Еволуцијата на ладењето на центарот за податоци: од методи базирани на воздух до бесплатно ладење

Дефиниција на проблемот

Ескалирачкиот раст во инфраструктурата на центрите за податоци и истовремениот пораст на искористеноста на ИТ опремата доведоа до зголемување на потрошувачката на електрична енергија.

Бидејќи серверите, интегрални компоненти на центрите за податоци, ја претвораат електричната енергија во топлина додека работат, се соочуваме со проблем да се справиме со високи температури и ладни простории и опрема на центарот за податоци.

Ајде да се потсетиме на основите на училишната физика: следејќи ги основните принципи на термодинамиката, енергијата не исчезнува, туку се трансформира. Така, ако центарот за податоци троши 1 MW електрична енергија - целиот овој енергетски квантум се трансформира во еквивалентна количина на топлина. Следствено, колку повеќе електрична енергија се троши, толку е поголем предизвикот за управување со добиената топлина во центарот за податоци.

Ситуацијата станува уште покомплицирана, бидејќи ИТ опремата може да има различни нивоа на потрошувачка на енергија додека има различни физички големини. На пример, опремата со голема потрошувачка на енергија може да има мала големина, што предизвикува проблеми во ефикасното ладење на концентрираната топлина. Од друга страна, поголемата ИТ опрема со релативно умерена стапка на потрошувачка на електрична енергија полесно се лади поради нејзината поголема површина. Во центрите за податоци обично се сместени мешавина од големини на опрема и нивоа на потрошувачка, што претставува предизвик не само да се лади разновидна ИТ опрема, туку и да се прави тоа со различни брзини, диктирани од температурните барања на секој тип опрема. Непотребно е да се каже дека за ладење на еднонасочната струја ни требаат значителни количини електрична енергија, што ги зголемува оперативните трошоци.

Проблемот со ефикасно користење на енергијата во центрите за податоци станува особено акутен со глобалниот пораст на цените на електричната енергија. Според извештајот на Статиста светските цени на електричната енергија вртоглаво се искачија до максимумот на сите времиња меѓу 2021 и 2022 година. Кога здравствената криза COVID-19 стивна во втората половина на 2021 година, побарувачката на енергија се зголеми, а цените на електричната енергија достигнаа прво рекордно високо ниво. На почетокот на 2022 година енергетскиот пазар повторно се затегна и енергетската криза се засили.

Потрошувачката на електрична енергија во центарот за податоци расте и покрај зголемувањето на ефикасноста на перформансите.

Со други зборови, иако перформансите по вати се подобруваат, побарувачката за ресурси расте уште побрзо, па севкупната потрошувачка неизбежно се зголемува како и трошоците. Сепак, може да се постигне значителна заштеда на трошоците со оптимизирање на системите за ладење. Ова ме натера да посакам подлабоко да ги разгледам ефикасните методи на ладење воопшто, а особено бесплатното ладење.

Проценката на нивоата на потрошувачка на енергија во центрите за податоци обично се потпира на метриката Ефективност на користење на енергија (PUE). PUE ја мери ефикасноста на центарот за податоци преку проценка на вкупната потрошувачка на енергија наспроти онаа што се користи исклучиво за ИТ опрема. Ќе зборуваме за тоа подетално малку подоцна. Она што сега треба да го знаеме е дека понискиот PUE означува поефикасен центар за податоци, што укажува на намалено потпирање на некомпјутерска моќ. Во услови на растечка инфраструктура и зголемена потрошувачка на електрична енергија, оптимизирањето на PUE со поефикасни системи за ладење обезбедува финансиска претпазливост и одржливо работење.

Во оваа статија, ќе ги истражиме традиционалните и иновативни методи за ладење и ќе откриеме кој од нив нуди максимална ефикасност.

Преглед на методи на ладење

Воздух и невоздух

Во поедноставена класификација, техниките за ладење може да се поделат во две основни категории: методи базирани на воздух и методи кои не се базираат на воздух. Подетално, воздушното ладење опфаќа конвенционални пристапи, додека категоријата без воздух вклучува различни методи кои користат супстанции како вода, масло или цврсти материјали. Вреди да се одбележи дека огромното мнозинство, кое сочинува 99%, од методите за ладење спаѓаат под чадорот за воздушно ладење.

Клима уреди

Системите за климатизација се најраспространетите средства за воздушно ладење во професионалните поставки на центри за податоци. Нивниот основен принцип го отсликува оној на резиденцијалните климатизери: воздухот што тече низ серверите се циркулира низ клима уред, се лади преку решетката на радијаторот, а потоа се рециркулира назад во серверите. Овој цикличен процес обезбедува континуиран механизам за ладење.

Чилери

По климатизерите, чилерите се вториот најраспространет систем за ладење. За разлика од климатизерите, чилерите користат вода (или раствор на база на вода) за да ја пренесат топлината подалеку од просторите за кои е потребна контрола на климата. Иако климатизацијата е поедноставна и генерално подостапна, нејзините повисоки трошоци за енергија понекогаш може да бидат пречка за бизнисите. Од друга страна, системите за разладена вода се енергетски поефикасни, но бараат повеќе компоненти и сложеност при нивната инсталација и одржување.

Адијабатски комори и душеци

Адијабатското ладење вклучува употреба на комори или душеци каде што водата се истура и испарува. Како што водата испарува, коморите и душеците се ладат заедно со воздухот внатре. Додека адијабатското ладење претставува трета остварлива опција, се смета за нешто егзотично и не е толку вообичаено употребувано во ладењето на центарот за податоци во споредба со клима уредите и чилерите.

Водно ладење

Во системите за ладење на вода, вода или течности што содржат вода се користат за дисипација на топлина. Водоводните цевки се стратешки поставени во просториите на серверот, при што секој сервер е поврзан со две цевки - едната за одлив на топла вода, а другата за прилив на ладна вода. Радијаторите на процесорите, графичките процесори и на друга опрема се директно поврзани со овој систем за водоснабдување. Овој пристап не само што ја лади опремата и просториите на центарот за податоци, туку и генерира снабдување со топла вода за дополнителни намени.

Разменувачи на топлина

Овој метод ја подобрува ефикасноста на ладењето со користење на надворешни ладни средини.

Кога е достапен блискиот извор на студ, како што е езеро, море или студено тло, во него може да се постават цевки за вода за да се пренесат големи количини на топлина од ИТ опремата.

Егзотика

Постојат и неконвенционални методи. Еден од нив се заснова на Peltier елементи или термоелектрични ладилници (TEC). Овој пристап се потпира на полупроводнички ефекти и вклучува снабдување со електрична енергија на посебна плоча која се загрева од едната и се лади од другата страна.

Друг авангарден пристап е распоредувањето на подводни центри за податоци. Во Проектот Натик на Мајкрософт , на пример, центар за податоци беше потопен 117 стапки длабоко на Северните Острови во пролетта 2018 година. Во текот на следните две години, тимот спроведе ригорозно тестирање и следење на серверите на центарот за податоци. Потврдено е дека поставувањето запечатен контејнер на океанското дно може да ја подобри севкупната доверливост на центарот за податоци со ублажување на проблеми како што се корозија, температурни флуктуации и физички нарушувања кои обично се случуваат на копно.

Бесплатно ладење

Оваа техника е особено насочена кон максимизирање на ефикасноста на ладењето. Бесплатното ладење го освежува воздухот во центарот за податоци без да се потпира на традиционалните системи за ладење. Користи природен надворешен воздух каков што е. Обично надворешниот воздух е само предмет на контрола на влажноста, а потоа природните термодинамички процеси ги регулираат температурите во просториите за податоци.

Овој метод значително ја намалува потрошувачката на енергија (75% до 92% помалку во споредба со другите системи CRAH), ги намалува емисиите на јаглерод диоксид и ја елиминира потребата за вода во системот за ладење.

Бесплатното ладење е еден од најеколошките избори што бара помалку енергија. Освен тоа, може да помогне да се заштедат трошоци бидејќи 40% од енергијата што ја користат центрите за податоци оди на ладење. Овој систем ги подобрува перформансите на целата опрема со воздушно ладење, дури и во тешки услови. Еве едноставен визуелен приказ на процесот на слободно ладење:

Како што можете да видите, системот работи на многу јасен начин, канализирајќи го надворешниот воздух низ филтри, ИТ опрема и исфрлајќи го. Ова намалување на сложеноста, со само вентилатори како потенцијални пропусти, ја зајакнува севкупната доверливост на DC при слободно ладење.

За разлика од системите со сложена опрема, отсуството на сложени компоненти исто така ги намалува трошоците за почетно поставување и трошоците за тековно одржување. Така, финансиските предности започнуваат веќе во фазата на градење, каде што рационализираниот дизајн на бесплатно ладење се претвора во опипливи заштеди.

Агонијата на изборот

За време на конференции и состаноци, често добивам бројни прашања кои се вртат околу парадоксот: ако бесплатното ладење е исто толку поволно во однос на заштедите на трошоците и едноставноста, зошто тоа не е универзално прифатено во индустријата?

Ова го поттикнува поширокото прашање зошто, и покрај неговите придобивки, само ограничен број компании го прифатија бесплатното ладење, додека други опстојуваат на конвенционалните методи. Одговорот на ова лежи во повеќеслојното испитување на преовладувачката динамика на индустријата.

Индустриска диктатура

Во индустријата за центри за податоци, каде што доверливоста е од примарна важност, усвојувањето на иновативни решенија често се соочува со отпор. Ова го припишувам, пред сè, на конзервативната природа на DC индустријата, каде што носителите на одлуки даваат приоритет на докажаните концепти пред иновативните решенија.

Додека новите технологии како бесплатното ладење ветуваат економичност и ефикасност, претставниците на индустријата повеќе би сакале традиционални, но доверливи пристапи за да обезбедат непречено функционирање на серверите.

Маркетинг пречки

Друга поента овде е дека комерцијалните даватели на DC, кои сочинуваат околу 80% од индустријата, се потпираат на сертификати од независни тела како Институт за време на работа да ја пласираат нивната доверливост. Сепак, ова претставува предизвик за бесплатните решенија за ладење, бидејќи сè уште нема воспоставено сертификат за нив. Оваа ситуација ги наведува комерцијалните провајдери да се спротивстават на алтернативните методи на ладење, наведувајќи ги несигурноста околу нивната доверливост и отсуството на преседан за сертификација.

Загриженост за глобалното затоплување

Критичарите честопати изразуваат загриженост за влијанието на глобалното затоплување врз одржливоста на слободното ладење. Сепак, аргументот е разоткриен со препознавање на постепената природа на глобалното затоплување, со приближно зголемување од 1,5 степени во текот на една деценија. Оваа скромна промена на температурата веројатно нема да ја загрози стабилноста на решенијата за слободно ладење во блиска иднина.

Аргумент „За секој случај“.

Една почеста практика за компаниите кои избираат метод за ладење со еднонасочна струја е вклучувањето на резервни единици за климатизација како мерка на претпазливост покрај бесплатното ладење. Овој аргумент „за секој случај“ го поткопува основниот концепт на бесплатно ладење, воведувајќи непотребна сложеност и компромитирајќи ја финансиската и оперативната ефикасност.

Дури и за мал клима уред, се јавува потребата да се обезбедат различни компоненти како што се фреон, жици, течности, системи и контроли. Наместо да ја прифати идејата да има резервен клима уред, индустријата треба да се фокусира на прилагодување на својот бесплатен систем за ладење на широк опсег на услови без да се потпира на лажни надежи.

Реални ризици и размислувања

Кога се размислува за бесплатно решение за ладење, некои опипливи ризици и размислувања бараат внимание. Едно основно внимание е географскиот регион, бидејќи распоредувањето на бесплатно ладење во регион како Арапските Емирати можеби не е оправдано.

Пристапноста е уште еден аспект што треба да се има на ум. Избраниот регион мора да ја поседува потребната инфраструктура и да биде лесно достапен од специјализиран персонал задолжен за одржување на центарот за податоци. Поврзаноста, вклучувајќи ја и достапноста на оптички линии, е исто така важна. На пример, воспоставувањето центар за податоци за слободно ладење надвор од Арктичкиот круг станува непрактично поради отсуството на комуникациски линии и предизвикот за одржување на квалификувана работна сила.

Надвор од овие логистички размислувања, единствените ограничувања за слободно ладење се однесуваат на максималната температура во регионот (приближно 38-40 степени) и квалитетот на воздухот. Области со прекумерно загадување, како што се оние во близина на прометни автопати или интензивни земјоделски активности, може да претставуваат проблеми. Иако не постои целосна забрана, филтрите на такви локации ќе треба честа замена. За разлика од конвенционалните климатизирани податочни центри кои циркулираат внатрешен воздух, центрите за слободно ладење внесуваат надворешен воздух, барајќи повредно одржување на филтерот. Другите параметри за локација се усогласуваат со оние што се применуваат за традиционалните центри за податоци.

Пионери и идни трендови

И покрај конзервативната природа на индустријата, некои корпоративни компании кои размислуваат за напред ги оценуваат опипливите придобивки од алтернативите. Пресметувајќи ја исплатливоста на бесплатното ладење преку нумеричка анализа, тие ги сфаќаат потенцијалните заштеди на трошоците што ги нуди.

Неколку истакнати компании, како што се Facebook (сега Мета), Google, Amazon, Yandex и Wildberries, се пионери во усвојувањето на технологијата за бесплатно ладење. Нивниот врвен статус произлегува од нивната подготвеност да ги проценат ризиците и да ги препознаат финансиските предности својствени на оваа технологија. Изборот за овие компании беше јасен - или одете на конвенционални шеми и ќе имате поголеми трошоци или ќе ги преземете ризиците и придобивките да станете пионери во ладењето на центрите за податоци.

Развојот на пејзажот на индустријата укажува на растечки тренд кај корпоративните хипер-скалери кон имплементација на решенија за бесплатно ладење. Како што повеќе компании ја препознаваат економичноста и оперативните предности на оваа технологија, се очекува дека во иднина ќе се појави зголемен број на центри за податоци за ладење без корпорации.

Ако сте заинтересирани да дознаете повеќе за физиката на слободното ладење, истражете ја темата во мојата нова статија Бесплатно ладење: Технологија длабоко нуркање.