Datu centra dzesēšanas evolūcija: no gaisa metodēm līdz bezmaksas dzesēšanai

Problēmas definīcija

Pieaugošais datu centru infrastruktūras pieaugums un vienlaikus IT iekārtu izmantošanas pieaugums ir izraisījis elektroenerģijas patēriņa pieaugumu.

Tā kā serveri, datu centru neatņemamas sastāvdaļas, darbības laikā pārvērš elektrību siltumā, mēs saskaramies ar augstām temperatūrām un vēsām datu centra telpām un iekārtām.

Spilgti atcerēsimies skolas fizikas pamatus: ievērojot termodinamikas pamatprincipus, enerģija nevis pazūd, bet tiek pārveidota. Tādējādi, ja datu centrs patērē 1 MW elektroenerģijas – viss šis enerģijas kvants tiek pārveidots līdzvērtīgā siltuma daudzumā. Līdz ar to, jo vairāk elektroenerģijas tiek patērēts, jo lielāks izaicinājums ir pārvaldīt iegūto siltumu datu centrā.

Situācija kļūst vēl sarežģītāka, jo IT aprīkojumam var būt dažādi enerģijas patēriņa līmeņi, vienlaikus atšķirīgu fizisko izmēru. Piemēram, iekārtām ar lielu enerģijas patēriņu var būt mazs izmērs, kas rada problēmas koncentrētā siltuma efektīvai dzesēšanai. Savukārt lielākas IT iekārtas ar salīdzinoši mērenu elektroenerģijas patēriņa rādītāju ir vieglāk atdzesējamas, pateicoties lielākai virsmai. Datu centros parasti atrodas dažādu izmēru un patēriņa līmeņu kombinācija, kas rada izaicinājumu ne tikai atdzesēt dažādu IT aprīkojumu, bet arī darīt to ar dažādu ātrumu, ko nosaka katra aprīkojuma veida temperatūras prasības. Lieki piebilst, ka līdzstrāvas dzesēšanai mums ir nepieciešams ievērojams elektroenerģijas daudzums, kas palielina darbības izmaksas.

Efektīvas enerģijas izmantošanas problēma datu centros kļūst īpaši aktuāla līdz ar elektroenerģijas cenu kāpumu pasaulē. Saskaņā ar Statistikas ziņojums elektroenerģijas cenas pasaulē pieauga līdz visu laiku maksimumam no 2021. līdz 2022. gadam. Kad COVID-19 veselības krīze 2021. gada otrajā pusē norimst, pieprasījums pēc enerģijas pieauga, un elektroenerģijas cenas sasniedza pirmo rekordaugstumu. 2022. gada sākumā enerģētikas tirgus atkal kļuva stingrāks un pastiprinājās enerģētikas krīze.

Datu centra elektroenerģijas patēriņš pieaug, neskatoties uz pieaugošo veiktspējas efektivitāti.

Citiem vārdiem sakot, lai gan veiktspēja uz vatu uzlabojas, pieprasījums pēc resursiem aug vēl straujāk, tāpēc neizbēgami palielinās kopējais patēriņš, kā arī izmaksas. Tomēr, optimizējot dzesēšanas sistēmas, var panākt ievērojamus izmaksu ietaupījumus. Tas lika man vēlēties padziļināti izpētīt efektīvas dzesēšanas metodes kopumā un jo īpaši brīvo dzesēšanu.

Enerģijas patēriņa līmeņa novērtējums datu centros parasti balstās uz enerģijas patēriņa efektivitātes (PUE) metriku. PUE mēra datu centra efektivitāti, novērtējot kopējo enerģijas patēriņu salīdzinājumā ar to, kas tiek izmantots tikai IT aprīkojumam. Mēs par to runāsim sīkāk nedaudz vēlāk. Mums tagad ir jāzina, ka zemāks PUE nozīmē efektīvāku datu centru, kas norāda uz mazāku paļaušanos uz neskaitļošanas jaudu. Ņemot vērā pieaugošo infrastruktūru un pieaugošo elektroenerģijas patēriņu, PUE optimizēšana ar efektīvākām dzesēšanas sistēmām nodrošina finansiālu piesardzību un ilgtspējīgu darbību.

Šajā rakstā mēs izpētīsim tradicionālās un novatoriskās dzesēšanas metodes un noskaidrosim, kuras no tām nodrošina maksimālu efektivitāti.

Dzesēšanas metožu pārskats

Gaiss un negaiss

Vienkāršotā klasifikācijā dzesēšanas paņēmienus var iedalīt divās galvenajās kategorijās: uz gaisu balstītas metodes un metodes, kas nav balstītas uz gaisu. Lai precizētu, gaisa dzesēšana ietver parastās pieejas, savukārt kategorijā bez gaisa ir dažādas metodes, kurās tiek izmantotas tādas vielas kā ūdens, eļļa vai cietie materiāli. Jāatzīmē, ka lielākā daļa dzesēšanas metožu, kas veido 99%, ietilpst gaisa dzesēšanas lietussargā.

Gaisa kondicionētāji

Gaisa kondicionēšanas sistēmas ir visizplatītākais gaisa dzesēšanas līdzeklis profesionālo datu centru iestatījumos. To pamatprincips atspoguļo dzīvojamo gaisa kondicionētāju principu: gaiss, kas plūst cauri serveriem, tiek cirkulēts caur gaisa kondicionieri, atdzesēts caur radiatora režģi un pēc tam atkal cirkulēts serveros. Šis cikliskais process nodrošina nepārtrauktu dzesēšanas mehānismu.

Dzesētāji

Pēc gaisa kondicionētājiem dzesētāji ir otrā visplašāk izmantotā dzesēšanas sistēma. Atšķirībā no gaisa kondicionētājiem dzesētājos tiek izmantots ūdens (vai ūdens bāzes risinājums), lai pārnestu siltumu no telpām, kurās nepieciešama klimata kontrole. Lai gan gaisa kondicionēšana ir vienkāršāka un parasti pieejamāka, tā augstākās enerģijas izmaksas dažkārt var atturēt uzņēmumus. No otras puses, atdzesēta ūdens sistēmas ir energoefektīvākas, taču to uzstādīšanai un apkopei ir nepieciešams vairāk komponentu un sarežģītības.

Adiabātiskās kameras un paklāji

Adiabātiskā dzesēšana ietver kameru vai paklāju izmantošanu, kur ielej un iztvaicē ūdeni. Kad ūdens iztvaiko, kameras un paklāji atdziest kopā ar gaisu. Lai gan adiabātiskā dzesēšana ir trešā dzīvotspējīgā iespēja, tā tiek uzskatīta par nedaudz eksotisku un nav tik bieži izmantota datu centru dzesēšanā, salīdzinot ar gaisa kondicionieriem un dzesētājiem.

Ūdens dzesēšana

Ūdens dzesēšanas sistēmās siltuma izkliedēšanai izmanto ūdeni vai ūdeni saturošus šķidrumus. Ūdens caurules ir stratēģiski novietotas serveru telpās, un katrs serveris ir savienots ar divām caurulēm - viena karstā ūdens aizplūšanai un otra aukstā ūdens ieplūdei. CPU, GPU un citu iekārtu radiatori ir tieši saistīti ar šo ūdens apgādes sistēmu. Šī pieeja ne tikai atdzesē datu centra aprīkojumu un telpas, bet arī rada siltā ūdens piegādi papildu vajadzībām.

Siltummaiņi

Šī metode uzlabo dzesēšanas efektivitāti, izmantojot ārējo auksto vidi.

Ja ir pieejams tuvumā esošs aukstuma avots, piemēram, ezers, jūra vai auksta zeme, ūdensvadus var ievietot tieši tajā, lai pārnestu lielu siltuma daudzumu no IT aprīkojuma.

Eksotika

Ir arī netradicionālas metodes. Viens no tiem ir balstīts uz Peltjē elementiem jeb termoelektriskajiem dzesētājiem (TEC). Šī pieeja balstās uz pusvadītāju efektiem un ietver elektrības padevi īpašai plāksnei, kas tiek apsildīta no vienas puses un atdzesēta no otras puses.

Vēl viena avangarda pieeja ir zemūdens datu centru izvietošana. In Microsoft projekts Natick Piemēram, 2018. gada pavasarī datu centrs tika iegremdēts 117 pēdu dziļumā Ziemeļu salās. Nākamo divu gadu laikā komanda veica stingru datu centra serveru testēšanu un uzraudzību. Tika apstiprināts, ka aizzīmogota konteinera novietošana uz okeāna dibena varētu uzlabot datu centra kopējo uzticamību, mazinot tādas problēmas kā korozija, temperatūras svārstības un fiziski traucējumi, kas parasti rodas uz sauszemes.

Bezmaksas dzesēšana

Šis paņēmiens ir īpaši paredzēts dzesēšanas efektivitātes maksimālai palielināšanai. Bezmaksas dzesēšana atsvaidzina gaisu datu centrā, nepaļaujoties uz tradicionālajām dzesēšanas sistēmām. Tas izmanto dabisko āra gaisu tādu, kāds tas ir. Parasti āra gaiss ir tikai pakļauts mitruma kontrolei, un tad dabiskie termodinamiskie procesi regulē temperatūru datu telpās.

Šī metode ievērojami samazina enerģijas patēriņu (par 75% līdz 92% mazāk, salīdzinot ar citām CRAH sistēmām), samazina oglekļa dioksīda emisijas un novērš nepieciešamību pēc ūdens dzesēšanas sistēmā.

Bezmaksas dzesēšana ir viena no videi draudzīgākajām izvēlēm, kas prasa mazāk enerģijas. Turklāt tas var palīdzēt ietaupīt izmaksas, jo 40% no datu centru izmantotās enerģijas tiek izmantota dzesēšanai. Šī sistēma uzlabo visu gaisa dzesēšanas iekārtu veiktspēju pat smagos apstākļos. Šeit ir vienkāršs bezmaksas dzesēšanas procesa vizuāls attēlojums:

Kā redzat, sistēma darbojas ļoti vienkārši, novirzot ārējo gaisu caur filtriem, IT aprīkojumu un izvadot to. Šis sarežģītības samazinājums, kā iespējamās ievainojamības ir tikai ventilatori, palielina līdzstrāvas kopējo uzticamību brīvai dzesēšanai.

Atšķirībā no sistēmām ar sarežģītu aprīkojumu, sarežģītu komponentu neesamība arī samazina gan sākotnējās iestatīšanas izmaksas, gan pastāvīgās uzturēšanas izmaksas. Tātad finansiālās priekšrocības sākas jau būvniecības stadijā, kur racionalizētais bezmaksas dzesēšanas dizains nozīmē taustāmus ietaupījumus.

Izvēles agonija

Konferenču un sanāksmju laikā es bieži saņemu daudzus jautājumus, kas ir saistīti ar paradoksu: ja bezmaksas dzesēšana ir tikpat izdevīga izmaksu ietaupījumu un vienkāršības ziņā, kāpēc tā nav vispārpieņemta nozarē?

Tas liek uzdot plašāku jautājumu, kāpēc, neraugoties uz priekšrocībām, tikai ierobežots skaits uzņēmumu ir izmantojuši bezmaksas dzesēšanu, bet citi turpina izmantot tradicionālās metodes. Atbilde uz to slēpjas daudzpusīgā dominējošās nozares dinamikas pārbaudē.

Rūpniecības diktatūra

Datu centru nozarē, kur uzticamība ir primāra, inovatīvu risinājumu pieņemšana bieži saskaras ar pretestību. Es to, pirmkārt, attiecinu uz līdzstrāvas nozares konservatīvo raksturu, kur lēmumu pieņēmēji dod priekšroku pārbaudītām koncepcijām, nevis inovatīviem risinājumiem.

Lai gan jaunās tehnoloģijas, piemēram, bezmaksas dzesēšana, sola rentabilitāti un efektivitāti, nozares pārstāvji drīzāk dotu priekšroku tradicionālām, taču uzticamām pieejām, lai nodrošinātu nevainojamu serveru darbību.

Mārketinga šķēršļi

Vēl viens šeit ir tas, ka komerciālie līdzstrāvas pakalpojumu sniedzēji, kas veido aptuveni 80% no nozares, paļaujas uz sertifikātiem no neatkarīgām iestādēm, piemēram, Uptime Institute lai reklamētu to uzticamību. Tomēr tas rada izaicinājumu bezmaksas dzesēšanas risinājumiem, jo ​​tiem vēl nav noteikta sertifikācija. Šī situācija liek komerciālajiem pakalpojumu sniedzējiem pretoties alternatīvām dzesēšanas metodēm, atsaucoties uz neskaidrībām par to uzticamību un sertifikācijas precedenta neesamību.

Bažas par globālo sasilšanu

Kritiķi bieži pauž bažas par globālās sasilšanas ietekmi uz brīvās dzesēšanas dzīvotspēju. Tomēr arguments tiek atspēkots, atzīstot globālās sasilšanas pakāpenisko raksturu ar aptuveni 1,5 grādu pieaugumu desmit gadu laikā. Šīs pieticīgās temperatūras izmaiņas tuvākajā laikā maz ticams, ka tas apdraudēs brīvās dzesēšanas risinājumu stabilitāti.

Arguments "tikai gadījumā".

Vēl viena izplatīta prakse uzņēmumiem, kas izvēlas līdzstrāvas dzesēšanas metodi, ir rezerves gaisa kondicionēšanas iekārtu iekļaušana kā piesardzības pasākums papildus bezmaksas dzesēšanai. Šis "katram gadījumam" arguments grauj brīvās dzesēšanas pamatkoncepciju, radot nevajadzīgu sarežģītību un apdraudot finansiālo un darbības efektivitāti.

Pat nelielam gaisa kondicionētājam rodas nepieciešamība nodrošināt dažādas sastāvdaļas, piemēram, freonu, vadus, šķidrumus, sistēmas un vadības ierīces. Tā vietā, lai pieņemtu ideju par rezerves gaisa kondicionētāju, nozarei būtu jākoncentrējas uz tās bezmaksas dzesēšanas sistēmas pielāgošanu dažādiem apstākļiem, nepaļaujoties uz nepatiesām cerībām.

Reāli riski un apsvērumi

Apsverot bezmaksas dzesēšanas risinājumu, ir jāpievērš uzmanība dažiem taustāmiem riskiem un apsvērumiem. Viens no galvenajiem apsvērumiem ir ģeogrāfiskais reģions, jo bezmaksas dzesēšanas ieviešana tādā reģionā kā Arābu Emirāti var nebūt attaisnojama.

Pieejamība ir vēl viens aspekts, kas jāpatur prātā. Izvēlētajam reģionam ir jābūt ar nepieciešamo infrastruktūru, un tas ir viegli sasniedzams specializētam personālam, kura uzdevums ir nodrošināt datu centra apkopi. Svarīga ir arī savienojamība, tostarp optisko līniju pieejamība. Piemēram, brīvas dzesēšanas datu centra izveide aiz polārā loka kļūst nepraktiska, jo nav sakaru līniju un ir izaicinājums uzturēt kvalificētu darbaspēku.

Papildus šiem loģistikas apsvērumiem vienīgie bezmaksas dzesēšanas ierobežojumi attiecas uz reģiona maksimālo temperatūru (apmēram 38–40 grādi) un gaisa kvalitāti. Problēmas var radīt apgabali ar pārmērīgu piesārņojumu, piemēram, tie, kas atrodas netālu no noslogotām lielceļiem vai intensīvām lauksaimniecības darbībām. Lai gan nav tieša aizlieguma, filtri šādās vietās būs bieži jāmaina. Atšķirībā no parastajiem gaisa kondicionētajiem datu centriem, kuros cirkulē iekšējais gaiss, brīvas dzesēšanas centri ievelk āra gaisu, prasot rūpīgāku filtru apkopi. Citi atrašanās vietas parametri atbilst tiem, kas piemērojami tradicionālajiem datu centriem.

Pionieri un nākotnes tendences

Neskatoties uz nozares konservatīvo raksturu, daži tālredzīgi korporatīvie uzņēmumi novērtē alternatīvu taustāmos ieguvumus. Aprēķinot bezmaksas dzesēšanas izmaksu efektivitāti, izmantojot skaitlisku analīzi, viņi apzinās iespējamos izmaksu ietaupījumus.

Vairāki ievērojami uzņēmumi, piemēram, Facebook (tagad Meta), Google, Amazon, Yandex un Wildberries, ir pionieri bezmaksas dzesēšanas tehnoloģijas ieviešanā. Viņu vadošais statuss izriet no viņu vēlmes novērtēt riskus un apzināties šai tehnoloģijai raksturīgās finansiālās priekšrocības. Šo uzņēmumu izvēle bija skaidra — vai nu izvēlēties parastās shēmas un uzņemties lielākas izmaksas, vai uzņemties riskus un ieguvumus, kļūstot par datu centru dzesēšanas pionieriem.

Nozares attīstības ainava liecina par pieaugošu tendenci korporatīvo hipermērotāju vidū ieviest bezmaksas dzesēšanas risinājumus. Tā kā arvien vairāk uzņēmumu atzīst šīs tehnoloģijas rentabilitāti un darbības priekšrocības, ir paredzams, ka nākotnē parādīsies arvien vairāk dzesēšanas datu centru bez korporatīvajiem uzņēmumiem.

Ja vēlaties uzzināt vairāk par bezmaksas dzesēšanas fiziku, izpētiet šo tēmu manā jaunajā rakstā Free Cooling: Technology Deep Dive.