Duomenų centrų aušinimo evoliucija: nuo oru naudojamų metodų iki nemokamo aušinimo

Problemos apibrėžimas

Didėjantis duomenų centrų infrastruktūros augimas ir kartu didėjantis IT įrangos panaudojimas lėmė elektros energijos suvartojimo padidėjimą.

Kadangi serveriai, neatsiejami duomenų centrų komponentai, veikdami elektrą paverčia šiluma, susiduriame su aukštų temperatūrų ir vėsių duomenų centro patalpų bei įrangos problema.

Greitai prisiminkime mokyklinės fizikos pagrindus: laikantis pagrindinių termodinamikos principų, energija ne išnyksta, o virsta. Taigi, jei duomenų centras suvartoja 1 MW elektros energijos – visas šis energijos kvantas paverčiamas lygiaverčiu šilumos kiekiu. Vadinasi, kuo daugiau sunaudojama elektros energijos, tuo didesnis iššūkis valdyti gaunamą šilumą duomenų centre.

Situacija tampa dar sudėtingesnė, nes IT įranga gali turėti skirtingą energijos suvartojimą, o fiziniai dydžiai yra skirtingi. Pavyzdžiui, daug energijos suvartojanti įranga gali būti mažo dydžio, todėl gali kilti problemų efektyviai aušinant koncentruotą šilumą. Kita vertus, didesnė IT įranga, kurios elektros energijos suvartojimas palyginti nedidelis, yra lengviau vėsinamas dėl didesnio paviršiaus ploto. Duomenų centruose paprastai yra įvairių dydžių ir sunaudojimo lygių įrangos, todėl kyla iššūkis ne tik aušinti įvairią IT įrangą, bet ir tai daryti skirtingu greičiu, kurį lemia kiekvieno įrangos tipo temperatūros reikalavimai. Nereikia nė sakyti, kad nuolatinei srovei aušinti mums reikia daug elektros energijos, o tai padidina veiklos sąnaudas.

Efektyvaus energijos naudojimo duomenų centruose problema ypač aktuali pasauliniu mastu kylant elektros kainoms. Pagal Statistos ataskaita 2021–2022 m. pasaulinės elektros kainos pakilo iki visų laikų maksimumo. 2021 m. antrąjį pusmetį atslūgus COVID-19 sveikatos krizei, padidėjo energijos poreikis, o elektros kainos pasiekė pirmąjį rekordą. 2022 metų pradžioje energetikos rinka vėl sustiprėjo, sustiprėjo energetikos krizė.

Duomenų centrų elektros energijos suvartojimas auga nepaisant didėjančio veikimo efektyvumo.

Kitaip tariant, nors našumas vienam vatui gerėja, išteklių paklausa auga dar greičiau, todėl neišvengiamai didėja bendras suvartojimas ir sąnaudos. Tačiau optimizuojant aušinimo sistemas galima žymiai sutaupyti. Dėl to norėjau giliau pažvelgti į efektyvius vėsinimo būdus apskritai ir ypač į laisvą aušinimą.

Duomenų centrų energijos suvartojimo lygių vertinimas paprastai remiasi energijos vartojimo efektyvumo (PUE) metrika. PUE įvertina duomenų centro efektyvumą, įvertindamas bendrą energijos suvartojimą, palyginti su suvartotu tik IT įrangai. Išsamiau apie tai pakalbėsime šiek tiek vėliau. Dabar turime žinoti, kad mažesnis PUE reiškia efektyvesnį duomenų centrą, o tai rodo, kad mažiau priklausoma nuo ne skaičiavimo galios. Augant infrastruktūrai ir didėjančiam elektros suvartojimui, PUE optimizavimas naudojant efektyvesnes aušinimo sistemas užtikrina finansinį atsargumą ir tvarias operacijas.

Šiame straipsnyje išnagrinėsime tradicinius ir novatoriškus aušinimo būdus ir išsiaiškinsime, kurie iš jų užtikrina didžiausią efektyvumą.

Aušinimo metodų apžvalga

Oras ir ne oras

Supaprastintoje klasifikacijoje aušinimo technologijas galima suskirstyti į dvi pagrindines kategorijas: oru pagrįstus ir ne oro būdus. Aušinimas oru apima įprastinius metodus, o ne oro kategorija apima įvairius metodus, kuriuose naudojamos tokios medžiagos kaip vanduo, aliejus ar kietos medžiagos. Pastebėtina, kad didžioji dauguma, ty 99 %, vėsinimo būdų patenka į oro aušinimo skėtį.

Oro kondicionieriai

Oro kondicionavimo sistemos yra labiausiai paplitusi oro aušinimo priemonė profesionaliuose duomenų centruose. Jų pagrindinis principas atspindi gyvenamųjų oro kondicionierių principą: per serverius tekantis oras cirkuliuoja per oro kondicionierių, aušinamas per radiatoriaus groteles, o tada grįžta atgal į serverius. Šis ciklinis procesas užtikrina nuolatinį aušinimo mechanizmą.

Aušintuvai

Po oro kondicionierių aušintuvai yra antra labiausiai paplitusi aušinimo sistema. Skirtingai nuo oro kondicionierių, aušintuvuose naudojamas vanduo (arba vandens pagrindu pagamintas tirpalas), kad šiluma būtų pašalinta iš patalpų, kuriose reikalinga klimato kontrolė. Nors oro kondicionavimas yra paprastesnis ir paprastai įperkamesnis, jo didesnės energijos sąnaudos kartais gali atgrasyti įmones. Kita vertus, vėsinto vandens sistemos taupo energiją, tačiau jas montuojant ir prižiūrint reikia daugiau komponentų ir sudėtingumo.

Adiabatinės kameros ir kilimėliai

Adiabatinis aušinimas apima kamerų arba kilimėlių, kuriuose pilamas ir išgarinamas vanduo, naudojimą. Vandeniui išgaruojant, kameros ir kilimėliai atvėsta kartu su viduje esančiu oru. Nors adiabatinis vėsinimas yra trečia perspektyvi galimybė, jis laikomas šiek tiek egzotišku ir nėra taip dažnai naudojamas duomenų centro vėsinimui, palyginti su oro kondicionieriais ir aušintuvais.

Vandens aušinimas

Vandens aušinimo sistemose šilumai išsklaidyti naudojamas vanduo arba vandens turintys skysčiai. Vandens vamzdžiai yra strategiškai išdėstyti serverių patalpose, kiekvienas serveris prijungtas prie dviejų vamzdžių – vieno karšto vandens nutekėjimui, o kito šalto vandens tiekimui. CPU, GPU ir kitos įrangos radiatoriai yra tiesiogiai prijungti prie šios vandens tiekimo sistemos. Šis metodas ne tik vėsina duomenų centro įrangą ir patalpas, bet ir generuoja šilto vandens tiekimą papildomam naudojimui.

Šilumokaičiai

Šis metodas padidina aušinimo efektyvumą, nes panaudoja išorinę šaltą aplinką.

Kai yra šalia esantis šalčio šaltinis, pvz., ežeras, jūra ar šalta žemė, vandens vamzdžiai gali būti įvedami tiesiai į jį, kad būtų perduodami dideli IT įrangos šilumos kiekiai.

Egzotika

Yra ir netradicinių metodų. Vienas iš jų yra pagrįstas Peltier elementais arba termoelektriniais aušintuvais (TEC). Šis metodas remiasi puslaidininkių efektais ir apima elektros tiekimą į specialią plokštę, kurios viena pusė yra šildoma, o kita - aušinama.

Kitas avangardinis metodas yra povandeninių duomenų centrų diegimas. Į „Microsoft“ projektas „Natick“. Pavyzdžiui, 2018 m. pavasarį duomenų centras buvo panardintas 117 pėdų gylyje Šiaurės salose. Per kitus dvejus metus komanda atliko kruopštų duomenų centro serverių testavimą ir stebėjimą. Buvo patvirtinta, kad sandarios talpyklos padėjimas ant vandenyno dugno gali padidinti bendrą duomenų centro patikimumą, nes sumažina tokias problemas kaip korozija, temperatūros svyravimai ir fiziniai trikdžiai, kurie paprastai atsiranda sausumoje.

Nemokamas aušinimas

Ši technika ypač skirta maksimaliai padidinti aušinimo efektyvumą. Nemokamas vėsinimas atnaujina orą duomenų centre, nepasitikėdamas tradicinėmis aušinimo sistemomis. Jis naudoja natūralų lauko orą tokį, koks jis yra. Paprastai lauko oras yra tiesiog kontroliuojamas drėgmės, o tada natūralūs termodinaminiai procesai reguliuoja temperatūrą duomenų patalpose.

Šis metodas žymiai sumažina energijos sąnaudas (nuo 75% iki 92% mažiau, palyginti su kitomis CRAH sistemomis), sumažina anglies dvideginio emisiją ir pašalina vandens poreikį aušinimo sistemoje.

Nemokamas vėsinimas yra vienas ekologiškiausių pasirinkimų, kuriam reikia mažiau energijos. Be to, tai gali padėti sutaupyti išlaidų, nes 40 % duomenų centrų sunaudojamos energijos skiriama vėsinimui. Ši sistema pagerina visos oru aušinamos įrangos veikimą net ir sudėtingomis sąlygomis. Štai paprastas vaizdinis laisvo aušinimo proceso vaizdas:

Kaip matote, sistema veikia labai paprastai, nukreipdama lauko orą per filtrus, IT įrangą ir išstumdama. Sumažėjęs sudėtingumas, kai potencialūs pažeidžiamumai yra tik ventiliatoriai, padidina bendrą nuolatinės srovės patikimumą esant laisvam aušinimui.

Skirtingai nuo sistemų su sudėtinga įranga, sudėtingų komponentų nebuvimas taip pat sumažina pradinės sąrankos ir nuolatinės priežiūros išlaidas. Taigi finansiniai pranašumai prasideda jau statybų etape, kai supaprastintas nemokamo vėsinimo dizainas leidžia sutaupyti apčiuopiamų lėšų.

Pasirinkimo agonija

Konferencijų ir susitikimų metu dažnai sulaukiu daugybės klausimų, kurie sukasi apie paradoksą: jei nemokamas vėsinimas yra toks pat naudingas, kaip sutaupyti ir supaprastinti, kodėl jis nėra visuotinai priimtas pramonėje?

Tai sukelia platesnį klausimą, kodėl, nepaisant jo pranašumų, tik ribotas skaičius įmonių naudojasi nemokamu vėsinimu, o kitos ir toliau naudojasi įprastiniais metodais. Atsakymas į šį klausimą slypi įvairiapusiame vyraujančios pramonės dinamikos tyrime.

Pramonės diktatūra

Duomenų centrų pramonėje, kur patikimumas yra svarbiausia, naujoviškų sprendimų priėmimas dažnai susiduria su pasipriešinimu. Visų pirma tai priskiriu konservatyviam nuolatinės srovės pramonės pobūdžiui, kai sprendimus priimantys asmenys teikia pirmenybę patikrintoms koncepcijoms, o ne novatoriškiems sprendimams.

Nors naujos technologijos, tokios kaip nemokamas aušinimas, žada ekonomiškumą ir efektyvumą, pramonės atstovai mieliau renkasi tradicinius, tačiau patikimus metodus, kad užtikrintų sklandų serverių veikimą.

Rinkodaros kliūtys

Kitas dalykas yra tai, kad komerciniai nuolatinės srovės tiekėjai, sudarantys apie 80 % pramonės, remiasi nepriklausomų institucijų, tokių kaip Uptime Institute reklamuoti jų patikimumą. Tačiau tai yra iššūkis nemokamo vėsinimo sprendimams, nes jiems dar nėra nustatyto sertifikavimo. Dėl šios padėties komerciniai paslaugų teikėjai priešinasi alternatyviems aušinimo būdams, motyvuodami jų patikimumu ir sertifikavimo precedento nebuvimu.

Susirūpinimas dėl visuotinio atšilimo

Kritikai dažnai kelia susirūpinimą dėl visuotinio atšilimo poveikio laisvo vėsinimo gyvybingumui. Tačiau argumentas paneigiamas pripažįstant laipsnišką visuotinio atšilimo pobūdį, kai per dešimtmetį jis padidės apytiksliai 1,5 laipsnio. Mažai tikėtina, kad šis nedidelis temperatūros pokytis artimiausiu metu pakenks laisvo aušinimo sprendimų stabilumui.

Argumentas „tik tuo atveju“.

Dar viena įprasta praktika įmonėms, kurios renkasi nuolatinės srovės vėsinimo metodą, yra atsarginių oro kondicionavimo įrenginių įtraukimas kaip atsargumo priemonė, be nemokamo vėsinimo. Šis „tik tuo atveju“ argumentas pažeidžia pagrindinę laisvo aušinimo koncepciją, sukuria nereikalingą sudėtingumą ir kenkia finansiniam bei veiklos efektyvumui.

Net ir nedideliam oro kondicionieriui iškyla būtinybė pateikti įvairius komponentus, tokius kaip freonas, laidai, skysčiai, sistemos ir valdikliai. Užuot prisiėmusi idėją turėti atsarginį oro kondicionierių, pramonė turėtų sutelkti dėmesį į laisvo aušinimo sistemos pritaikymą įvairioms sąlygoms, nepasikliaujant klaidingomis viltimis.

Tikroji rizika ir svarstymai

Svarstant apie nemokamo vėsinimo sprendimą, reikia atkreipti dėmesį į kai kurias apčiuopiamas rizikas ir aplinkybes. Vienas iš svarbiausių aspektų yra geografinis regionas, nes nemokamo aušinimo diegimas tokiame regione kaip Arabų Emyratai gali būti nepateisinamas.

Prieinamumas yra dar vienas aspektas, kurį reikia turėti omenyje. Pasirinktas regionas turi turėti reikiamą infrastruktūrą ir būti lengvai pasiekiamas specializuoto personalo, kuriam pavesta prižiūrėti duomenų centrą. Taip pat svarbus yra ryšys, įskaitant optinių linijų prieinamumą. Pavyzdžiui, už poliarinio rato įrengti laisvo aušinimo duomenų centrą tampa nepraktiška dėl ryšio linijų nebuvimo ir iššūkio išlaikyti kvalifikuotą darbo jėgą.

Be šių logistinių sumetimų, vieninteliai nemokamo vėsinimo apribojimai yra susiję su maksimalia regiono temperatūra (apie 38–40 laipsnių) ir oro kokybe. Vietovės, kuriose yra per daug užterštumo, pavyzdžiui, šalia judrių greitkelių arba intensyvios žemės ūkio veiklos, gali kelti problemų. Nors nėra aiškaus draudimo, filtrus tokiose vietose reikės dažnai keisti. Skirtingai nuo įprastų oro kondicionuojamų duomenų centrų, kuriuose cirkuliuoja vidinis oras, laisvo aušinimo centrai įsiurbia išorinį orą, todėl reikia kruopštesnės filtrų priežiūros. Kiti vietos parametrai atitinka tradiciniams duomenų centrams taikomus parametrus.

Pionieriai ir ateities tendencijos

Nepaisant konservatyvaus pramonės pobūdžio, kai kurios į ateitį žiūrinčios korporacinės įmonės įvertina apčiuopiamą alternatyvų naudą. Skaičiuodami nemokamo aušinimo ekonomiškumą, atlikdami skaitmeninę analizę, jie suvokia galimą išlaidų sutaupymą.

Kelios žinomos įmonės, tokios kaip „Facebook“ (dabar „Meta“, „Google“, „Amazon“, „Yandex“ ir „Wildberrys“, yra nemokamo aušinimo technologijos pradininkės). Jų pirmaujantis statusas kyla iš jų noro įvertinti riziką ir pripažinti šios technologijos finansinius pranašumus. Šių įmonių pasirinkimas buvo aiškus – arba pasirinkti įprastas schemas ir patirti didesnes išlaidas, arba rizikuoti ir prisiimti naudą tapdamos duomenų centrų aušinimo pionieriais.

Besivystantis pramonės kraštovaizdis rodo didėjančią tendenciją tarp įmonių didelio masto kūrėjų diegti nemokamo vėsinimo sprendimus. Kadangi vis daugiau įmonių pripažįsta šios technologijos ekonomiškumą ir veiklos pranašumus, tikimasi, kad ateityje atsiras vis daugiau vėsinimo duomenų centrų be įmonių.

Jei norite sužinoti daugiau apie nemokamo aušinimo fiziką, tyrinėkite temą mano naujame straipsnyje Nemokamas vėsinimas: Technologijos gilus nardymas.