsebesség és hangerő

A kiterjedt épülettérfogatok tudatos tervezése kettős célt szolgál. Mindenekelőtt a légsebesség fokozatos csökkentését teszi lehetővé, biztosítva, hogy a légáramlás elérje a kívánt, másodpercenkénti 1-2 méteres sebességet. Ez a szabályozott légsebesség elengedhetetlen a turbulencia megelőzéséhez és a lamináris áramlás fenntartásához, különösen fontos, amikor a levegő áthalad az érzékeny informatikai berendezéseken. Másodszor, a jelentős térfogat biztosítja a szükséges levegőmennyiséget a keletkező hő hatékony elvezetéséhez. A légsebesség és a hangerő szinkronizált összjátéka hozzájárul a rendszer általános sikeréhez.

A nyomáskülönbség, mint az egyedüli irányítási hajtóerő

Az ingyenes hűtési rendszerben nem tudjuk szabályozni a külső levegő hőmérsékletét, ami az adatközpontba (DC) belépő levegő hőmérsékletének változásait eredményezi. Ennek ellenére elengedhetetlen a berendezés hűtéséhez szükséges légáramlás becslése. Ennek megoldására a nyomáskülönbség módszerére támaszkodunk.

Az egyes informatikai rackekben a belső ventilátorokkal rendelkező szerverek különböző sebességgel működnek, együttesen nyomáskülönbséget hozva létre a rack elülső és hátulja között. Számos szerverrel, amelyek mindegyike hozzájárul a teljes légáramláshoz, ez a nyomáskülönbség fokozatosan felhalmozódik a hideg és a meleg folyosók között. Nyomásérzékelők segítségével mindkét folyosón és az egyenáramú épületen kívül meg tudjuk mérni ezt a nyomáskülönbséget.

A számítás során ki kell vonni a légköri nyomásból a forró folyosó nyomásérzékelő adatait, a hideg folyosó nyomásérzékelő adatait pedig ki kell vonni a légköri nyomásból. Így, mint az alábbi példában:

Valós példa

Az így kapott értékek aztán eligazítanak bennünket a DC-hez szükséges levegőellátás és a szerverventilátorok működésének ellensúlyozásához szükséges elszívás meghatározásában. Egyszerűbben fogalmazva, légáramlási szükségleteinket a nyomáskülönbségek alapján mérjük fel, ami lehetővé teszi a hűtési folyamat hatékony irányítását a DC-n belül.

Fűtő- és keverőkamra

A hagyományos fűtési rendszereket általában nem valósítják meg az ingyenes hűtéssel rendelkező adatközpontokban. A víz használata irracionálisnak tekinthető a költségek és a berendezések lehetséges kockázatai miatt. Ez extrém hideg esetén jelent kihívást, kint akár -20-30 fok is lehet. Míg a berendezés jól kezeli, a mérnökök kíméletesebb megközelítésre törekednek. A legelegánsabb és leglogikusabb megoldás itt az informatikai berendezések által termelt forró levegő újrahasznosítása. A szerverek meleg levegőjét egy keverőkamrába irányítva, egy részét visszavezetve a fő légáramba, a rendszer télen melegen tartja a helyiséget, és lehetővé teszi a fűtési költségek megtakarítását.

Egyszerűség és megbízhatóság

A megbízhatóságelmélet egyik kulcstézise azt állítja, hogy az egyszerűség megbízhatóságot szül. Ez vonatkozik az ingyenes hűtőrendszerre is, amely rendkívül egyszerű koncepció. A rendszer barikádként funkcionál, szűrőkön keresztül vezeti a levegőt kívülről, átengedi az informatikai berendezéseken, majd csak kinyomja.

Az összetett rendszerek hiánya növeli a megbízhatóságot, meleg időben csak a ventilátorok jelentenek sebezhetőséget. A szabadhűtéses megközelítés a rendszer radikális egyszerűsítését példázza, az elemek számának csökkentésével lényegesen javítja a megbízhatóságot.

DC rajongók vs szerver rajongók

A ventilátorok hierarchikus tekintélye egy másik alapvető kérdés a DC-ken belüli légáramlás dinamikájában. Amint azt már megbeszéltük, vannak nagyméretű rajongók DC és szerver szinten. A kérdés az, hogy az adatközpont ventilátorai csak levegőt szállítanak, így a szerverventilátorok annyit fogyasztanak, amennyire szükség van? Vagy a szerver rajongóktól ered az igény, ami arra készteti a DC rajongókat, hogy teljesítsék igényeiket?

A mechanizmus a következő: ebben a folyamatban a szerverventilátorok dominálnak, meghatározva a szükséges légáramlást. Ezt követően az egyenáramú ventilátorok a szükséges mennyiségű levegő szállításával reagálnak. Nyilvánvalóvá válik, hogy ha az összes szerver összesített kereslete meghaladja az egyenáramú ventilátor tápkapacitását, az potenciális túlmelegedéshez vezethet.

A válasz tehát az, hogy ebben a dinamikában a szerverrajongóknak van elsőbbsége. Ők irányítják a légáramlást, megadva a szükséges levegőmennyiséget.

Hatékonyság és PUE számítás

Az egyenáramú projektek hatékonyságának értékelésére hagyományosan a Power Usage Effectiveness (PUE) számítását használják. A PUE képlete a létesítmény teljes teljesítményének az IT-berendezések teljesítményéhez viszonyított aránya:

PUE = Teljes létesítményteljesítmény / IT-berendezések teljesítménye

Ideális esetben 1-gyel egyenlő, ami azt jelenti, hogy minden energia pazarlás nélkül az IT-berendezésekre irányul. Ennek a tökéletes forgatókönyvnek a megvalósítása azonban ritka a valós projektekben.

Egy másik probléma merül fel, amikor megpróbálunk egyértelmű módszertant felállítani az energiafelhasználás hatékonyságának (PUE) kiszámításához. Így például a mi rendszerünkben van egy wattban kifejezett pillanatnyi energiafogyasztást jelző mérőszám, amely lehetővé teszi a PUE valós idejű kiszámítását.

Sőt, levezethetünk egy átlagos PUE-t egy éves időszakra vonatkozóan, ami átfogóbb értékelést kínál a szezonális ingadozások figyelembevételével. Ez különösen fontos az évszakok közötti energiafelhasználásbeli különbségek miatt; például a nyári és a téli hónapok hűtési igényei közötti különbség. Ez azt jelenti, hogy ha megbízhatóbb értékelést akarunk, akkor az éves átlagot kell előtérbe helyeznünk, amely kiegyensúlyozottabb és átfogóbb értékelést nyújt.

Az is fontos, hogy a PUE-t ne csak az energia, hanem a pénzegységek alapján is feltárjuk, és ezáltal az áramárak szezonális ingadozásait is figyelembe vegyük. A PUE pénzben kifejezett értékelése holisztikusabb perspektívát ad a működési hatékonyságról.

Ezenkívül ez a megközelítés lehetőséget ad 1-nél kisebb PUE-érték elérésére dollárban mérve. Lehetővé válik például, ha a hulladékhőt vízmelegítésre használjuk, és továbbadjuk a közeli városoknak. Figyelemre méltó példák, mint például a Google adatközpontja az Egyesült Államokban és a Yandex finnországi létesítménye, bizonyítják az ilyen gyakorlatok életképességét, különösen a magas energiaköltséggel jellemezhető régiókban.

Hatékonyság kontra megbízhatóság

A költségek csökkentésével és a hatékonyság növelésével kapcsolatos aggodalmak gyakran kérdéseket vetnek fel a megbízhatóságra gyakorolt lehetséges negatív hatásokkal kapcsolatban. Szeretném azonban hangsúlyozni, hogy a szabadhűtésben a hatékonyságra való törekvés nem veszélyezteti a megbízhatóságot. Ehelyett technológiai mellékhatásai akár a hatékonyságot is növelhetik. Például, amint arról már szó esett, a többlethő hőszivattyúkhoz való átirányítása további előnyök, például a közeli városok melegvíz-termelése érdekében pénzügyileg előnyös gyakorlattá válik a megbízhatóság feláldozása nélkül.

Az ingyenes hűtés jövője

Az ingyenes hűtési kínálat minden előnye ellenére az adatközponti ágazatot továbbra is konzervatív megközelítés vezérli, és bizonyított megbízhatóságot követel, és hajlamos ellenállni az innovatív megoldásoknak. Az olyan szervek tanúsítványaira való támaszkodás, mint a Uptime Institute A marketing egy újabb akadályt jelent az ingyenes hűtési megoldások számára, mivel nincs megalapozott tanúsítvány, ami arra készteti a kereskedelmi szolgáltatókat, hogy szkepticizmussal tekintsenek rájuk.

Ennek ellenére a vállalati hiperskálázók körében megfigyelhető az a tendencia, hogy az ingyenes hűtést alkalmazzák DC-ik fő megoldásaként. Mivel egyre több vállalat ismeri el ennek a technológiának a költséghatékonyságát és működési előnyeit, arra számítunk, hogy a következő 10-20 évben több vállalati szintű hűtési adatközpont fog megjelenni.