Datu centra efektivitātes optimizēšana: dziļa iedziļināšanās brīvās dzesēšanas metodēs

Iepriekšējā rakstā mēs apspriedām datu centra infrastruktūras straujo paplašināšanos un tās izraisīto elektroenerģijas patēriņa pieaugumu. Tā kā serveri darbības laikā pārvērš elektroenerģiju siltumā, augstas temperatūras un datu centra iekārtu un aprīkojuma dzesēšana kļūst par galveno problēmu. DC komandām.

Lai gan tradicionālās dzesēšanas metodes, tostarp gaisa kondicionētāji un dzesētāji, efektīvi atdzesē datu centra telpas un serverus, to dārgums joprojām ir būtisks trūkums. Bezmaksas dzesēšana atšķirībā no tradicionālajām metodēm neprasa ievērojamus ieguldījumus, bet nodrošina tādu pašu efektivitātes un uzticamības līmeni. Šajā rakstā es sniegšu detalizētu pārskatu par bezmaksas dzesēšanas tehnoloģiju, izceļot tās priekšrocības, ierobežojumus un prasības veiksmīgai ieviešanai.

Brīvās dzesēšanas fizika

Lai saprastu brīvās dzesēšanas fiziku, mums būs jāpārskata siltumenerģijas formula:

Q = mcΔT

Šeit “Q” apzīmē iegūtā vai zaudētā siltuma daudzumu, “m” apzīmē parauga masu (mūsu gadījumā gaisa masu datu centrā), “c” apzīmē gaisa īpatnējo siltumietilpību, un ΔT apzīmē temperatūras starpību.

Datu centrā galvenais siltuma avots ir centrālais procesors. Parasti ir 2 līdz 4 CPU, katrs strādā ar aptuveni 200 vatiem. Kā minēts iepriekš, visa CPU patērētā elektriskā enerģija tiek pārvērsta siltumā. Tāpēc, piemēram, ar 2 CPU mēs ģenerējam 400 vatus siltuma, kas ir jāizkliedē. Tagad mūsu mērķis ir noteikt šim nolūkam nepieciešamo gaisa daudzumu.

Parametrs ΔT jeb temperatūras starpība norāda, ka jo zemāka ir āra gaisa temperatūra, jo mazāka gaisa masa ir nepieciešama CPU atdzesēšanai. Piemēram, ja ieplūdes gaisa temperatūra ir 0°C un izplūdes temperatūra ir 35°C, ΔT būtu tikai 35, kas nozīmē diezgan zemāku prasību pēc gaisa masas. Tomēr vasaras sezonā dzesēšana kļūst grūtāka, jo paaugstinās apkārtējās vides temperatūra. Jo augstāka āra temperatūra, jo lielāks gaisa daudzums būs nepieciešams serveru dzesēšanai.

Servera un tīkla komponentu temperatūras ierobežojumi

Lai gan bezmaksas dzesēšana var būt efektīva mērenā un aukstā klimatā, tai joprojām ir ierobežojumi servera komponentu temperatūras ierobežojumu dēļ. IT un tīkla aprīkojuma kritiskajiem komponentiem, piemēram, procesoriem, RAM, HDD, SSD un NVMe diskdziņiem, ir darbības temperatūras prasības:

• Procesori: max 89°C
• RAM: max 75°C
• Cietie diski: max 50°C
• SSD un NVMe diskdziņi: max 47-48°C

Šie ierobežojumi tieši ietekmē āra gaisa temperatūru piemērotību dzesēšanai. Bezmaksas dzesēšana nebūtu izdevīga reģionos, kur āra temperatūra pārsniedz šos sliekšņus vai pat pietuvojas tiem, jo tas var sabojāt sistēmu pārkaršanas dēļ. Reģionālie ierobežojumi

Kā jau paskaidrojām, āra temperatūrai pastāvīgi jāpaliek zemākai par IT aprīkojuma maksimālo darba temperatūru, lai brīvā dzesēšana būtu efektīva. Tam ir rūpīgi jāapsver līdzstrāvas atrašanās vietas klimatiskie apstākļi. Organizācijām ir jāanalizē ilgtermiņa laika prognozes, lai nodrošinātu, ka temperatūra nepārsniedz nepieciešamos sliekšņus pat noteiktās dienās vai stundās. Turklāt, ņemot vērā datu centru ilgo kalpošanas laiku (parasti 10–15 gadi), globālās sasilšanas ietekme būtu jāņem vērā arī lēmumos par atrašanās vietu.

Servera mezgla arhitektūras prasības

Fizikas kontekstā efektīvas dzesēšanas nodrošināšana serveros ir atkarīga no plašas gaisa plūsmas nodrošināšanas caur sistēmu. Svarīga loma šajā procesā ir servera arhitektūrai.

Un otrādi, serveri, kuriem nav atbilstošu dizaina elementu, piemēram, perforācijas vai atveres, var kavēt gaisa plūsmu, potenciāli apdraudot brīvās dzesēšanas mehānisma kopējo efektivitāti.

Mitruma kontrole

Mitruma līmenis ir vēl viens kritisks apsvērums, kad runa ir par brīvu dzesēšanu. Tā kā mēs nekontrolējam ārējos mitruma apstākļus, rodas divi būtiski jautājumi: pirmkārt, datu centra (DC) mitruma līmeņa tuvošanās vai lielāka par 100%; otrkārt, ļoti zema gaisa mitruma scenāriju risināšana, piemēram, salnā februāra dienā, kad āra temperatūra ir -30°C un relatīvais mitrums svārstās no 2% līdz 5%. Sistemātiski izpētīsim šīs situācijas.

Paaugstināta mitruma apstākļos pastāv kopīgas bažas par iespējamu kondensāta rašanos un tā nelabvēlīgo ietekmi uz iekārtu funkcionalitāti. Pretēji šīm bažām, līdzstrāvas dzesēšanas zonās, kur notiek dzesēšanas process, kondensāts ir izslēgts. Tas ir saistīts ar principu, ka, siltam, mitram gaisam saskaroties ar aukstākām virsmām, veidojas kondensāts. Tomēr līdzstrāvas brīvās dzesēšanas sistēmā neviens elements nav aukstāks par apkārtējo gaisu. Līdz ar to kondensācija pēc būtības tiek kavēta, novēršot vajadzību pēc proaktīviem pasākumiem.

Savukārt, saskaroties ar zemu mitruma līmeni, bažas pāriet uz statiskās elektrības veidošanos, radot draudus aprīkojuma stabilitātei. Šī problēma nav saistīta ar kondensāciju, bet tai ir nepieciešams īpašs risinājums. Mīkstināšana ietver zemējuma procedūras un specializēta grīdas pārklājuma uzklāšanu. Šie pasākumi atbilst noteiktajām metodēm iekšējā aprīkojuma aizsardzībai pret statisko elektrību. Iezemējot konstrukcijas elementus, statīvus un IT aprīkojumu, statiskais lādiņš tiek nekaitīgi izkliedēts zemē, saglabājot iekārtas integritāti.

Dabiskajā klimatā ārkārtīgi augsta vai zema mitruma gadījumi ir reti. Ievērojami izņēmumi ir tādi reti gadījumi kā pērkona negaiss, kas jūlijā sasniedz 100% mitrumu, vai stiprs sals, kas izraisa ļoti zemu mitruma līmeni. Tomēr lielāko daļu laika mitruma līmenis saglabājas pieņemamās robežās, kas nerada nekādu kaitējumu iekārtai pat tad, ja netiek veikta aktīva iejaukšanās.

Gaisa daudzums un ātrums

Kā mēs jau runājām, efektīvai dzesēšanai ir nepieciešams ievērojams ārējā gaisa daudzums. Vienlaikus parādās šķietami pretintuitīva prasība – uzturēt zemu gaisa plūsmu ēkā. Šis šķietamais paradokss sakņojas izaicinājumos, ko rada ātrgaitas gaisa straumes, kas cirkulē iekšienē.

Lai vienkāršotu, iedomājieties lielu gaisa ātrumu kā spēcīgu straumi no caurules, radot virpuļus un turbulenci ap IT aprīkojumu. Šī turbulence var izraisīt neregulāras gaisa kustības un lokālu pārkaršanu. Lai to risinātu, mēs stratēģiski cenšamies panākt vispārēju zemu gaisa ātrumu 1–2 metri sekundē visā telpā.

Šī kontrolētā gaisa ātruma uzturēšana ļauj mums novērst turbulenci. Lielāks ātrums varētu radīt gaisa kustības nelīdzenumus. Ievērojot diapazonu 1-2 metri sekundē, mēs veicinām vienmērīgu, vienmērīgu gaisa plūsmu, izvairoties no lokālas pārkaršanas. Šis smalkais līdzsvars nodrošina optimālu IT aprīkojuma dzesēšanu, izvairoties no slazdiem, kas saistīti ar ātrgaitas gaisa plūsmām.

Kā redzams, brīvās dzesēšanas pieeja ir vērsta uz efektīvu ārējā gaisa izmantošanu, vienlaikus izvirzot prioritāti kontrolētam zemam iekšējam gaisa ātrumam. Šī apzinātā stratēģija palīdz uzturēt lamināru un vienmērīgu gaisa plūsmu, nodrošinot IT iekārtu dzesēšanas efektivitāti.

Ēkas koncepcija

Brīvās dzesēšanas paradigmā tradicionālie gaisa vadi netiek izmantoti ēkas konstrukcijā. Atšķirībā no parastajiem iestatījumiem ar īpašiem gaisa vadiem sienās, griestos vai noteiktās vietās, datu apstrādes centri izmanto netradicionālu pieeju. Pati ēka ir iecerēta kā gaisa vads, padarot tradicionālās gaisa kondicionēšanas iekārtas novecojušas. Šo gaisa vadu milzīgais mērogs pārvērš tos par neatņemamām telpu un grīdu sastāvdaļām.

Gaisa plūsmas process sākas, kad ēkā ieplūst ārējais gaiss, kas iziet cauri divu veidu filtriem – rupjiem filtriem un smalkajiem filtriem. Kad gaiss tiek attīrīts, tas ar ventilatoru palīdzību tiek virzīts plašos ēkas apjomos, kas aptuveni atbilst četru stāvu augstumam. Šis ievērojamais apjoms kalpo savam mērķim: palēnināt gaisa plūsmu, samazinot tās ātrumu līdz vajadzīgajam diapazonam 1-2 metri sekundē. Pēc tam gaiss nolaižas uz mašīntelpu.

Pēc mašīntelpas šķērsošanas gaiss turpina ceļu caur IT plauktiem, virzoties uz karsto eju. No turienes tas nonāk karstā gaisa kolektorā, pirms tiek izvadīts ārā caur izplūdes ventilatoriem. Šis strukturētais gaisa plūsmas ceļš nodrošina efektīvu dzesēšanas procesu, vienlaikus saglabājot kontrolētu gaisa ātrumu.

Gaisa ātrums un skaļums

Apzināta dizaina izvēle, izmantojot ekspansīvus ēku apjomus, kalpo diviem mērķiem. Pirmkārt un galvenokārt, tas ļauj pakāpeniski samazināt gaisa ātrumu, nodrošinot, ka gaisa plūsma sasniedz vēlamo ātrumu 1-2 metri sekundē. Šis kontrolētais gaisa ātrums ir būtisks, lai novērstu turbulenci un uzturētu lamināru plūsmu, kas ir īpaši svarīgi, jo gaiss virzās caur jutīgām IT iekārtām. Otrkārt, ievērojamais tilpums nodrošina nepieciešamo gaisa daudzumu, lai efektīvi izkliedētu radīto siltumu. Gaisa ātruma un skaļuma sinhronizētā mijiedarbība veicina sistēmas vispārējos panākumus.

Diferenciālais spiediens kā vienīgais vadības virzītājspēks

Izmantojot bezmaksas dzesēšanas iestatījumu, mēs nevaram kontrolēt ārējo gaisa temperatūru, kā rezultātā datu centrā (DC) nonāk gaisa temperatūras svārstības. Neskatoties uz to, ir svarīgi novērtēt nepieciešamo gaisa plūsmu iekārtu dzesēšanai. Lai to atrisinātu, mēs paļaujamies uz diferenciālā spiediena metodi.

Katrā IT plauktā serveri ar iekšējiem ventilatoriem darbojas dažādos ātrumos, kopā radot diferenciālo spiedienu starp statīva priekšpusi un aizmuguri. Ar daudziem serveriem, no kuriem katrs nodrošina kopējo gaisa plūsmu, šī spiediena starpība pakāpeniski palielinās starp aukstajām un karstajām ejām. Izmantojot spiediena sensorus abās ejās un ārpus līdzstrāvas ēkas, mēs varam izmērīt šo diferenciālo spiedienu.

Aprēķins ietver spiediena sensora datu atņemšanu karstajā ejā no atmosfēras spiediena un spiediena sensora datu atņemšanu aukstajā ejā no atmosfēras spiediena. Tādējādi, kā parādīts zemāk esošajā piemērā:

Reālās pasaules piemērs

Rezultātā iegūtās vērtības palīdz mums noteikt nepieciešamo gaisa padevi līdzstrāvai un nepieciešamo izplūdi, lai kompensētu servera ventilatoru darbību. Vienkāršāk sakot, mēs novērtējam savas gaisa plūsmas vajadzības, pamatojoties uz spiediena starpībām, ļaujot mums efektīvi pārvaldīt dzesēšanas procesu līdzstrāvas sistēmā.

Apkures un maisīšanas kamera

Tradicionālās apkures sistēmas parasti netiek ieviestas datu centros ar bezmaksas dzesēšanu. Ūdens izmantošana tiek uzskatīta par neracionālu izmaksu un iespējamo aprīkojuma risku dēļ. Tas rada izaicinājumu ārkārtēja aukstuma laikā, ārā sasniedzot -20–30 grādus. Lai gan aprīkojums ar to tiek galā labi, inženieri meklē maigāku pieeju. Elegantākais un loģiskākais risinājums šeit ir IT iekārtu radītā karstā gaisa atkārtota izmantošana. Karsto gaisu no serveriem novadot maisīšanas kamerā un daļu no tā atgriežot galvenajā gaisa strāvā, sistēma uztur telpas siltas ziemā un ļauj ietaupīt izmaksas par apkuri.

Vienkāršība un uzticamība

Galvenā tēze uzticamības teorijā apgalvo, ka vienkāršība rada uzticamību. Tas attiecas uz bezmaksas dzesēšanas sistēmu, kas ir ļoti vienkārša koncepcija. Sistēma darbojas kā barikāde, kas caur filtriem izvada gaisu no ārpuses, izlaiž cauri IT iekārtām un pēc tam vienkārši izspiež.

Sarežģītu sistēmu trūkums palielina uzticamību, un tikai ventilatori rada ievainojamību karstā laikā. Brīvās dzesēšanas pieeja ir radikāla sistēmas vienkāršošanas piemērs, būtiski uzlabojot uzticamību, samazinot elementu skaitu.

DC fani pret servera faniem

Ventilatoru hierarhiskā autoritāte ir vēl viens būtisks jautājums par gaisa plūsmas dinamiku DC. Kā mēs jau apspriedām, ir liela mēroga ventilatori DC līmenī un servera līmenī. Jautājums ir: vai datu centra ventilatori tikai piegādā gaisu, ļaujot servera ventilatoriem patērēt tik daudz, cik nepieciešams? Vai arī pieprasījums rodas no serveru faniem, liekot DC faniem izpildīt viņu prasības?

Mehānisms ir šāds: šajā procesā dominējošā loma ir servera ventilatoriem, kas nosaka nepieciešamo gaisa plūsmu. Pēc tam līdzstrāvas ventilatori reaģē, piegādājot nepieciešamo gaisa daudzumu. Kļūst skaidrs, ka, ja kopējais pieprasījums no visiem serveriem pārsniedz līdzstrāvas ventilatora padeves jaudu, tas var izraisīt iespējamu pārkaršanu.

Tātad atbilde ir tāda, ka serveru faniem ir prioritāte šajā dinamikā. Viņi organizē gaisa plūsmu, norādot nepieciešamo gaisa daudzumu.

Efektivitāte un PUE aprēķins

Lai novērtētu līdzstrāvas projekta efektivitāti, tradicionāli tiek izmantots Power Usage Effectiveness (PUE) aprēķins. PUE formula ir kopējās iekārtas jaudas attiecība pret IT aprīkojuma jaudu:

PUE = kopējā iekārtas jauda / IT aprīkojuma jauda

Ideālā gadījumā tas ir vienāds ar 1, kas nozīmē, ka visa enerģija tiek novirzīta IT iekārtām bez izšķērdēšanas. Tomēr šī ideālā scenārija sasniegšana reālos projektos ir reti sastopama.

Cita problēma rodas, mēģinot izveidot skaidru metodiku enerģijas izmantošanas efektivitātes (PUE) aprēķināšanai. Tā, piemēram, mūsu sistēmā mums ir metrika, kas norāda momentāno enerģijas patēriņu vatos, kas ļauj aprēķināt PUE reāllaikā.

Turklāt mēs varam iegūt vidējo PUE gada periodā, kas piedāvā visaptverošāku novērtējumu, ņemot vērā sezonālās svārstības. Tas ir īpaši svarīgi, ņemot vērā enerģijas patēriņa atšķirības starp sezonām; piemēram, dzesēšanas prasību atšķirības vasaras un ziemas mēnešos. Tas nozīmē, ka, ja mēs vēlamies iegūt ticamāku novērtējumu, mums par prioritāti ir jānosaka gada vidējais rādītājs, nodrošinot līdzsvarotāku un visaptverošāku novērtējumu.

Ir svarīgi arī izpētīt PUE ne tikai enerģijas izteiksmē, bet arī naudas vienībās, tādējādi iekļaujot elektroenerģijas cenu sezonālās svārstības. PUE novērtējums naudas izteiksmē sniedz visaptverošāku skatījumu uz darbības efektivitāti.

Turklāt šī pieeja atklāj iespējas sasniegt PUE vērtību, kas ir mazāka par 1, mērot dolāros. Tas kļūst iespējams, piemēram, izmantojot siltuma pārpalikumu ūdens sildīšanai un pārdodot to tālāk uz tuvējām pilsētām. Ievērības cienīgi piemēri, piemēram, Google datu centrs ASV un Yandex iekārta Somijā, pierāda šādas prakses dzīvotspēju, jo īpaši reģionos, kuros ir augstas enerģijas izmaksas.

Efektivitāte pret uzticamību

Bažas par izmaksu samazināšanu un efektivitātes palielināšanu bieži rada jautājumus par iespējamo negatīvo ietekmi uz uzticamību. Tomēr es vēlos uzsvērt, ka brīvajā dzesēšanā tiekšanās pēc efektivitātes neapdraud uzticamību. Tā vietā tā tehnoloģiskās blakusparādības var pat uzlabot efektivitāti. Piemēram, kā jau apspriedām, liekā siltuma novirzīšana uz siltumsūkņiem, lai iegūtu papildu priekšrocības, piemēram, karstā ūdens ražošanai tuvējām pilsētām, kļūst par finansiāli izdevīgu praksi, nezaudējot uzticamību.

Bezmaksas dzesēšanas nākotne

Neraugoties uz visām priekšrocībām, ko piedāvā bezmaksas dzesēšana, datu centru nozari joprojām virza konservatīva pieeja, un tai ir nepieciešama pārbaudīta uzticamība ar tendenci pretoties inovatīviem risinājumiem. Paļaušanās uz sertifikātiem no tādām iestādēm kā Uptime Institute mārketingam rada vēl vienu šķērsli bezmaksas dzesēšanas risinājumiem, jo trūkst sertifikācijas, liekot komerciālajiem pakalpojumu sniedzējiem uz tiem raudzīties ar skepsi.

Tomēr korporatīvo hiperskalu veidotāju vidū ir tendence pieņemt bezmaksas dzesēšanu kā galveno risinājumu saviem līdzstrāvas ierīcēm. Tā kā arvien vairāk uzņēmumu atzīst šīs tehnoloģijas rentabilitāti un darbības ieguvumus, mēs sagaidām, ka nākamajos 10–20 gados parādīsies vairāk dzesēšanas datu centru bez uzņēmumiem.