Mengoptimalkan Efisiensi Pusat Data: Analisis Mendalam tentang Teknik Freecooling

Pada artikel sebelumnya , kami membahas tentang perluasan infrastruktur pusat data yang pesat dan peningkatan konsumsi listrik yang diakibatkannya. Saat server mengubah listrik menjadi panas selama pengoperasian, mengelola suhu tinggi dan mendinginkan fasilitas dan peralatan pusat data menjadi masalah utama bagi tim DC.

Meskipun metode pendinginan tradisional, termasuk pendingin udara dan chiller, efektif mendinginkan tempat dan server pusat data, biayanya tetap menjadi kekurangan yang signifikan. Berbeda dengan metode tradisional, pendinginan gratis tidak memerlukan investasi besar tetapi menawarkan tingkat efisiensi dan keandalan yang sama. Dalam artikel ini, saya akan membuat tinjauan terperinci tentang teknologi pendinginan gratis, menyoroti manfaat, keterbatasan, dan persyaratan untuk implementasi yang berhasil.

Fisika Pendinginan Bebas

Untuk memahami fisika di balik pendinginan bebas, kita perlu meninjau kembali rumus energi panas:

Q = mcΔT

Di sini, 'Q' melambangkan jumlah panas yang diperoleh atau hilang, 'm' melambangkan massa sampel (dalam kasus kita, massa udara di pusat data), 'c' melambangkan kapasitas panas spesifik udara, dan ΔT melambangkan perbedaan suhu.

Di pusat data, sumber panas utama adalah CPU. Biasanya, terdapat 2 hingga 4 CPU, yang masing-masing beroperasi pada daya sekitar 200 watt. Seperti yang dibahas sebelumnya, semua energi listrik yang dikonsumsi oleh CPU diubah menjadi panas. Oleh karena itu, dengan 2 CPU, misalnya, kita menghasilkan 400 watt panas yang perlu dihilangkan. Sekarang tujuan kita adalah menentukan jumlah udara yang dibutuhkan untuk tujuan ini.

Parameter ΔT, atau perbedaan suhu, menunjukkan bahwa semakin rendah suhu udara luar, semakin sedikit massa udara yang dibutuhkan untuk mendinginkan CPU. Misalnya, jika suhu udara masuk 0°C dan suhu udara keluar 35°C, ΔT hanya akan menjadi 35, yang menandakan kebutuhan massa udara yang lebih rendah. Namun, selama musim panas, pendinginan menjadi lebih sulit karena meningkatnya suhu sekitar. Semakin tinggi suhu luar, semakin banyak jumlah udara yang dibutuhkan untuk mendinginkan server.

Batasan Suhu Komponen Server dan Jaringan

Meskipun pendinginan gratis mungkin efisien untuk iklim sedang dan dingin, pendinginan ini masih memiliki keterbatasan karena keterbatasan suhu pada komponen server. Komponen penting dalam peralatan TI dan jaringan, seperti prosesor, RAM, HDD, SSD, dan drive NVMe, memiliki persyaratan suhu operasional:

• Prosesor: maks 89°C
• RAM: maks 75°C
• HDD: maks 50°C
• SSD dan drive NVMe: maks 47-48°C

Keterbatasan ini secara langsung memengaruhi kesesuaian suhu udara luar untuk pendinginan. Pendinginan gratis tidak akan dapat dilakukan di wilayah yang suhu luarnya melebihi ambang batas ini atau bahkan mendekati ambang batas tersebut, karena dapat merusak sistem akibat panas berlebih. Keterbatasan Regional

Seperti yang telah kami jelaskan, suhu luar ruangan harus selalu lebih rendah dari suhu operasional maksimum peralatan IT agar pendinginan bebas dapat efektif. Hal ini memerlukan pertimbangan cermat terhadap kondisi iklim lokasi DC. Organisasi harus menganalisis prakiraan cuaca jangka panjang untuk memastikan bahwa suhu tidak melebihi ambang batas yang diperlukan, bahkan pada hari atau jam tertentu. Selain itu, dengan mempertimbangkan umur pusat data yang panjang (biasanya 10-15 tahun), dampak pemanasan global juga harus diperhitungkan dalam keputusan lokasi.

Persyaratan Arsitektur Node Server

Dalam konteks fisika, mencapai pendinginan yang efisien di server bergantung pada memastikan aliran udara yang cukup melalui sistem. Arsitektur server memainkan peran penting dalam proses ini.

Sebaliknya, server yang tidak memiliki fitur desain yang sesuai, seperti perforasi atau bukaan, dapat menghambat aliran udara, sehingga berpotensi mengorbankan efisiensi keseluruhan mekanisme pendinginan gratis.

Kontrol Kelembaban

Tingkat kelembapan merupakan pertimbangan penting lainnya dalam hal pendinginan bebas. Karena kita tidak dapat mengendalikan kondisi kelembapan eksternal, muncul dua pertanyaan penting: pertama, menangani tingkat kelembapan yang mendekati atau melebihi 100% di dalam pusat data (DC); kedua, menangani skenario kelembapan udara yang sangat rendah, seperti pada hari Februari yang dingin dengan suhu luar ruangan -30°C dan kelembapan relatif berkisar antara 2% hingga 5%. Mari kita periksa situasi ini secara sistematis.

Dalam kondisi kelembapan tinggi, terdapat kekhawatiran umum mengenai potensi terjadinya kondensasi dan dampak buruknya pada fungsionalitas peralatan. Berlawanan dengan kekhawatiran ini, dalam zona pendinginan ulang DC, tempat proses pendinginan terjadi, kondensasi tidak terjadi. Hal ini disebabkan oleh prinsip bahwa kondensasi terjadi saat udara hangat dan lembap bersentuhan dengan permukaan yang lebih dingin. Namun, dalam sistem pendinginan bebas DC, tidak ada elemen yang lebih dingin daripada udara di sekitarnya. Akibatnya, kondensasi secara inheren terhambat, sehingga tidak diperlukan tindakan proaktif.

Sebaliknya, saat berhadapan dengan kelembapan rendah, kekhawatiran beralih ke pembangkitan listrik statis, yang mengancam stabilitas peralatan. Masalah ini tidak terkait dengan kondensasi tetapi memerlukan penyelesaian yang khusus. Mitigasi melibatkan prosedur pembumian dan penerapan pelapis lantai khusus. Langkah-langkah ini sejalan dengan metode yang ditetapkan untuk melindungi peralatan internal dari listrik statis. Dengan membumikan elemen konstruksi, rak, dan peralatan TI, muatan statis akan hilang tanpa membahayakan ke tanah, sehingga integritas peralatan tetap terjaga.

Dalam iklim alami, jarang terjadi kasus kelembapan yang sangat tinggi atau rendah. Pengecualian penting mencakup kejadian langka seperti badai petir yang mencapai kelembapan 100% pada bulan Juli atau embun beku parah yang menyebabkan kelembapan sangat rendah. Namun, untuk sebagian besar waktu, tingkat kelembapan tetap berada dalam kisaran yang dapat diterima yang tidak membahayakan peralatan, bahkan tanpa adanya intervensi aktif.

Kuantitas dan Kecepatan Udara

Seperti yang telah kita bahas, untuk memfasilitasi pendinginan yang efektif, kita memerlukan volume udara eksternal yang cukup besar. Bersamaan dengan itu, muncul persyaratan yang tampaknya berlawanan dengan intuisi – mempertahankan aliran udara rendah di dalam gedung. Paradoks yang tampak ini berakar pada tantangan yang ditimbulkan oleh arus udara berkecepatan tinggi yang bersirkulasi di dalam.

Untuk menyederhanakannya, bayangkan kecepatan udara tinggi sebagai aliran kuat dari sebuah tabung, yang menciptakan pusaran dan turbulensi di sekitar peralatan IT. Turbulensi ini berpotensi menyebabkan pergerakan udara tidak teratur dan panas berlebih di suatu tempat. Untuk mengatasi hal ini, kami secara strategis menargetkan kecepatan udara rendah secara keseluruhan sebesar 1-2 meter per detik di seluruh ruangan.

Mempertahankan kecepatan udara yang terkontrol ini memungkinkan kita menghilangkan turbulensi. Kecepatan yang lebih tinggi berisiko menimbulkan ketidakteraturan dalam pergerakan udara. Dengan mematuhi rentang 1-2 meter per detik, kita menghasilkan aliran udara yang halus dan seragam, sehingga terhindar dari panas berlebih di suatu tempat. Keseimbangan yang rumit ini memastikan pendinginan peralatan TI yang optimal dengan menghindari jebakan yang terkait dengan arus udara berkecepatan tinggi.

Seperti yang dapat dilihat, pendekatan pendinginan bebas berpusat pada penggunaan udara eksternal yang efisien sambil memprioritaskan kecepatan udara internal rendah yang terkendali. Strategi yang disengaja ini membantu mempertahankan aliran udara yang laminar dan seragam, memastikan efektivitas pendinginan peralatan TI.

Konsep Bangunan

Dalam paradigma pendinginan bebas, saluran udara tradisional tidak digunakan dalam struktur bangunan. Tidak seperti pengaturan konvensional dengan saluran udara khusus di dinding, langit-langit, atau area tertentu, pusat pemrosesan data menggunakan pendekatan yang tidak konvensional. Bangunan itu sendiri dirancang sebagai saluran udara, sehingga unit pendingin udara tradisional menjadi usang. Skala saluran udara ini mengubahnya menjadi komponen integral ruangan dan lantai.

Proses aliran udara dimulai saat udara luar memasuki gedung, melewati dua jenis filter – filter kasar dan filter halus. Setelah udara menjalani proses pembersihan, udara didorong oleh kipas ke dalam volume gedung yang luas, kira-kira setara dengan empat lantai tingginya. Volume yang besar ini memiliki tujuannya sendiri: untuk memperlambat aliran udara, mengurangi kecepatannya ke kisaran yang dibutuhkan 1-2 meter per detik. Selanjutnya, udara turun ke ruang mesin.

Setelah melewati ruang mesin, udara melanjutkan perjalanannya melalui rak IT, menuju lorong panas. Dari sana, udara memasuki kolektor udara panas sebelum dikeluarkan ke luar melalui kipas angin. Jalur aliran udara terstruktur ini memastikan proses pendinginan yang efisien sambil mempertahankan kecepatan udara yang terkendali.

Kecepatan Udara dan Volume

Pilihan desain yang disengaja untuk menggunakan volume bangunan yang luas memiliki dua tujuan. Pertama dan terutama, hal ini memungkinkan pengurangan kecepatan udara secara bertahap, memastikan bahwa aliran udara mencapai kecepatan yang diinginkan yaitu 1-2 meter per detik. Kecepatan udara yang terkontrol ini penting untuk mencegah turbulensi dan mempertahankan aliran laminar, yang sangat penting saat udara bergerak melalui peralatan IT yang sensitif. Kedua, volume yang signifikan mengakomodasi volume udara yang diperlukan untuk menghilangkan panas yang dihasilkan secara efisien. Interaksi yang tersinkronisasi antara kecepatan udara dan volume berkontribusi pada keberhasilan sistem secara keseluruhan.

Tekanan Diferensial sebagai Satu-satunya Penggerak Manajemen

Dalam pengaturan pendinginan bebas, kita tidak memiliki kendali atas suhu udara eksternal, yang menyebabkan variasi suhu udara yang masuk ke Pusat Data (DC). Meskipun demikian, memperkirakan aliran udara yang dibutuhkan untuk pendinginan peralatan sangatlah penting. Untuk mengatasi hal ini, kita mengandalkan metode tekanan diferensial.

Di dalam setiap rak IT, server dengan kipas internal beroperasi pada kecepatan yang berbeda, yang secara kolektif menciptakan tekanan diferensial antara bagian depan dan belakang rak. Dengan banyaknya server, yang masing-masing berkontribusi pada aliran udara secara keseluruhan, perbedaan tekanan ini secara bertahap terbentuk antara lorong dingin dan panas. Dengan menggunakan sensor tekanan di kedua lorong dan di luar gedung DC, kami dapat mengukur tekanan diferensial ini.

Perhitungannya melibatkan pengurangan data sensor tekanan di lorong panas dari tekanan atmosfer dan pengurangan data sensor tekanan di lorong dingin dari tekanan atmosfer. Jadi seperti pada contoh di bawah ini:

Contoh Dunia Nyata

Nilai yang dihasilkan kemudian memandu kita dalam menentukan pasokan udara yang diperlukan ke DC dan pembuangan yang diperlukan untuk mengimbangi pengoperasian kipas server. Dengan kata lain, kami mengukur kebutuhan aliran udara berdasarkan perbedaan tekanan, yang memungkinkan kami mengelola proses pendinginan di dalam DC secara efisien.

Ruang Pemanas dan Pencampuran

Sistem pemanas tradisional biasanya tidak diterapkan di Pusat Data dengan pendinginan gratis. Penggunaan air dianggap tidak rasional karena biaya dan potensi risiko pada peralatan. Hal ini menimbulkan tantangan selama cuaca dingin ekstrem, mencapai -20–30 derajat di luar ruangan. Sementara peralatan menanganinya dengan baik, teknisi mencari pendekatan yang lebih lembut. Solusi yang paling elegan dan logis di sini adalah menggunakan kembali udara panas yang dihasilkan oleh peralatan TI. Dengan mengarahkan udara panas dari server ke dalam ruang pencampuran, dan mengembalikan sebagiannya ke arus udara utama, sistem ini menjaga tempat tetap hangat di musim dingin dan memungkinkan penghematan biaya untuk pemanasan.

Kesederhanaan dan Keandalan

Tesis utama dalam teori keandalan menyatakan bahwa kesederhanaan menghasilkan keandalan. Hal ini berlaku untuk sistem pendingin bebas yang merupakan konsep yang sangat sederhana. Sistem ini berfungsi sebagai penghalang, mengalirkan udara dari luar melalui filter, melewatinya melalui peralatan IT, dan kemudian mengeluarkannya.

Tidak adanya sistem yang kompleks meningkatkan keandalan, dengan hanya kipas yang menimbulkan kerentanan dalam cuaca panas. Pendekatan pendinginan bebas merupakan contoh penyederhanaan sistem yang radikal, yang secara substansial meningkatkan keandalan dengan mengurangi jumlah elemen.

Kipas DC vs Kipas Server

Otoritas hierarkis kipas merupakan pertanyaan mendasar lain dalam dinamika aliran udara di dalam DC. Seperti yang telah kita bahas, ada kipas berskala besar di tingkat DC dan kipas di tingkat server. Pertanyaannya adalah: apakah kipas pusat data hanya memasok udara, membiarkan kipas server mengonsumsi udara sebanyak yang dibutuhkan? Atau apakah permintaan berasal dari kipas server, yang memaksa kipas DC untuk memenuhi persyaratannya?

Mekanismenya adalah sebagai berikut: kipas server memiliki peran dominan dalam proses ini, menentukan aliran udara yang diperlukan. Selanjutnya, kipas DC merespons dengan memberikan volume udara yang diperlukan. Menjadi jelas bahwa jika permintaan kumulatif dari semua server melampaui kapasitas pasokan kipas DC, hal itu dapat menyebabkan potensi panas berlebih.

Jadi jawabannya adalah kipas server memiliki keunggulan dalam dinamika ini. Mereka mengatur aliran udara, menentukan jumlah udara yang dibutuhkan.

Perhitungan Efisiensi dan PUE

Untuk mengevaluasi efisiensi proyek DC, perhitungan Efektivitas Penggunaan Daya (PUE) secara tradisional digunakan. Rumus untuk PUE adalah rasio Daya Fasilitas Total terhadap Daya Peralatan TI:

PUE = Total Daya Fasilitas / Daya Peralatan TI

Idealnya, nilainya sama dengan 1, yang berarti semua energi diarahkan ke peralatan IT tanpa pemborosan. Namun, mencapai skenario sempurna ini jarang terjadi dalam proyek di dunia nyata.

Masalah lain muncul saat kita mencoba menetapkan metodologi yang jelas untuk menghitung Efektivitas Penggunaan Daya (PUE). Misalnya, dalam sistem kami, kami memiliki metrik yang menunjukkan konsumsi daya sesaat dalam watt, yang memungkinkan untuk menghitung PUE secara real time.

Selain itu, kita dapat memperoleh PUE rata-rata selama periode tahunan, yang menawarkan penilaian yang lebih komprehensif dengan mempertimbangkan fluktuasi musiman. Hal ini khususnya relevan mengingat perbedaan penggunaan energi antarmusim; misalnya, perbedaan kebutuhan pendinginan antara musim panas dan musim dingin. Ini berarti bahwa jika kita ingin memiliki evaluasi yang lebih andal, kita perlu memprioritaskan rata-rata tahunan yang memberikan penilaian yang lebih seimbang dan komprehensif.

Penting juga untuk mengkaji PUE tidak hanya dalam hal energi tetapi juga unit moneter, dengan demikian memasukkan fluktuasi musiman harga listrik. Mengevaluasi PUE dalam istilah moneter memberikan perspektif yang lebih holistik tentang efisiensi operasional.

Selain itu, pendekatan ini mengungkap kemungkinan untuk mencapai nilai PUE kurang dari 1 jika diukur dalam dolar. Hal ini menjadi mungkin, misalnya, ketika kita menggunakan panas buangan untuk pemanas air dan menjualnya lebih jauh ke kota-kota terdekat. Contoh penting, seperti pusat data Google di AS dan fasilitas Yandex di Finlandia, menunjukkan kelayakan praktik semacam itu, khususnya di wilayah yang ditandai dengan biaya energi tinggi.

Efisiensi vs. Keandalan

Kekhawatiran tentang pengurangan biaya dan peningkatan efisiensi sering kali menimbulkan pertanyaan tentang potensi dampak negatif pada keandalan. Namun, saya ingin menekankan bahwa dalam pendinginan gratis, mengejar efisiensi tidak mengorbankan keandalan. Sebaliknya, efek samping teknologinya bahkan dapat meningkatkan efisiensi. Misalnya, seperti yang telah kita bahas, mengalihkan kelebihan panas ke pompa panas untuk manfaat tambahan, seperti menghasilkan air panas untuk kota-kota terdekat, menjadi praktik yang menguntungkan secara finansial tanpa mengorbankan keandalan.

Masa Depan Pendinginan Gratis

Meskipun semua keuntungan yang ditawarkan pendinginan gratis, industri pusat data masih didorong oleh pendekatan konservatif dan menuntut keandalan yang terbukti, dengan kecenderungan untuk menolak solusi inovatif. Ketergantungan pada sertifikasi dari badan-badan seperti Institut Uptime untuk pemasaran menimbulkan rintangan lain bagi solusi pendinginan gratis, karena tidak memiliki sertifikasi yang mapan, yang mengakibatkan penyedia komersial memandangnya dengan skeptis.

Namun, ada tren di kalangan perusahaan hyper-scaler untuk mengadopsi pendinginan gratis sebagai solusi utama untuk DC mereka. Dengan semakin banyaknya perusahaan yang mengakui efektivitas biaya dan manfaat operasional dari teknologi ini, kami perkirakan akan semakin banyak pusat data dengan pendinginan gratis perusahaan yang akan muncul dalam 10-20 tahun ke depan.