Оптимизирање на ефикасноста на центарот за податоци: длабоко нурнување во техниките на слободно ладење

Во претходната статија , разговаравме за брзото проширување на инфраструктурата на центрите за податоци и зголемувањето на потрошувачката на електрична енергија што резултираше со тоа. Бидејќи серверите ја претвораат електричната енергија во топлина за време на работата, управувањето со високи температури и ладењето на објектите и опремата на центарот за податоци станува проблем број 1. за тимовите на DC.

Иако традиционалните методи за ладење, вклучувајќи климатизери и чилери, ефикасно ги ладат просториите и серверите на центарот за податоци, нивната скапа цена останува значаен недостаток. Бесплатното ладење за разлика од традиционалните методи не бара значителни инвестиции, но нуди исто ниво на ефикасност и доверливост. Во оваа статија, ќе направам детален преглед на технологијата за бесплатно ладење, истакнувајќи ги нејзините придобивки, ограничувања и барањата за успешна имплементација.

Физика на слободно ладење

За да ја разбереме физиката зад слободното ладење, ќе треба повторно да ја разгледаме формулата за топлинска енергија:

Q = mcΔT

Овде, 'Q' ја претставува количината на добиена или изгубена топлина, 'm' ја означува масата на примерокот (во нашиот случај, масата на воздухот во центарот за податоци), 'c' го означува специфичниот топлински капацитет на воздухот, а ΔT ја означува температурната разлика.

Во центарот за податоци, примарен извор на топлина е процесорот. Вообичаено, има 2 до 4 процесори, од кои секој работи на приближно 200 вати. Како што беше дискутирано претходно, целата електрична енергија потрошена од процесорите се претвора во топлина. Затоа, со 2 процесори, на пример, генерираме 400 вати топлина што треба да се потроши. Сега нашата цел е да ја одредиме количината на воздух потребна за оваа намена.

Параметарот ΔT, или температурен диференцијал, покажува дека колку е помала температурата на надворешниот воздух, толку помалку воздушна маса е потребна за ладење на процесорите. На пример, ако температурата на влезниот воздух е 0°C, а температурата на излезот е 35°C, ΔT би бил само 35, што означува прилично помала потреба за воздушна маса. Сепак, во текот на летната сезона, разладувањето станува потешко поради зголемувањето на температурите на околината. Колку е поголема надворешната температура, толку поголема количина на воздух ќе биде потребна за ладење на серверите.

Ограничувања на температурата на серверот и мрежните компоненти

Иако бесплатното ладење може да биде ефикасно за умерена и ладна клима, сепак има ограничувања поради температурните ограничувања на компонентите на серверот. Критичните компоненти во ИТ и мрежната опрема, како што се процесори, RAM, HDD, SSD и NVMe-дискови, имаат барања за работна температура:

• Процесори: макс 89°C
• RAM меморија: максимум 75°C
• HDD: максимум 50°C
• SSD и NVMe дискови: максимум 47-48°C

Овие ограничувања директно влијаат на соодветноста на температурите на надворешниот воздух за ладење. Бесплатното ладење не би било одржливо во региони каде надворешните температури ги надминуваат овие прагови или дури се приближуваат до нив, бидејќи може да го оштети системот поради прегревање. Регионални ограничувања

Како што веќе објаснивме, надворешните температури мора постојано да останат пониски од максималните работни температури на ИТ опремата за слободното ладење да биде ефективно. Ова бара внимателно разгледување на климатските услови на локацијата на DC. Организациите мора да ги анализираат долгорочните временски прогнози за да се осигураат дека температурите не ги надминуваат потребните прагови, дури и во одредени денови или часови. Дополнително, имајќи го предвид долгиот животен век на центрите за податоци (обично 10-15 години), ефектите од глобалното затоплување треба да се вклучат и во одлуките за локација.

Барања за архитектура на серверски јазол

Во контекст на физиката, постигнувањето ефикасно ладење во серверите се потпира на обезбедување доволно проток на воздух низ системот. Архитектурата на серверот игра важна улога во овој процес.

Спротивно на тоа, на серверите на кои им недостасуваат соодветни дизајнерски карактеристики, како што се перфорации или отвори, може да го попречат протокот на воздух, потенцијално компромитувајќи ја севкупната ефикасност на механизмот за слободно ладење.

Контрола на влажност

Нивото на влажност е уште едно критично значење кога станува збор за слободно ладење. Бидејќи ни недостасува контрола врз условите на надворешната влажност, се појавуваат две релевантни прашања: прво, адресирање на нивоата на влажност кои се приближуваат или надминуваат 100% во центарот за податоци (DC); второ, решавање на сценарија за многу ниска влажност на воздухот, како на пример за време на ладен февруарски ден со надворешна температура од -30°C и релативна влажност која се движи од 2% до 5%. Ајде систематски да ги испитаме овие ситуации.

Во услови на зголемена влажност, постои заедничка загриженост во врска со потенцијалната појава на кондензација и нејзините негативни ефекти врз функционалноста на опремата. Спротивно на оваа загриженост, во зоните за повторно ладење на DC, каде што се случува процесот на ладење, кондензацијата е исклучена. Ова се должи на принципот дека кондензацијата се јавува кога топол, влажен воздух доаѓа во контакт со постудени површини. Меѓутоа, во слободниот систем за ладење на DC, ниту еден елемент не е постуден од околниот воздух. Следствено, кондензацијата е инхерентно попречена, со што се елиминира потребата од проактивни мерки.

Напротив, кога се работи со ниска влажност, стравот се префрла кон создавање на статички електрицитет, што претставува закана за стабилноста на опремата. Овој проблем не е поврзан со кондензација, но бара специфична резолуција. Ублажувањето вклучува процедури за заземјување и примена на специјализирана подна обвивка. Овие мерки се усогласуваат со воспоставените методи за заштита на внатрешната опрема од статички електрицитет. Со заземјување на конструктивните елементи, лавиците и ИТ опремата, статичкиот полнеж безопасно се расфрла на земјата, зачувувајќи го интегритетот на опремата.

Во природна клима, случаите на екстремно висока или ниска влажност се ретко. Забележителни исклучоци вклучуваат ретки настани како што се бура со грмотевици со 100% влажност во јули или силен мраз што предизвикува многу ниска влажност. Меѓутоа, во поголемиот дел од времето, нивоата на влажност остануваат во прифатливи граници што не предизвикуваат никаква штета на опремата, дури и во отсуство на активни интервенции.

Количина и брзина на воздухот

Како што веќе разговаравме, за да се олесни ефективно ладење, потребен ни е значителен волумен на надворешен воздух. Истовремено, се појавува навидум контраинтуитивно барање - одржување низок проток на воздух во зградата. Овој очигледен парадокс е вкоренет во предизвиците што ги поставуваат воздушните струи со голема брзина што циркулираат внатре.

За поедноставување, замислете голема брзина на воздухот како робустен поток од цевка, што создава вител и турбуленции околу ИТ опремата. Оваа турбуленција потенцијално доведува до неправилни движења на воздухот и локализирано прегревање. За да го решиме ова, стратешки се стремиме кон вкупна мала брзина на воздухот од 1-2 метри во секунда низ целиот простор.

Одржувањето на оваа контролирана брзина на воздухот ни овозможува да ги елиминираме турбуленциите. Поголема брзина би ризикувала неправилности во движењето на воздухот. Со придржување до опсегот од 1-2 метри во секунда, ние поттикнуваме мазен, униформен проток на воздух, избегнувајќи локализирано прегревање. Оваа деликатна рамнотежа обезбедува оптимално ладење на ИТ опремата со прескокнување на замките поврзани со воздушните струи со голема брзина.

Како што може да се види, пристапот на слободно ладење се врти околу ефикасната употреба на надворешниот воздух, притоа давајќи приоритет на контролирана мала внатрешна брзина на воздух. Оваа намерна стратегија помага да се одржи ламинарен и униформен проток на воздух, обезбедувајќи ја ефективноста на ладењето на ИТ опремата.

Концепт за градење

Во парадигмата за слободно ладење, традиционалните воздушни канали не се користат во структурата на зградата. За разлика од конвенционалните поставки со назначени воздушни канали во ѕидови, тавани или специфични области, центрите за обработка на податоци прифаќаат неконвенционален пристап. Самата зграда е замислена како воздушен канал, што ги прави застарени традиционалните единици за климатизација. Големиот обем на овие воздушни канали ги трансформира во интегрални компоненти на просториите и подовите.

Процесот на проток на воздух започнува кога надворешниот воздух влегува во зградата, поминувајќи низ два вида филтри - груби филтри и фини филтри. Штом воздухот ќе биде подложен на процесот на чистење, тој се придвижува од вентилаторите во обемни згради, приближно еднакви на четири ката во висина. Овој значителен волумен има своја цел: да го забави протокот на воздух, намалувајќи ја неговата брзина до потребниот опсег од 1-2 метри во секунда. Последователно, воздухот се спушта во просторијата за машини.

Откако ќе ја помине машинската просторија, воздухот го продолжува своето патување низ ИТ полиците, напредувајќи во жешката патека. Оттаму, тој влегува во колекторот за топол воздух пред да биде исфрлен надвор преку вентилаторите за издувни гасови. Оваа структурирана патека за проток на воздух обезбедува ефикасен процес на ладење додека одржува контролирана воздушна брзина.

Воздушна брзина и волумен

Намерниот избор на дизајн за користење на експанзивни волумени на згради служи за двојна цел. Прво и основно, овозможува постепено намалување на брзината на воздухот, осигурувајќи дека протокот на воздух ја постигнува саканата брзина од 1-2 метри во секунда. Оваа контролирана брзина на воздухот е од суштинско значење за спречување на турбуленции и одржување на ламинарен проток, особено важно додека воздухот напредува низ чувствителна ИТ опрема. Второ, значителниот волумен го сместува потребниот волумен на воздух за ефикасно да се троши создадената топлина. Синхронизираната интеракција на брзината на воздухот и јачината на звукот придонесува за севкупниот успех на системот.

Диференцијален притисок како единствен двигател за управување

Во поставувањето на бесплатно ладење, немаме контрола врз температурата на надворешниот воздух, што доведува до варијации во температурата на воздухот што влегува во центарот за податоци (DC). И покрај ова, неопходно е да се процени потребниот проток на воздух за ладење на опремата. За да го решиме ова, се потпираме на методот на диференцијален притисок.

Внатре во секоја ИТ решетка, серверите со внатрешни вентилатори работат со различни брзини, колективно создавајќи диференцијален притисок помеѓу предниот и задниот дел на решетката. Со бројни сервери, од кои секој придонесува за целокупниот проток на воздух, оваа разлика во притисокот постепено се акумулира помеѓу ладните и топлите патеки. Користејќи сензори за притисок во двата ходници и надвор од зградата на DC, можеме да го измериме овој диференцијален притисок.

Пресметката вклучува одземање на податоците од сензорот за притисок во топлата патека од атмосферскиот притисок и одземање на податоците од сензорот за притисок во студената патека од атмосферскиот притисок. Така како во примерот подолу:

Пример од реалниот свет

Добиените вредности потоа нè водат во одредувањето на потребното снабдување со воздух во DC и потребниот издув за да се надомести работата на вентилаторите на серверот. Поедноставно кажано, ние ги мериме нашите потреби за проток на воздух врз основа на диференцијалите на притисокот, што ни овозможува ефикасно да управуваме со процесот на ладење во DC.

Комора за греење и мешање

Традиционалните системи за греење обично не се имплементирани во центрите за податоци со бесплатно ладење. Користењето вода се смета за нерационално поради трошоците и потенцијалните ризици за опремата. Ова претставува предизвик за време на екстремни настинки, достигнувајќи -20-30 степени надвор. Додека опремата добро се справува со тоа, инженерите бараат понежен пристап. Најелегантно и најлогично решение овде е повторно користење на топол воздух генериран од ИТ опремата. Упатувајќи го топлиот воздух од серверите во комората за мешање и враќајќи дел од него во главната воздушна струја, системот ги одржува просториите топли во зима и овозможува да се заштедат трошоците за греење.

Едноставност и сигурност

Клучната теза во теоријата на доверливост тврди дека едноставноста раѓа доверливост. Ова важи за бесплатниот систем за ладење кој стои како неверојатно едноставен концепт. Системот функционира како барикада, воведувајќи воздух однадвор преку филтри, поминувајќи го низ ИТ опремата, а потоа само исфрлајќи го.

Отсуството на сложени системи ја зголемува доверливоста, при што само навивачите претставуваат ранливост при топло време. Пристапот со слободно ладење е пример за радикално поедноставување на системот, значително подобрување на доверливоста со намалување на бројот на елементи.

Фанови на DC против фанови на сервер

Хиерархискиот авторитет на вентилаторите е уште едно фундаментално прашање во динамиката на протокот на воздух во DCs. Како што разговаравме, има фанови од големи размери на ниво на DC и оние на ниво на сервер. Прашањето е: дали вентилаторите на центарот за податоци само снабдуваат воздух, оставајќи ги навивачите на серверот да трошат колку што е потребно? Или побарувачката потекнува од обожавателите на серверот, присилувајќи ги фановите на DC да ги исполнат нивните барања?

Механизмот е следен: вентилаторите на серверот имаат доминантна улога во овој процес, одредувајќи го потребниот проток на воздух. Последователно, вентилаторите за еднонасочна струја реагираат со доставување на потребниот волумен на воздух. Станува очигледно дека ако кумулативната побарувачка од сите сервери го надмине капацитетот за снабдување на DC вентилаторот, тоа може да доведе до потенцијално прегревање.

Значи, одговорот е дека љубителите на серверот го имаат приматот во оваа динамика. Тие го оркестрираат протокот на воздух, специфицирајќи ја потребната количина на воздух.

Ефикасност и пресметка на PUE

За да се оцени ефикасноста на проект со еднонасочна струја, традиционално се користи пресметката на Ефективноста на користењето на енергија (PUE). Формулата за PUE е односот на вкупната моќност на објектот и моќноста на ИТ опремата:

PUE = Вкупна моќност на објектот / Моќност на ИТ опремата

Идеално, тоа е еднакво на 1, што значи дека целата енергија е насочена кон ИТ опремата без никакво губење. Сепак, постигнувањето на ова совршено сценарио е ретко во проектите од реалниот свет.

Друг проблем се јавува кога се обидуваме да воспоставиме јасна методологија за пресметување на ефикасноста на користењето на енергија (PUE). Така, на пример, во нашиот систем поседуваме метрика што укажува на моментална потрошувачка на енергија во вати, што овозможува да се пресмета PUE во реално време.

Покрај тоа, можеме да изведеме просечна PUE во текот на годишен период, што нуди посеопфатна проценка со оглед на сезонските флуктуации. Ова е особено релевантно со оглед на разликата во користењето на енергијата помеѓу годишните времиња; на пример, разликата во барањата за ладење помеѓу летните и зимските месеци. Ова значи дека ако сакаме да имаме посигурна евалуација, треба да дадеме приоритет на годишниот просек кој обезбедува побалансирана и сеопфатна проценка.

Исто така, важно е да се истражи PUE не само од аспект на енергија, туку и парични единици, со што ќе се вклучат сезонските флуктуации на цените на електричната енергија. Оценувањето на PUE во монетарна смисла дава похолистичка перспектива за оперативната ефикасност.

Освен тоа, овој пристап открива можности да се постигне вредност на PUE помала од 1 кога се мери во долари. Станува возможно, на пример, кога користиме отпадна топлина за загревање на водата и ја продаваме понатаму во блиските градови. Вреди да се забележи примери, како што се центарот за податоци на Google во САД и објектот на Yandex во Финска, ја демонстрираат одржливоста на таквите практики, особено во региони кои се карактеризираат со високи трошоци за енергија.

Ефикасност наспроти доверливост

Загриженоста за намалување на трошоците и зголемување на ефикасноста често поставува прашања за потенцијалните негативни влијанија врз доверливоста. Сепак, би сакал да нагласам дека при слободното ладење, потрагата по ефикасност не ја загрозува сигурноста. Наместо тоа, неговите технолошки несакани ефекти можат дури и да ја подобрат ефикасноста. На пример, како што веќе разговаравме, пренасочувањето на вишокот топлина кон топлинските пумпи за дополнителни придобивки, како што е генерирање топла вода за блиските градови, станува финансиски поволна практика без да се жртвува сигурноста.

Иднината на бесплатно ладење

И покрај сите предности што ги нуди бесплатното ладење, индустријата за центри за податоци сè уште е водена од конзервативен пристап и бара докажана сигурност, со тенденција да се спротивстави на иновативни решенија. Потпирањето на сертификати од тела како Институт за време на работа за маркетингот претставува уште една пречка за бесплатните решенија за ладење, без воспоставена сертификација, што ги наведува комерцијалните провајдери да гледаат на нив со скептицизам.

Сепак, постои тренд меѓу корпоративните хипер-скалери да прифатат бесплатно ладење како главно решение за нивните DC. Со зголемениот број компании кои ја признаваат економичноста и оперативните придобивки од оваа технологија, очекуваме дека во следните 10-20 години ќе се појават повеќе центри за податоци за ладење без корпорации.