Evolusi Pendinginan Pusat Data: Dari Metode Berbasis Udara ke Pendinginan Gratis

Definisi Masalah

Meningkatnya pertumbuhan infrastruktur pusat data dan lonjakan penggunaan peralatan TI telah menyebabkan peningkatan konsumsi listrik.

Karena server, komponen integral dari pusat data, mengubah listrik menjadi panas saat beroperasi, kita menghadapi masalah dalam menangani suhu tinggi dan tempat serta peralatan pusat data yang dingin.

Mari kita ingat kembali dasar-dasar fisika sekolah: mengikuti prinsip dasar termodinamika, energi tidak hilang tetapi berubah. Jadi, jika pusat data mengonsumsi 1 MW listrik – seluruh kuantum energi ini diubah menjadi jumlah panas yang setara. Akibatnya, semakin banyak listrik yang dikonsumsi, semakin besar tantangan dalam mengelola panas yang dihasilkan di dalam pusat data.

Situasinya menjadi lebih rumit, karena peralatan IT dapat memiliki tingkat konsumsi energi yang bervariasi sementara memiliki ukuran fisik yang berbeda. Misalnya, peralatan dengan konsumsi energi tinggi mungkin memiliki ukuran yang kecil, sehingga menimbulkan masalah dalam mendinginkan panas yang terkonsentrasi secara efisien. Di sisi lain, peralatan IT yang lebih besar dengan tingkat konsumsi listrik yang relatif sedang lebih mudah didinginkan karena luas permukaannya yang lebih besar. Pusat data biasanya menampung campuran berbagai ukuran peralatan dan tingkat konsumsi, yang menghadirkan tantangan tidak hanya untuk mendinginkan berbagai peralatan IT tetapi juga melakukannya dengan kecepatan yang berbeda, yang ditentukan oleh persyaratan suhu setiap jenis peralatan. Tak perlu dikatakan lagi, untuk mendinginkan DC, kita membutuhkan sejumlah besar listrik, yang menambah biaya operasional.

Masalah penggunaan daya yang efisien di pusat data menjadi sangat akut dengan kenaikan harga listrik global. Menurut laporan oleh Statista Harga listrik dunia meroket ke titik tertinggi sepanjang masa antara tahun 2021 dan 2022. Ketika krisis kesehatan COVID-19 mereda pada paruh kedua tahun 2021, permintaan energi meningkat, dan harga listrik mencapai rekor tertinggi pertama. Pada awal tahun 2022, pasar energi kembali mengencang dan krisis energi semakin parah.

Konsumsi listrik pusat data terus meningkat meskipun efisiensi kinerja meningkat.

Dengan kata lain, meskipun kinerja per watt meningkat, permintaan akan sumber daya tumbuh lebih cepat, sehingga konsumsi keseluruhan pasti meningkat dan begitu pula biayanya. Namun, penghematan biaya yang substansial dapat dicapai dengan mengoptimalkan sistem pendingin. Hal ini membuat saya ingin melihat lebih dalam metode pendinginan yang efisien secara umum dan pendinginan gratis secara khusus.

Penilaian tingkat konsumsi energi di pusat data biasanya bergantung pada metrik Efektivitas Penggunaan Daya (PUE). PUE mengukur efisiensi pusat data dengan mengevaluasi total konsumsi energi terhadap yang digunakan secara eksklusif untuk peralatan TI. Kita akan membahasnya lebih rinci nanti. Yang perlu kita ketahui sekarang adalah bahwa PUE yang lebih rendah menandakan pusat data yang lebih efisien, yang menunjukkan berkurangnya ketergantungan pada daya non-komputasi. Dalam menghadapi infrastruktur yang berkembang dan konsumsi listrik yang meningkat, mengoptimalkan PUE dengan sistem pendingin yang lebih efisien memberikan kehati-hatian finansial dan operasi yang berkelanjutan.

Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi metode pendinginan tradisional dan inovatif dan menemukan mana di antara mereka yang menawarkan efisiensi maksimum.

Tinjauan Umum Metode Pendinginan

Udara dan non-udara

Dalam klasifikasi yang disederhanakan, teknik pendinginan dapat dibagi menjadi dua kategori utama: metode berbasis udara dan non-udara. Untuk lebih jelasnya, pendinginan udara mencakup pendekatan konvensional, sedangkan kategori non-udara mencakup berbagai metode yang menggunakan zat seperti air, minyak, atau bahan padat. Perlu dicatat bahwa sebagian besar, yang merupakan 99%, metode pendinginan termasuk dalam kategori pendinginan udara.

Pendingin Udara

Sistem pendingin udara merupakan cara pendinginan udara yang paling umum dalam pengaturan pusat data profesional. Prinsip dasarnya mencerminkan prinsip pendingin udara rumah tangga: udara yang mengalir melalui server dialirkan melalui pendingin udara, didinginkan melalui kisi-kisi radiator, dan kemudian dialirkan kembali ke server. Proses siklus ini memastikan mekanisme pendinginan yang berkelanjutan.

Pendingin

Setelah AC, chiller merupakan sistem pendingin kedua yang paling banyak digunakan. Tidak seperti AC, chiller menggunakan air (atau larutan berbasis air) untuk memindahkan panas dari ruangan yang memerlukan pengaturan suhu. Meskipun AC lebih sederhana dan umumnya lebih terjangkau, biaya energinya yang lebih tinggi terkadang dapat menjadi penghalang bagi bisnis. Di sisi lain, sistem air dingin lebih hemat energi, tetapi memerlukan lebih banyak komponen dan kompleksitas dalam pemasangan dan perawatannya.

Kamar dan Matras Adiabatik

Pendinginan adiabatik melibatkan penggunaan ruang atau alas tempat air dituangkan dan diuapkan. Saat air menguap, ruang dan alas mendingin bersama udara di dalamnya. Sementara pendinginan adiabatik merupakan pilihan ketiga yang layak, pendinginan ini dianggap agak eksotis dan tidak umum digunakan dalam pendinginan pusat data jika dibandingkan dengan pendingin udara dan chiller.

Pendinginan Air

Dalam sistem pendingin air, air atau cairan yang mengandung air digunakan untuk pembuangan panas. Pipa air ditempatkan secara strategis di ruang server, dengan setiap server terhubung ke dua pipa — satu untuk aliran keluar air panas dan yang lainnya untuk aliran masuk air dingin. Radiator pada CPU, GPU, dan peralatan lainnya dihubungkan langsung ke sistem pasokan air ini. Pendekatan ini tidak hanya mendinginkan peralatan dan tempat pusat data tetapi juga menghasilkan pasokan air hangat untuk penggunaan tambahan.

Penukar Panas

Metode ini meningkatkan efisiensi pendinginan dengan memanfaatkan lingkungan dingin eksternal.

Bila terdapat sumber dingin di dekatnya, seperti danau, laut, atau tanah dingin, pipa air dapat dipasang langsung ke dalamnya untuk menyalurkan sejumlah besar panas dari peralatan IT.

Eksotik

Ada pula metode yang tidak konvensional. Salah satunya adalah yang berbasis pada elemen Peltier atau pendingin termoelektrik (TEC). Pendekatan ini mengandalkan efek semikonduktor dan melibatkan penyediaan listrik ke pelat khusus yang dipanaskan di satu sisi dan didinginkan di sisi lainnya.

Pendekatan avant-garde lainnya adalah penerapan pusat data bawah laut. Proyek Natick Microsoft Misalnya, sebuah pusat data tenggelam sedalam 117 kaki di Kepulauan Utara pada musim semi 2018. Selama dua tahun berikutnya, tim melakukan pengujian dan pemantauan ketat terhadap server pusat data. Dikonfirmasi bahwa menempatkan kontainer tertutup di dasar laut dapat meningkatkan keandalan pusat data secara keseluruhan dengan mengurangi masalah seperti korosi, fluktuasi suhu, dan gangguan fisik yang biasanya terjadi di daratan.

Pendinginan Gratis

Teknik ini secara khusus ditujukan untuk memaksimalkan efisiensi pendinginan. Pendinginan gratis menyegarkan udara di dalam pusat data tanpa bergantung pada sistem pendinginan tradisional. Pendinginan ini menggunakan udara luar alami sebagaimana adanya. Biasanya udara luar hanya tunduk pada kontrol kelembapan dan kemudian proses termodinamika alami mengatur suhu di dalam ruang data.

Metode ini secara signifikan mengurangi konsumsi daya (75% hingga 92% lebih sedikit dibandingkan dengan sistem CRAH lainnya), menurunkan emisi karbon dioksida, dan menghilangkan kebutuhan akan air dalam sistem pendingin.

Pendinginan gratis merupakan salah satu pilihan yang paling ramah lingkungan dan membutuhkan lebih sedikit energi. Selain itu, pendinginan gratis dapat membantu menghemat biaya karena 40% daya yang digunakan oleh pusat data digunakan untuk pendinginan. Sistem ini meningkatkan kinerja semua peralatan berpendingin udara, bahkan dalam kondisi yang sulit. Berikut adalah representasi visual sederhana dari proses pendinginan gratis:

Seperti yang dapat Anda lihat, sistem ini beroperasi dengan cara yang sangat mudah, menyalurkan udara luar melalui filter, peralatan IT, dan mengeluarkannya. Pengurangan kompleksitas ini, dengan hanya kipas sebagai potensi kerentanan, memperkuat keandalan DC secara keseluruhan pada pendinginan gratis.

Tidak seperti sistem dengan peralatan yang rumit, ketiadaan komponen yang rumit juga mengurangi biaya pemasangan awal dan biaya perawatan yang berkelanjutan. Jadi keuntungan finansial sudah dimulai pada tahap pembangunan, di mana desain pendinginan bebas yang efisien menghasilkan penghematan yang nyata.

Penderitaan Pilihan

Selama konferensi dan rapat, saya sering mendapat banyak pertanyaan yang berkisar pada paradoks: jika pendinginan gratis sama menguntungkannya dalam hal penghematan biaya dan kesederhanaan, mengapa tidak diadopsi secara universal dalam industri?

Hal ini menimbulkan pertanyaan yang lebih luas tentang mengapa, meskipun bermanfaat, hanya sejumlah kecil perusahaan yang menerapkan pendinginan gratis, sementara yang lain tetap menggunakan metode konvensional. Jawabannya terletak pada pemeriksaan menyeluruh terhadap dinamika industri yang berlaku.

Kediktatoran Industri

Dalam industri pusat data, di mana keandalan merupakan hal terpenting, penerapan solusi inovatif sering kali menghadapi hambatan. Saya mengaitkan hal ini, pertama-tama, dengan sifat konservatif industri pusat data, di mana para pengambil keputusan memprioritaskan konsep yang telah terbukti daripada solusi inovatif.

Sementara teknologi baru seperti pendinginan gratis menjanjikan efektivitas biaya dan efisiensi, perwakilan industri lebih memilih pendekatan tradisional namun dapat diandalkan untuk memastikan pengoperasian server yang lancar.

Kendala pemasaran

Hal lain yang perlu diperhatikan adalah penyedia DC komersial, yang mencakup sekitar 80% industri, bergantung pada sertifikasi dari badan independen seperti Institut Uptime untuk memasarkan keandalannya. Namun, hal ini menjadi tantangan bagi solusi pendinginan gratis, karena belum ada sertifikasi yang ditetapkan untuknya. Situasi ini menyebabkan penyedia komersial menolak metode pendinginan alternatif, dengan alasan ketidakpastian seputar keandalannya dan tidak adanya preseden sertifikasi.

Kekhawatiran Pemanasan Global

Kritikus sering kali mengemukakan kekhawatiran tentang dampak pemanasan global terhadap kelayakan pendinginan gratis. Namun, argumen tersebut dibantah dengan mengakui sifat pemanasan global yang bertahap, dengan perkiraan peningkatan sebesar 1,5 derajat selama satu dekade. Perubahan suhu yang sederhana ini tidak mungkin membahayakan stabilitas solusi pendinginan gratis dalam waktu dekat.

Argumen “Berjaga-jaga”

Satu lagi praktik umum bagi perusahaan yang memilih metode pendinginan DC adalah penyertaan unit pendingin udara cadangan sebagai tindakan pencegahan selain pendinginan gratis. Argumen "jaga-jaga" ini melemahkan konsep inti pendinginan gratis, menimbulkan kerumitan yang tidak perlu, dan mengorbankan efisiensi finansial dan operasional.

Bahkan untuk AC kecil, kebutuhan untuk menyediakan berbagai komponen seperti freon, kabel, cairan, sistem, dan kontrol muncul. Alih-alih menerima gagasan memiliki AC cadangan, industri harus fokus pada adaptasi sistem pendingin bebasnya terhadap berbagai kondisi tanpa bergantung pada harapan palsu.

Risiko dan Pertimbangan Nyata

Saat mempertimbangkan solusi pendinginan gratis, beberapa risiko dan pertimbangan nyata perlu diperhatikan. Salah satu pertimbangan utama adalah wilayah geografis, karena penerapan pendinginan gratis di wilayah seperti Uni Emirat Arab mungkin tidak dapat dibenarkan.

Aksesibilitas merupakan aspek lain yang perlu diperhatikan. Wilayah yang dipilih harus memiliki infrastruktur yang dibutuhkan dan mudah dijangkau oleh personel khusus yang bertugas dalam pemeliharaan pusat data. Konektivitas, termasuk ketersediaan jalur optik, juga penting. Misalnya, membangun pusat data dengan pendingin udara gratis di luar Lingkaran Arktik menjadi tidak praktis karena tidak adanya jalur komunikasi dan tantangan dalam mempertahankan tenaga kerja yang terampil.

Di luar pertimbangan logistik ini, satu-satunya batasan untuk pendinginan gratis berkaitan dengan suhu maksimum wilayah tersebut (sekitar 38-40 derajat) dan kualitas udara. Area dengan polusi yang berlebihan, seperti yang dekat dengan jalan raya yang ramai atau aktivitas pertanian yang padat, dapat menimbulkan masalah. Meskipun tidak ada larangan langsung, filter di lokasi tersebut perlu sering diganti. Tidak seperti pusat data ber-AC konvensional yang mengalirkan udara internal, pusat pendinginan gratis menarik udara luar, yang menuntut perawatan filter yang lebih cermat. Parameter lokasi lainnya selaras dengan yang berlaku untuk pusat data tradisional.

Pelopor dan Tren Masa Depan

Meskipun industri ini bersifat konservatif, beberapa perusahaan korporat yang berpikiran maju mengevaluasi manfaat nyata dari alternatif. Dengan menghitung efektivitas biaya pendinginan gratis melalui analisis numerik, mereka menyadari potensi penghematan biaya yang ditawarkannya.

Beberapa perusahaan terkemuka, seperti Facebook (sekarang Meta), Google, Amazon, Yandex, dan Wildberries, merupakan pelopor dalam penerapan teknologi pendinginan gratis. Status mereka sebagai pelopor berasal dari kemauan mereka untuk menilai risiko dan menyadari keuntungan finansial yang melekat pada teknologi ini. Pilihan bagi perusahaan-perusahaan ini jelas – memilih skema konvensional dan menanggung biaya yang lebih tinggi atau mengambil risiko dan manfaat dengan menjadi pelopor dalam pendinginan pusat data.

Lanskap industri yang terus berkembang menunjukkan tren yang berkembang di kalangan perusahaan hyper-scaler dalam menerapkan solusi pendinginan gratis. Karena semakin banyak perusahaan menyadari efektivitas biaya dan keuntungan operasional dari teknologi ini, diantisipasi bahwa semakin banyak pusat data pendinginan gratis perusahaan akan muncul di masa mendatang.

Jika Anda tertarik mempelajari lebih lanjut tentang fisika pendinginan bebas, jelajahi topik tersebut dalam artikel baru saya Pendinginan Bebas: Pendalaman Teknologi.