הגדרת בעיה הגידול המתגבר בתשתיות מרכזי הנתונים והעלייה המקבילה בניצול ציוד ה-IT הובילו לעלייה בצריכת החשמל. מכיוון ששרתים, מרכיבים אינטגרליים של הדאטה סנטרים, ממירים חשמל לחום תוך כדי הפעלה, אנו מתמודדים עם בעיה של התמודדות עם טמפרטורות גבוהות ומגניב את הנחות והציוד של הדאטה סנטר. הבה נזכור בזריזות את יסודות הפיסיקה של בית הספר: בעקבות העקרונות הבסיסיים של התרמודינמיקה, האנרגיה לא נעלמת אלא עוברת טרנספורמציה. לפיכך, אם מרכז נתונים צורך 1 MW של חשמל - כל קוונט האנרגיה הזה הופך לכמות שווה של חום. כתוצאה מכך, ככל שצורכים יותר חשמל, כך גדל האתגר בניהול החום שנוצר בתוך מרכז הנתונים. המצב הופך מסובך עוד יותר, מכיוון שציוד IT יכול להיות בעל רמות צריכת אנרגיה משתנות תוך גדלים פיזיים שונים. לדוגמה, ציוד עם צריכת אנרגיה גבוהה עשוי להיות בגודל קטן, מה שמציב בעיות בקירור יעיל של החום המרוכז. מצד שני, ציוד IT גדול יותר עם קצב צריכת חשמל מתון יחסית קל יותר לקירור בגלל שטח הפנים הגדול שלו. מרכזי נתונים מכילים בדרך כלל שילוב של גדלי ציוד ורמות צריכה, מה שמציג את האתגר של קירור לא רק של ציוד IT מגוון אלא גם לעשות זאת במהירויות שונות, המוכתבות על ידי דרישות הטמפרטורה של כל סוג ציוד. מיותר לציין שכדי לקרר את ה-DC אנו זקוקים לכמויות נכבדות של חשמל, מה שמוסיף לעלויות התפעול. הבעיה של שימוש יעיל בחשמל במרכזי נתונים מתחדדת במיוחד עם העלייה העולמית במחירי החשמל. לְפִי מחירי החשמל בעולם זינקו למקסימום של כל הזמנים בין 2021 ל-2022. כאשר משבר הבריאות COVID-19 שכך במחצית השנייה של 2021, הביקוש לאנרגיה גדל, ומחירי החשמל הגיעו לשיא ראשון. בתחילת 2022 שוק האנרגיה שוב התהדק ומשבר האנרגיה החריף. הדו"ח של סטטיסטה צריכת החשמל של מרכזי נתונים גדלה למרות יעילות הביצועים הגוברת. במילים אחרות, למרות שהביצועים לוואט משתפרים, הביקוש למשאבים גדל אפילו מהר יותר, כך שהצריכה הכוללת בהכרח עולה, כמו גם העלויות. עם זאת, ניתן להשיג חיסכון משמעותי בעלויות על ידי אופטימיזציה של מערכות הקירור. זה גרם לי לרצות לבדוק לעומק את שיטות הקירור היעילות בכלל והקירור החופשי בפרט. הערכת רמות צריכת האנרגיה במרכזי נתונים מסתמכת בדרך כלל על מדד יעילות השימוש בכוח (PUE). PUE מודד את היעילות של מרכז נתונים על ידי הערכת צריכת האנרגיה הכוללת מול זו המשמשת אך ורק לציוד IT. נדבר על זה בפירוט רב יותר מאוחר יותר. מה שאנחנו צריכים לדעת עכשיו הוא ש-PUE נמוך יותר מסמל מרכז נתונים יעיל יותר, מה שמצביע על הסתמכות מופחתת על כוח שאינו מחשוב. לנוכח התשתית הגדלה והסלמה בצריכת החשמל, אופטימיזציה של PUE עם מערכות קירור יעילות יותר מספקת זהירות פיננסית ותפעול בר קיימא. במאמר זה, נחקור שיטות קירור מסורתיות וחדשניות ונגלה איזו מהן מציעה יעילות מרבית. סקירת שיטות קירור אוויר ולא אוויר בסיווג מפושט, ניתן לתחום טכניקות קירור לשתי קטגוריות עיקריות: שיטות מבוססות אוויר ולא מבוססות אוויר. לפרט, קירור אוויר כולל גישות קונבנציונליות, בעוד שהקטגוריה הלא-אווירית כוללת שיטות מגוונות המשתמשות בחומרים כמו מים, שמן או חומרים מוצקים. ראוי לציין כי הרוב המכריע, המהווה 99%, של שיטות הקירור נופל תחת מטריית קירור האוויר. מזגנים מערכות מיזוג אוויר הן האמצעי הנפוץ ביותר לקירור אוויר בהגדרות מקצועיות של מרכזי נתונים. העיקרון הבסיסי שלהם משקף את זה של מזגנים למגורים: האוויר הזורם דרך השרתים מוזרם דרך מזגן, מקורר באמצעות סורג רדיאטור, ואז מוחזר חזרה לשרתים. תהליך מחזורי זה מבטיח מנגנון קירור רציף. צ'ילרים בעקבות המזגנים, הצ'ילרים מייצגים את מערכת הקירור השנייה הכי מקובלת. בניגוד למזגנים, הצ'ילרים משתמשים במים (או בתמיסה על בסיס מים) כדי להעביר חום מחללים הדורשים בקרת אקלים. למרות שמיזוג האוויר פשוט יותר ובדרך כלל זול יותר, עלויות האנרגיה הגבוהות שלו יכולות לפעמים להרתיע עסקים. מצד שני, מערכות מים מצוננים חסכוניות יותר באנרגיה, אך דורשות יותר רכיבים ומורכבות בהתקנה ובתחזוקה שלהן. חדרים אדיאבטיים ומחצלות קירור אדיאבטי כרוך בשימוש בתאים או מחצלות שבהם שופכים מים ומתאדים. כשהמים מתאדים, החדרים והמחצלות מתקררים יחד עם האוויר בפנים. בעוד שקירור אדיאבטי מייצג אפשרות שלישית בת קיימא, הוא נחשב לאקזוטי משהו ואינו נפוץ בקירור מרכזי נתונים בהשוואה למזגנים וצ'ילרים. קירור מים במערכות קירור מים משתמשים במים או בנוזלים המכילים מים לפיזור חום. צינורות מים ממוקמים באופן אסטרטגי בחדרי שרתים, כאשר כל שרת מחובר לשני צינורות - האחד ליציאת מים חמים והשני לכניסת מים קרים. רדיאטורים על CPUs, GPUs ועל ציוד אחר מקושרים ישירות למערכת אספקת מים זו. גישה זו לא רק מקררת את הציוד והמתחמים של מרכז הנתונים אלא גם מייצרת אספקה של מים חמים לשימושים נוספים. מחליפי חום שיטה זו משפרת את יעילות הקירור על ידי מינוף סביבות קרות חיצוניות. כאשר מקור קור קרוב, כגון אגם, ים או אדמה קרה, זמין, ניתן לפרוס צינורות מים היישר לתוכו כדי להעביר כמויות גדולות של חום מציוד IT. אקזוטיות יש גם שיטות לא שגרתיות. אחד מהם מבוסס על אלמנטים של Peltier או מצננים תרמו-אלקטריים (TECs). גישה זו מסתמכת על אפקטים של מוליכים למחצה וכוללת אספקת חשמל לצלחת מיוחדת שמחוממת מצד אחד ומקוררת מצד שני. גישה אוונגרדית נוספת היא פריסת מרכזי נתונים תת-מימיים. ב , למשל, מרכז נתונים היה שקוע בעומק 117 רגל באיים הצפוניים באביב 2018. במהלך השנתיים שלאחר מכן, הצוות ביצע בדיקות וניטור קפדניות של שרתי מרכז הנתונים. אושר כי הצבת מיכל אטום על קרקעית האוקיינוס יכולה לשפר את האמינות הכוללת של מרכז הנתונים על ידי הפחתת בעיות כמו קורוזיה, תנודות בטמפרטורה והפרעות פיזיות המתרחשות בדרך כלל ביבשה. פרויקט Natick של מיקרוסופט קירור חינם טכניקה זו מכוונת במיוחד למקסום יעילות הקירור. קירור חופשי מרענן את האוויר בתוך מרכז נתונים מבלי להסתמך על מערכות קירור מסורתיות. הוא משתמש באוויר חיצוני טבעי כפי שהוא. בדרך כלל האוויר החיצוני נתון רק לבקרת לחות ואז תהליכים תרמודינמיים טבעיים מווסתים את הטמפרטורות בחדרי הנתונים. שיטה זו מפחיתה משמעותית את צריכת החשמל (75% עד 92% פחות בהשוואה למערכות CRAH אחרות), מפחיתה את פליטת הפחמן הדו חמצני ומבטלת את הצורך במים במערכת הקירור. קירור חופשי הוא אחת האפשרויות הכי ידידותיות לסביבה שדורשות פחות אנרגיה. חוץ מזה, זה יכול לעזור לחסוך בעלויות שכן 40% מהכוח המשמש את מרכזי הנתונים הולך לקירור. מערכת זו משפרת את הביצועים של כל הציוד מקורר האוויר, אפילו בתנאים קשים. להלן ייצוג חזותי פשוט של תהליך הקירור החופשי: כפי שאתה יכול לראות, המערכת פועלת בצורה מאוד פשוטה, מתעלת אוויר בחוץ דרך מסננים, ציוד IT ומוציאה אותו. הפחתה זו במורכבות, עם מאווררים בלבד כנקודות תורפה פוטנציאליות, מחזקת את האמינות הכוללת של DC בקירור חופשי. בניגוד למערכות עם ציוד מורכב, היעדר רכיבים מורכבים גם מפחית הן את עלויות ההתקנה הראשוניות והן את הוצאות התחזוקה השוטפות. אז היתרונות הכספיים מתחילים כבר בשלב הבנייה, שבו התכנון המיועל של קירור חופשי מתורגם לחיסכון מוחשי. ייסורי הבחירה במהלך כנסים ופגישות, אני מקבל לעתים קרובות שאלות רבות שסובבות סביב הפרדוקס: אם קירור חופשי הוא יתרון באותה מידה מבחינת חיסכון בעלויות ופשטות, מדוע הוא לא מאומץ באופן אוניברסלי בתעשייה? זה מעורר את השאלה הרחבה יותר מדוע, למרות היתרונות שלו, רק מספר מצומצם של חברות אימצו קירור חופשי, בעוד שאחרות מתמידות בשיטות קונבנציונליות. התשובה לכך טמונה בבחינה רב-גונית של הדינמיקה הרווחת בתעשייה. דיקטטורה של התעשייה בתעשיית מרכזי הנתונים, שבה אמינות היא בעלת חשיבות עיקרית, אימוץ פתרונות חדשניים נתקל לעתים קרובות בהתנגדות. אני מייחס זאת, קודם כל, לאופי השמרני של תעשיית DC, שבה מקבלי ההחלטות נותנים עדיפות למושגים מוכחים על פני פתרונות חדשניים. בעוד שטכנולוגיות חדשות כמו קירור חופשי מבטיחות עלות-תועלת ויעילות, נציגי התעשייה יעדיפו גישות מסורתיות אך מהימנות כדי להבטיח את פעולת השרתים בצורה חלקה. מכשולים שיווקיים נקודה נוספת כאן היא שספקי DC מסחריים, המהווים כ-80% מהתעשייה, מסתמכים על אישורים מגופים עצמאיים כמו לשווק את מהימנותם. עם זאת, זה מציב אתגר עבור פתרונות קירור חינם, מכיוון שעדיין אין הסמכה מבוססת עבורם. מצב זה מוביל ספקים מסחריים להתנגד לשיטות קירור חלופיות, תוך ציון אי ודאות לגבי מהימנותן והיעדר תקדים של אישור. מכון Uptime חששות להתחממות כדור הארץ מבקרים מעלים לעתים קרובות חששות לגבי השפעת ההתחממות הגלובלית על כדאיות הקירור החופשי. עם זאת, הטיעון מופרך על ידי הכרה באופי ההדרגתי של ההתחממות הגלובלית, עם עלייה משוערת של 1.5 מעלות במשך עשור. שינוי טמפרטורה צנוע זה לא צפוי לפגוע ביציבות של פתרונות קירור חופשי בטווח הקרוב. טיעון "רק במקרה". נוהג נפוץ נוסף עבור חברות שבוחרות בשיטת קירור DC היא הכללת יחידות מיזוג אוויר גיבוי כאמצעי זהירות בנוסף לקירור חופשי. טיעון "למקרה" הזה מערער את תפיסת הליבה של קירור חופשי, מכניס מורכבות מיותרת ופוגע ביעילות הפיננסית והתפעולית. גם למזגן קטן עולה הצורך לספק רכיבים שונים כמו פריאון, חוטים, נוזלים, מערכות ובקרה. במקום לאמץ את הרעיון של מזגן גיבוי, על התעשייה להתמקד בהתאמת מערכת הקירור החופשי שלה למגוון רחב של תנאים מבלי להסתמך על תקוות שווא. סיכונים ושיקולים אמיתיים כאשר שוקלים פתרון קירור חינם, כמה סיכונים ושיקולים מוחשיים דורשים תשומת לב. שיקול מרכזי אחד הוא האזור הגיאוגרפי, שכן פריסת קירור חופשי באזור כמו האמירויות הערביות עשויה להיות לא מוצדקת. נגישות היא היבט נוסף שיש לזכור. האזור הנבחר חייב להחזיק את התשתית הנדרשת וניתן להגיע אליו בקלות על ידי צוותים מיוחדים המוטלים על תחזוקת מרכז הנתונים. קישוריות, כולל הזמינות של קווים אופטיים, היא גם חשובה. לדוגמה, הקמת מרכז נתונים לקירור חופשי מעבר לחוג הארקטי הופכת לבלתי מעשית בגלל היעדר קווי תקשורת והאתגר של שמירה על כוח עבודה מיומן. מעבר לשיקולים לוגיסטיים אלו, ההגבלות היחידות לקירור חופשי נוגעות לטמפרטורה המקסימלית של האזור (כ-38-40 מעלות) ולאיכות האוויר. אזורים עם זיהום מופרז, כגון אלה ליד כבישים מהירים סואנים או פעילות חקלאית אינטנסיבית, עלולים להוות בעיות. אמנם אין איסור מוחלט, אך מסננים במקומות כאלה ידרשו החלפה תכופה. שלא כמו מרכזי נתונים ממוזגים רגילים שמזרימים אוויר פנימי, מרכזי קירור חופשי שואבים אוויר חיצוני, ודורשים תחזוקה קפדנית יותר של מסננים. פרמטרי מיקום אחרים מתאימים לאלו החלים על מרכזי נתונים מסורתיים. חלוצים ומגמות עתידיות למרות האופי השמרני של התעשייה, כמה חברות תאגידיות שחושבות קדימה מעריכות את היתרונות המוחשיים של חלופות. חישוב העלות-תועלת של קירור חופשי באמצעות ניתוח מספרי, הם מבינים את החיסכון הפוטנציאלי בעלויות שהוא מציע. כמה חברות בולטות, כמו פייסבוק (כיום מטה), גוגל, אמזון, Yandex ו-Wildberries, הן חלוצות באימוץ טכנולוגיית קירור חופשי. מעמדם פורץ הדרך נובע מהנכונות שלהם להעריך סיכונים ולהכיר ביתרונות הפיננסיים הגלומים בטכנולוגיה זו. הבחירה עבור החברות הללו הייתה ברורה - או ללכת על תוכניות קונבנציונליות ולחכות בעלויות גבוהות יותר או לקחת את הסיכונים והיתרונות של הפיכתם לחלוצים בקירור מרכזי נתונים. הנוף המתפתח של התעשייה מצביע על מגמה גוברת בקרב ארגוני היפר-scalers ליישום פתרונות קירור חינם. ככל שיותר חברות יכירו את העלות-תועלת ואת היתרונות התפעוליים של טכנולוגיה זו, צפוי שמספר גדל והולך של מרכזי נתונים לקירור ללא תאגידים יצוצו בעתיד. אם אתה מעוניין ללמוד עוד על הפיזיקה של קירור חופשי, חקור את הנושא במאמר החדש שלי Free Cooling: Technology Deep Dive.
