Деректер орталығының тиімділігін оңтайландыру: Freecooling әдістеріне терең бойлау

Алдыңғы мақалада біз деректер орталығының инфрақұрылымының жылдам кеңеюін және соның нәтижесінде электр энергиясын тұтынудың ұлғаюын талқыладық. Серверлер жұмыс кезінде электр энергиясын жылуға айналдыратындықтан, жоғары температураны басқару және деректер орталығының қондырғылары мен жабдығын салқындату №1 мәселеге айналады. DC командалары үшін.

Салқындатудың дәстүрлі әдістері, соның ішінде кондиционерлер мен салқындатқыштар деректер орталығының үй-жайлары мен серверлерін тиімді салқындатқанымен, олардың құны айтарлықтай кемшілік болып қала береді. Тегін салқындату дәстүрлі әдістерге қарағанда айтарлықтай инвестицияны қажет етпейді, бірақ бірдей тиімділік пен сенімділік деңгейін ұсынады. Бұл мақалада мен тегін салқындату технологиясына егжей-тегжейлі шолу жасаймын, оның артықшылықтарын, шектеулерін және сәтті енгізу талаптарын атап өтемін.

Еркін салқындату физикасы

Еркін салқындату физикасын түсіну үшін жылу энергиясының формуласын қайта қарау керек:

Q = mcΔT

Мұнда 'Q' алынған немесе жоғалған жылу мөлшерін, 'm' үлгінің массасын білдіреді (біздің жағдайда деректер орталығындағы ауаның массасы), 'c' ауаның меншікті жылу сыйымдылығын білдіреді, және ΔT температура дифференциалын білдіреді.

Деректер орталығында негізгі жылу көзі орталық процессор болып табылады. Әдетте, әрқайсысы шамамен 200 ватт жұмыс істейтін 2-ден 4-ке дейінгі процессорлар бар. Жоғарыда айтылғандай, процессорлар тұтынатын барлық электр энергиясы жылуға айналады. Сондықтан, мысалы, 2 процессормен біз 400 ватт жылуды шығарамыз, оны тарату керек. Ендігі мақсатымыз – осы мақсатқа қажетті ауа мөлшерін анықтау.

ΔT параметрі немесе температура дифференциалы сыртқы ауа температурасы неғұрлым төмен болса, орталық процессорларды салқындату үшін ауа массасы азырақ қажет екенін көрсетеді. Мысалы, кіретін ауа температурасы 0°C және шығыс температурасы 35°C болса, ΔT бар болғаны 35 болады, бұл ауа массасына біршама төмен талапты білдіреді. Дегенмен, жазғы маусымда қоршаған орта температурасының жоғарылауына байланысты салқындату қиынырақ болады. Сыртқы температура неғұрлым жоғары болса, серверлерді салқындату үшін соғұрлым көп ауа қажет болады.

Сервер және желі құрамдастарының температуралық шектеулері

Тегін салқындату қалыпты және суық климат үшін тиімді болуы мүмкін, бірақ сервер құрамдас бөліктеріндегі температура шектеулеріне байланысты оның әлі де шектеулері бар. Процессорлар, жедел жад, қатты дискілер, SSD және NVMe дискілері сияқты АТ және желілік жабдықтың маңызды құрамдас бөліктерінің жұмыс температурасына қойылатын талаптары бар:

• Процессорлар: макс 89°C
• ЖЖҚ: максимум 75°C
• Қатты дискілер: максимум 50°C
• SSD және NVMe дискілері: максимум 47-48°C

Бұл шектеулер сыртқы ауа температурасының салқындату үшін жарамдылығына тікелей әсер етеді. Тегін салқындату сыртқы температура осы шектерден асатын немесе тіпті оларға жақындайтын аймақтарда өміршең болмайды, себебі ол қызып кету салдарынан жүйені зақымдауы мүмкін. Аймақтық шектеулер

Жоғарыда түсіндіргендей, еркін салқындату тиімді болуы үшін сыртқы температуралар АТ жабдығының максималды жұмыс температурасынан үнемі төмен болуы керек. Бұл DC орналасқан жердің климаттық жағдайларын мұқият қарастыруды қажет етеді. Ұйымдар ауа райының ұзақ мерзімді болжамдарын талдауы керек, тіпті белгілі бір күндерде немесе сағаттарда температура қажетті шектерден аспауы керек. Сонымен қатар, деректер орталықтарының ұзақ қызмет ету мерзімін (әдетте 10-15 жыл) ескере отырып, жаһандық жылынудың әсерлерін орналасу туралы шешім қабылдауда да ескеру қажет.

Сервер түйінінің архитектурасына қойылатын талаптар

Физика контекстінде серверлерді тиімді салқындату жүйе арқылы ауаның мол ағынын қамтамасыз етуге негізделген. Бұл процесте сервердің архитектурасы маңызды рөл атқарады.

Керісінше, перфорациялар немесе саңылаулар сияқты сәйкес дизайн мүмкіндіктері жоқ серверлер ауа ағынына кедергі жасап, еркін салқындату механизмінің жалпы тиімділігін әлеуетті түрде бұзуы мүмкін.

Ылғалдылықты бақылау

Ылғалдылық деңгейі еркін салқындату кезінде тағы бір маңызды мәселе болып табылады. Бізде сыртқы ылғалдылық жағдайларын бақылау болмағандықтан, екі сәйкес сұрақ туындайды: біріншіден, деректер орталығында (ДС) 100% жақын немесе одан жоғары ылғалдылық деңгейлерін шешу; екіншіден, сыртқы ауа температурасы -30°C және салыстырмалы ылғалдылығы 2%-дан 5%-ға дейін болатын ақпанның аязды күні сияқты өте төмен ауа ылғалдылығының сценарийлерін шешу. Осы жағдайларды жүйелі түрде қарастырайық.

Ылғалдылықтың жоғарылауы жағдайында конденсацияның ықтимал пайда болуы және оның жабдық жұмысына жағымсыз әсерлері туралы жалпы алаңдаушылық бар. Бұл алаңдаушылыққа қарамастан, салқындату процесі жүретін тұрақты токтың қайта салқындату аймақтарында конденсацияға жол берілмейді. Бұл жылы, дымқыл ауа суық беттерге тиген кезде конденсация пайда болады деген принципке байланысты. Дегенмен, тұрақты токтың бос салқындату жүйесінде ешбір элемент қоршаған ауадан суық емес. Демек, конденсация табиғи түрде кедергі келтіреді, бұл белсенді шаралардың қажеттілігін жояды.

Керісінше, төмен ылғалдылықпен жұмыс істегенде, қорқыныш статикалық электр энергиясын өндіруге қарай ауысады, бұл жабдықтың тұрақтылығына қауіп төндіреді. Бұл мәселе конденсациямен байланысты емес, бірақ ерекше шешімді қажет етеді. Салдарларды азайту жерге қосу процедураларын және арнайы еден жабындарын қолдануды қамтиды. Бұл шаралар ішкі жабдықты статикалық электр тогынан қорғаудың белгіленген әдістеріне сәйкес келеді. Құрылыс элементтерін, тіректерді және АТ жабдығын жерге қосу арқылы статикалық заряд жабдықтың тұтастығын сақтай отырып, жерге зиянсыз таралады.

Табиғи климатта өте жоғары немесе төмен ылғалдылық жағдайлары сирек кездеседі. Шілдеде 100% ылғалдылыққа жететін найзағай немесе өте төмен ылғалдылықты тудыратын қатты аяз сияқты сирек кездесетін оқиғалар ерекше ерекшеліктерге жатады. Дегенмен, көп жағдайда ылғалдылық деңгейлері, тіпті белсенді араласулар болмаса да, жабдыққа ешқандай зиян келтірмейтін қолайлы диапазондарда жақсы сақталады.

Ауа мөлшері мен жылдамдығы

Жоғарыда талқылағанымыздай, тиімді салқындату үшін бізге сыртқы ауаның айтарлықтай көлемі қажет. Бір мезгілде, бір қарағанда, қарама-қайшы көрінетін талап пайда болады - ғимарат ішінде ауа ағынының төмен болуы. Бұл айқын парадокстың тамыры ішінде айналатын жоғары жылдамдықты ауа ағындары тудыратын қиындықтарға негізделген.

Жеңілдету үшін жоғары әуе жылдамдығын АТ жабдығы айналасында бұрылыстар мен турбуленттілік тудыратын түтіктен шығатын сенімді ағын ретінде елестетіңіз. Бұл турбуленттілік ауаның тұрақты емес қозғалысына және локализацияланған қызып кетуге әкелуі мүмкін. Мұны шешу үшін біз бүкіл кеңістікте секундына 1-2 метр жалпы төмен әуе жылдамдығын стратегиялық мақсат етіп отырмыз.

Осы бақыланатын әуе жылдамдығын сақтау турбуленттілікті жоюға мүмкіндік береді. Жоғары жылдамдық ауа қозғалысының бұзылуына қауіп төндіреді. Секундына 1-2 метр диапазонды ұстану арқылы біз локализацияланған қызып кетуді болдырмай, тегіс, біркелкі ауа ағынын қамтамасыз етеміз. Бұл нәзік тепе-теңдік жоғары жылдамдықтағы ауа ағындарымен байланысты тұзақтарды айналып өту арқылы АТ жабдықтарының оңтайлы салқындатылуын қамтамасыз етеді.

Көріп отырғанымыздай, еркін салқындату тәсілі сыртқы ауаны тиімді пайдалану төңірегінде, сонымен бірге басқарылатын төмен ішкі әуе жылдамдығына басымдық береді. Бұл ойластырылған стратегия АТ жабдығын салқындату тиімділігін қамтамасыз ете отырып, ламинарлы және біркелкі ауа ағынын сақтауға көмектеседі.

Құрылыс концепциясы

Еркін салқындату парадигмасында ғимарат құрылымында дәстүрлі ауа құбырлары қолданылмайды. Қабырғаларда, төбелерде немесе белгілі бір аумақтарда арнайы ауа өткізгіштері бар әдеттегі қондырғылардан айырмашылығы, деректерді өңдеу орталықтары дәстүрлі емес тәсілді қолданады. Ғимараттың өзі ауа құбыры ретінде ойластырылған, бұл дәстүрлі кондиционерлерді ескірген. Бұл ауа құбырларының ауқымдылығы оларды бөлмелер мен едендердің ажырамас құрамдас бөліктеріне айналдырады.

Ауа ағыны процесі екі түрлі сүзгілерден – ірі сүзгілерден және жұқа сүзгілерден өтетін сыртқы ауа ғимаратқа кірген кезде басталады. Ауа тазалау процесінен өткеннен кейін, ол желдеткіштердің көмегімен биіктігі шамамен төрт қабатқа барабар кең ғимарат көлеміне жіберіледі. Бұл айтарлықтай көлем өз мақсатына қызмет етеді: ауа ағынын баяулату, оның жылдамдығын секундына 1-2 метр қажетті диапазонға дейін төмендету. Кейіннен ауа машина бөлмесіне түседі.

Машиналар бөлмесінен өткеннен кейін ауа IT тіректер арқылы саяхатын жалғастырып, ыстық дәлізге өтеді. Ол жерден сорғыш желдеткіштер арқылы сыртқа шығарылмас бұрын ыстық ауа жинағышқа түседі. Бұл құрылымдық ауа ағыны жолы басқарылатын ауа жылдамдығын сақтай отырып, тиімді салқындату процесін қамтамасыз етеді.

Әуе жылдамдығы және көлемі

Ғимараттың кең көлемдерін пайдаланудың әдейі дизайн таңдауы екі мақсатқа қызмет етеді. Ең алдымен, ауа ағынының секундына 1-2 метрлік қажетті жылдамдыққа жетуін қамтамасыз ете отырып, әуе жылдамдығын біртіндеп төмендетуге мүмкіндік береді. Бұл басқарылатын әуе жылдамдығы турбуленттілікке жол бермеу және ламинарлы ағынды қолдау үшін өте маңызды, әсіресе ауа сезімтал АТ жабдығы арқылы өтетіндіктен маңызды. Екіншіден, айтарлықтай көлем түзілетін жылуды тиімді тарату үшін қажетті ауа көлемін орналастырады. Әуе жылдамдығы мен көлемнің синхрондалған өзара әрекеттесуі жүйенің жалпы табысына ықпал етеді.

Жалғыз басқару драйвері ретінде дифференциалды қысым

Тегін салқындату қондырғысында біз сыртқы ауа температурасын басқара алмаймыз, бұл Деректер орталығына (DC) кіретін ауа температурасының өзгеруіне әкеледі. Осыған қарамастан, жабдықты салқындату үшін қажетті ауа ағынын бағалау өте маңызды. Мұны шешу үшін дифференциалды қысым әдісіне сүйенеміз.

Әрбір АТ тартпасының ішінде ішкі желдеткіштері бар серверлер әртүрлі жылдамдықпен жұмыс істейді, сөренің алдыңғы және артқы жағындағы дифференциалды қысымды біріктіреді. Әрқайсысы жалпы ауа ағынына үлес қосатын көптеген серверлермен бұл қысым айырмашылығы бірте-бірте суық және ыстық жолдар арасында пайда болады. Екі дәлізде де, тұрақты ток ғимаратының сыртында да қысым датчиктерін пайдалану арқылы біз бұл дифференциалды қысымды өлшей аламыз.

Есептеу атмосфералық қысымнан ыстық жолдағы қысым датчигі деректерін алып тастауды және атмосфералық қысымнан суық жолдағы қысым датчигінің деректерін алып тастауды қамтиды. Осылайша, төмендегі мысалдағыдай:

Нақты дүние мысалы

Содан кейін алынған мәндер бізге тұрақты токқа қажетті ауа беруді және сервер желдеткіштерінің жұмысын өтеу үшін қажетті шығатын шығаруды анықтауға көмектеседі. Қарапайым тілмен айтқанда, біз қысымның дифференциалына негізделген ауа ағынының қажеттіліктерін өлшейміз, бұл тұрақты ток ішінде салқындату процесін тиімді басқаруға мүмкіндік береді.

Жылыту және араластыру камерасы

Дәстүрлі жылыту жүйелері әдетте еркін салқындатқышы бар деректер орталықтарында іске асырылмайды. Суды пайдалану шығынға және жабдыққа ықтимал қауіптерге байланысты ұтымсыз болып саналады. Бұл сыртта -20-30 градусқа дейін жететін қатты суық кезінде қиындық тудырады. Жабдық оны жақсы өңдегенімен, инженерлер жұмсақ тәсілді іздейді. Мұндағы ең талғампаз және қисынды шешім - АТ жабдықтары шығаратын ыстық ауаны қайта пайдалану. Серверлерден ыстық ауаны араластыру камерасына бағыттап, оның бір бөлігін негізгі ауа ағынына қайтаратын жүйе қыста үй-жайларды жылы ұстайды және жылу шығындарын үнемдеуге мүмкіндік береді.

Қарапайымдылық пен сенімділік

Сенімділік теориясының негізгі тезисі қарапайымдылық сенімділікті тудырады деп бекітеді. Бұл өте қарапайым тұжырымдама болып табылатын тегін салқындату жүйесіне қатысты. Жүйе баррикада ретінде жұмыс істейді, ауаны сүзгілер арқылы сырттан жіберіп, оны IT жабдықтары арқылы өткізеді, содан кейін оны жай ғана шығарады.

Күрделі жүйелердің болмауы сенімділікті арттырады, тек желдеткіштер ыстық ауа райында осалдықты тудырады. Еркін салқындату тәсілі жүйенің түбегейлі жеңілдетілуін көрсетеді, элементтер санын азайту арқылы сенімділікті айтарлықтай арттырады.

DC желдеткіштері және сервер жанкүйерлері

Желдеткіштердің иерархиялық билігі тұрақты ток ішіндегі ауа ағынының динамикасындағы тағы бір іргелі мәселе болып табылады. Біз талқылағанымыздай, тұрақты ток деңгейінде және сервер деңгейінде кең ауқымды желдеткіштер бар. Мәселе мынада: деректер орталығының желдеткіштері сервер желдеткіштерін қажетінше тұтынуға қалдырып, жай ғана ауа береді ме? Немесе сұраныс DC желдеткіштерін талаптарын орындауға мәжбүрлейтін сервер желдеткіштерінен туындайды ма?

Механизм келесідей: сервер желдеткіштері қажетті ауа ағынын анықтай отырып, бұл процесте басым рөл атқарады. Кейіннен тұрақты ток желдеткіштері ауаның қажетті көлемін беру арқылы жауап береді. Егер барлық серверлердің жиынтық сұранысы тұрақты ток желдеткішінің қуатынан асып кетсе, бұл ықтимал қызып кетуге әкелуі мүмкін екені белгілі болды.

Сонымен, жауап сервер жанкүйерлері осы динамикадағы басымдыққа ие. Олар ауа ағынын реттеп, қажетті ауа мөлшерін анықтайды.

Тиімділік және PUE есебі

Тұрақты ток жобасының тиімділігін бағалау үшін дәстүрлі түрде Қуатты пайдалану тиімділігін (PUE) есептеу қолданылады. PUE формуласы жалпы қондырғы қуатының АТ жабдығының қуатына қатынасы болып табылады:

PUE = Жалпы қуат / АТ жабдығының қуаты

Ең дұрысы, ол 1-ге тең, бұл барлық энергияның ысырапсыз АТ жабдығына бағытталғанын білдіреді. Дегенмен, бұл тамаша сценарийге қол жеткізу нақты жобаларда сирек кездеседі.

Қуатты пайдалану тиімділігін (PUE) есептеудің нақты әдістемесін құруға тырысқанда тағы бір мәселе туындайды. Осылайша, мысалы, біздің жүйеде бізде нақты уақытта PUE есептеуге мүмкіндік беретін ватттағы лезде қуат тұтынуды көрсететін метрика бар.

Сонымен қатар, біз маусымдық ауытқуларды ескере отырып, жан-жақты бағалауды ұсынатын жылдық кезеңдегі орташа PUE-ны ала аламыз. Бұл әсіресе маусымдар арасындағы энергияны пайдаланудағы алшақтықты ескере отырып өте орынды; мысалы, жазғы және қысқы айлар арасындағы салқындату талаптарының сәйкессіздігі. Бұл неғұрлым сенімді бағалауға ие болғымыз келсе, теңгерімді және жан-жақты бағалауды қамтамасыз ететін жылдық орташа мәнге басымдық беруіміз керек дегенді білдіреді.

Сондай-ақ PUE-ны тек энергия тұрғысынан ғана емес, сонымен бірге ақша бірліктерімен де зерттеу маңызды, осылайша электр энергиясы бағасының маусымдық ауытқуын қамтиды. PUE-ді ақшалай түрде бағалау операциялық тиімділікке неғұрлым тұтас перспектива береді.

Сонымен қатар, бұл тәсіл доллармен өлшенгенде 1-ден төмен PUE мәніне қол жеткізу мүмкіндіктерін ашады. Бұл, мысалы, суды жылыту үшін қалдық жылуды пайдаланып, оны жақын маңдағы қалаларға сату кезінде мүмкін болады. АҚШ-тағы Google деректер орталығы және Финляндиядағы Яндекстің қондырғысы сияқты назар аударарлық мысалдар мұндай тәжірибелердің өміршеңдігін, әсіресе энергияның жоғары шығындарымен сипатталатын аймақтарда көрсетеді.

Тиімділік және сенімділік

Шығындарды азайту және тиімділікті арттыру туралы алаңдаушылық көбінесе сенімділікке ықтимал теріс әсерлер туралы сұрақтар тудырады. Дегенмен, еркін салқындату кезінде тиімділікке ұмтылу сенімділікке нұқсан келтірмейтінін атап өткім келеді. Оның орнына оның технологиялық жанама әсерлері тіпті тиімділікті арттыруы мүмкін. Мысалы, жоғарыда талқылағанымыздай, жақын маңдағы қалалар үшін ыстық су өндіру сияқты қосымша артықшылықтар үшін артық жылуды жылу сорғыларына қайта бағыттау сенімділікті жоғалтпай, қаржылық жағынан тиімді тәжірибеге айналады.

Еркін салқындату болашағы

Тегін салқындату ұсынатын барлық артықшылықтарға қарамастан, деректер орталығының индустриясы бұрынғысынша консервативті көзқараспен жұмыс істейді және инновациялық шешімдерге қарсы тұру үрдісі бар дәлелденген сенімділікті талап етеді. сияқты органдардың сертификаттарына сүйену Жұмыс уақыты институты маркетинг үшін тегін салқындату шешімдері үшін тағы бір кедергі жасайды, бекітілген сертификаты жоқ, коммерциялық провайдерлердің оларға күмәнмен қарауына әкеледі.

Дегенмен, корпоративті гипер-шкалалаушылардың арасында тұрақты салқындату үшін негізгі шешім ретінде еркін салқындату үрдісі бар. Осы технологияның үнемділігі мен операциялық артықшылықтарын мойындайтын компаниялардың саны өсіп келе жатқандықтан, біз алдағы 10-20 жылда корпоративті салқындатқыш деректер орталықтары пайда болады деп күтеміз.