Evolusi Penyejukan Pusat Data: Daripada Kaedah Berasaskan Udara kepada Penyejukan Percuma

Definisi Masalah

Pertumbuhan yang semakin meningkat dalam infrastruktur pusat data dan lonjakan serentak dalam penggunaan peralatan IT telah membawa kepada peningkatan dalam penggunaan elektrik.

Memandangkan pelayan, komponen penting pusat data, menukar elektrik kepada haba semasa beroperasi, kami menghadapi masalah menangani suhu tinggi dan premis dan peralatan pusat data yang sejuk.

Marilah kita mengingati dengan cepat asas fizik sekolah: mengikut prinsip asas termodinamik, tenaga tidak hilang tetapi berubah. Oleh itu, jika pusat data menggunakan 1 MW elektrik - keseluruhan kuantum tenaga ini diubah menjadi jumlah haba yang setara. Akibatnya, lebih banyak tenaga elektrik digunakan, lebih besar cabaran untuk menguruskan haba yang terhasil dalam pusat data.

Keadaan menjadi lebih rumit, kerana peralatan IT boleh mempunyai tahap penggunaan tenaga yang berbeza-beza sambil mempunyai saiz fizikal yang berbeza. Sebagai contoh, peralatan dengan penggunaan tenaga yang tinggi mungkin mempunyai saiz yang kecil, menimbulkan masalah dalam menyejukkan haba pekat dengan cekap. Sebaliknya, peralatan IT yang lebih besar dengan kadar penggunaan elektrik yang agak sederhana lebih mudah disejukkan kerana luas permukaannya yang lebih besar. Pusat data biasanya menempatkan gabungan saiz peralatan dan tahap penggunaan, memberikan cabaran bukan sahaja untuk menyejukkan peralatan IT yang pelbagai tetapi juga melakukannya pada kelajuan yang berbeza, ditentukan oleh keperluan suhu setiap jenis peralatan. Tidak perlu dikatakan, untuk menyejukkan DC kita memerlukan sejumlah besar tenaga elektrik, yang menambah kos operasi.

Masalah penggunaan kuasa yang cekap di pusat data menjadi semakin meruncing dengan kenaikan harga elektrik global. mengikut laporan oleh Statista harga elektrik dunia melonjak ke tahap maksimum sepanjang masa antara 2021 dan 2022. Apabila krisis kesihatan COVID-19 reda pada separuh kedua 2021, permintaan tenaga meningkat dan harga elektrik mencecah rekod tertinggi pertama. Pada awal tahun 2022, pasaran tenaga kembali mengetatkan dan krisis tenaga semakin meruncing.

Penggunaan elektrik pusat data berkembang walaupun kecekapan prestasi meningkat.

Dalam erti kata lain, walaupun prestasi per watt bertambah baik, permintaan untuk sumber berkembang lebih cepat, jadi penggunaan keseluruhan pasti meningkat serta kos. Walau bagaimanapun, penjimatan kos yang besar boleh dicapai dengan mengoptimumkan sistem penyejukan. Ini membuatkan saya ingin melihat dengan lebih mendalam kaedah penyejukan yang cekap secara umum dan penyejukan percuma khususnya.

Penilaian tahap penggunaan tenaga di pusat data biasanya bergantung pada metrik Keberkesanan Penggunaan Kuasa (PUE). PUE mengukur kecekapan pusat data dengan menilai jumlah penggunaan tenaga berbanding yang digunakan secara eksklusif untuk peralatan IT. Kami akan membincangkannya dengan lebih terperinci kemudian. Apa yang perlu kita ketahui sekarang ialah PUE yang lebih rendah menandakan pusat data yang lebih cekap, menunjukkan pengurangan pergantungan pada kuasa bukan pengkomputeran. Dalam menghadapi infrastruktur yang semakin meningkat dan penggunaan elektrik yang semakin meningkat, mengoptimumkan PUE dengan sistem penyejukan yang lebih cekap memberikan kehematan kewangan dan operasi yang mampan.

Dalam artikel ini, kami akan meneroka kaedah penyejukan tradisional dan inovatif dan menemui kaedah mana yang menawarkan kecekapan maksimum.

Gambaran Keseluruhan Kaedah Penyejukan

Udara dan bukan udara

Dalam klasifikasi yang dipermudahkan, teknik penyejukan boleh dihuraikan kepada dua kategori utama: kaedah berasaskan udara dan bukan berasaskan udara. Untuk menghuraikan, penyejukan udara merangkumi pendekatan konvensional, manakala kategori bukan udara termasuk kaedah yang pelbagai menggunakan bahan seperti air, minyak atau bahan pepejal. Perlu diperhatikan bahawa majoriti besar, membentuk 99%, kaedah penyejukan berada di bawah payung penyejukan udara.

Penghawa Dingin

Sistem penyaman udara ialah cara penyejukan udara yang paling lazim dalam persediaan pusat data profesional. Prinsip asas mereka mencerminkan penghawa dingin kediaman: udara yang mengalir melalui pelayan diedarkan melalui penghawa dingin, disejukkan melalui gril radiator, dan kemudian diedarkan semula ke dalam pelayan. Proses kitaran ini memastikan mekanisme penyejukan berterusan.

Penyejuk

Mengikuti penghawa dingin, penyejuk mewakili sistem penyejukan kedua yang paling banyak diguna pakai. Tidak seperti penghawa dingin, penyejuk menggunakan air (atau penyelesaian berasaskan air) untuk memindahkan haba dari ruang yang memerlukan kawalan iklim. Walaupun penyaman udara lebih ringkas dan secara amnya lebih berpatutan, kos tenaga yang lebih tinggi kadangkala boleh menjadi penghalang kepada perniagaan. Sebaliknya, sistem air sejuk adalah lebih cekap tenaga, tetapi memerlukan lebih banyak komponen dan kerumitan dalam pemasangan dan penyelenggaraannya.

Bilik dan Tikar Adiabatik

Penyejukan adiabatik melibatkan penggunaan ruang atau tikar tempat air dituangkan dan disejat. Apabila air menyejat, bilik dan tikar menyejuk bersama dengan udara di dalamnya. Walaupun penyejukan adiabatik mewakili pilihan ketiga yang berdaya maju, ia dianggap agak eksotik dan tidak seperti yang biasa digunakan dalam penyejukan pusat data jika dibandingkan dengan penghawa dingin dan penyejuk.

Penyejukan Air

Dalam sistem penyejukan air, air atau cecair yang mengandungi air digunakan untuk pelesapan haba. Paip air diletakkan secara strategik di bilik pelayan, dengan setiap pelayan disambungkan ke dua paip — satu untuk aliran keluar air panas dan satu lagi untuk aliran masuk air sejuk. Radiator pada CPU, GPU dan peralatan lain dipautkan terus ke sistem bekalan air ini. Pendekatan ini bukan sahaja menyejukkan peralatan dan premis pusat data tetapi juga menjana bekalan air suam untuk kegunaan tambahan.

Penukar Haba

Kaedah ini meningkatkan kecekapan penyejukan dengan memanfaatkan persekitaran sejuk luaran.

Apabila sumber sejuk berdekatan, seperti tasik, laut atau tanah sejuk, tersedia, paip air boleh digunakan terus ke dalamnya untuk menghantar sejumlah besar haba daripada peralatan IT.

Eksotik

Terdapat juga kaedah yang tidak konvensional. Salah satunya adalah berdasarkan unsur Peltier atau penyejuk termoelektrik (TEC). Pendekatan ini bergantung pada kesan semikonduktor dan melibatkan membekalkan elektrik ke plat khas yang dipanaskan pada satu bahagian dan disejukkan pada sebelah yang lain.

Satu lagi pendekatan avant-garde ialah penempatan pusat data bawah air. Dalam Projek Natick Microsoft , sebagai contoh, sebuah pusat data telah ditenggelami sedalam 117 kaki di Kepulauan Utara pada musim bunga 2018. Sepanjang dua tahun berikutnya, pasukan itu menjalankan ujian dan pemantauan yang ketat terhadap pelayan pusat data. Telah disahkan bahawa meletakkan bekas tertutup di dasar laut boleh meningkatkan kebolehpercayaan pusat data keseluruhan dengan mengurangkan isu seperti kakisan, turun naik suhu dan gangguan fizikal yang biasanya berlaku di darat.

Penyejukan Percuma

Teknik ini terutamanya bertujuan untuk memaksimumkan kecekapan penyejukan. Penyejukan percuma menyegarkan udara dalam pusat data tanpa bergantung pada sistem penyejukan tradisional. Ia menggunakan udara luar semula jadi seperti sedia ada. Biasanya udara luar hanya tertakluk kepada kawalan kelembapan dan kemudian proses termodinamik semula jadi mengawal suhu dalam bilik data.

Kaedah ini mengurangkan penggunaan kuasa dengan ketara (75% hingga 92% kurang berbanding sistem CRAH lain), merendahkan pelepasan karbon dioksida, dan menghapuskan keperluan air dalam sistem penyejukan.

Penyejukan percuma adalah salah satu pilihan paling mesra alam yang memerlukan lebih sedikit tenaga. Selain itu, ia boleh membantu menjimatkan kos kerana 40% daripada kuasa yang digunakan oleh pusat data menjadi penyejukan. Sistem ini meningkatkan prestasi semua peralatan yang disejukkan udara, walaupun dalam keadaan yang sukar. Berikut ialah perwakilan visual mudah proses penyejukan percuma:

Seperti yang anda lihat, sistem ini beroperasi dengan cara yang sangat mudah, menyalurkan udara luar melalui penapis, peralatan IT, dan mengeluarkannya. Pengurangan kerumitan ini, dengan hanya kipas sebagai potensi kelemahan, meningkatkan kebolehpercayaan keseluruhan DC pada penyejukan percuma.

Tidak seperti sistem dengan peralatan yang kompleks, ketiadaan komponen yang rumit juga mengurangkan kedua-dua kos persediaan awal dan perbelanjaan penyelenggaraan yang berterusan. Oleh itu, kelebihan kewangan bermula pada peringkat pembinaan, di mana reka bentuk penyejukan percuma yang diperkemas diterjemahkan kepada penjimatan ketara.

Penderitaan Pilihan

Semasa persidangan dan mesyuarat, saya sering mendapat banyak soalan yang berkisar tentang paradoks: jika penyejukan percuma adalah berfaedah dari segi penjimatan kos dan kesederhanaan, mengapa ia tidak diterima pakai secara universal dalam industri?

Ini menimbulkan persoalan yang lebih luas tentang mengapa, di sebalik faedahnya, hanya sebilangan terhad syarikat telah menerima penyejukan percuma, manakala yang lain berterusan dengan kaedah konvensional. Jawapan kepada ini terletak pada pemeriksaan pelbagai aspek terhadap dinamik industri semasa.

Kediktatoran Industri

Dalam industri pusat data, di mana kebolehpercayaan adalah kepentingan utama, penggunaan penyelesaian inovatif sering menghadapi rintangan. Saya mengaitkan ini, pertama sekali, kepada sifat konservatif industri DC, di mana pembuat keputusan mengutamakan konsep yang terbukti daripada penyelesaian yang inovatif.

Walaupun teknologi baharu seperti penyejukan percuma menjanjikan keberkesanan dan kecekapan kos, wakil industri lebih suka pendekatan tradisional lagi boleh dipercayai untuk memastikan operasi pelayan yang lancar.

Halangan pemasaran

Perkara lain di sini ialah pembekal DC komersial, yang membentuk kira-kira 80% daripada industri, bergantung pada pensijilan daripada badan bebas seperti Institut Uptime untuk memasarkan kebolehpercayaan mereka. Walau bagaimanapun, ini menimbulkan cabaran untuk penyelesaian penyejukan percuma, kerana belum ada pensijilan yang ditetapkan untuknya. Keadaan ini menyebabkan penyedia komersil menolak kaedah penyejukan alternatif, memetik ketidakpastian mengenai kebolehpercayaan mereka dan ketiadaan duluan pensijilan.

Kebimbangan Pemanasan Global

Pengkritik sering menimbulkan kebimbangan tentang kesan pemanasan global terhadap daya maju penyejukan percuma. Walau bagaimanapun, hujah itu disangkal dengan mengiktiraf sifat pemanasan global secara beransur-ansur, dengan peningkatan anggaran 1.5 darjah dalam tempoh sedekad. Perubahan suhu yang sederhana ini tidak mungkin menjejaskan kestabilan penyelesaian penyejukan percuma dalam masa terdekat.

Hujah "Hanya Dalam Kes".

Satu lagi amalan biasa bagi syarikat yang memilih kaedah penyejukan DC ialah kemasukan unit penyaman udara sandaran sebagai langkah berjaga-jaga selain penyejukan percuma. Hujah "sekira-kiranya" ini melemahkan konsep teras penyejukan percuma, memperkenalkan kerumitan yang tidak perlu dan menjejaskan kecekapan kewangan dan operasi.

Walaupun untuk penghawa dingin yang kecil, keperluan untuk menyediakan pelbagai komponen seperti freon, wayar, cecair, sistem, dan kawalan timbul. Daripada menerima idea untuk memiliki penghawa dingin sandaran, industri harus menumpukan pada menyesuaikan sistem penyejukan percumanya kepada pelbagai keadaan tanpa bergantung pada harapan palsu.

Risiko dan Pertimbangan Sebenar

Apabila mempertimbangkan penyelesaian penyejukan percuma, beberapa risiko dan pertimbangan yang ketara memerlukan perhatian. Satu pertimbangan utama ialah wilayah geografi, kerana menggunakan penyejukan percuma di rantau seperti Emiriah Arab mungkin tidak wajar.

Kebolehcapaian adalah satu lagi aspek yang perlu diingat. Wilayah yang dipilih mesti memiliki infrastruktur yang diperlukan dan mudah dicapai oleh kakitangan khusus yang ditugaskan dengan penyelenggaraan pusat data. Ketersambungan, termasuk ketersediaan talian optik, juga penting. Sebagai contoh, mewujudkan pusat data penyejukan percuma di luar Bulatan Artik menjadi tidak praktikal kerana ketiadaan talian komunikasi dan cabaran untuk mengekalkan tenaga kerja mahir.

Di sebalik pertimbangan logistik ini, satu-satunya sekatan untuk penyejukan percuma adalah berkaitan dengan suhu maksimum rantau ini (app. 38-40 darjah) dan kualiti udara. Kawasan yang mempunyai pencemaran yang berlebihan, seperti berhampiran lebuh raya yang sibuk atau aktiviti pertanian yang sengit, mungkin menimbulkan masalah. Walaupun tiada larangan langsung, penapis di lokasi sedemikian akan memerlukan penggantian yang kerap. Tidak seperti pusat data berhawa dingin konvensional yang mengedarkan udara dalaman, pusat penyejukan percuma menarik udara luar, menuntut penyelenggaraan penapis yang lebih teliti. Parameter lokasi lain sejajar dengan yang berkenaan dengan pusat data tradisional.

Perintis dan Aliran Masa Depan

Walaupun industri ini mempunyai sifat konservatif, beberapa syarikat korporat yang berfikiran ke hadapan menilai manfaat ketara alternatif. Mengira keberkesanan kos penyejukan percuma melalui analisis berangka, mereka menyedari potensi penjimatan kos yang ditawarkannya.

Beberapa syarikat terkemuka, seperti Facebook (kini Meta), Google, Amazon, Yandex, dan Wildberries, adalah perintis dalam mengguna pakai teknologi penyejukan percuma. Status cemerlang mereka berpunca daripada kesediaan mereka untuk menilai risiko dan mengiktiraf kelebihan kewangan yang wujud dalam teknologi ini. Pilihan untuk syarikat ini adalah jelas – sama ada menggunakan skim konvensional dan menanggung kos yang lebih tinggi atau mengambil risiko dan faedah menjadi perintis dalam penyejukan pusat data.

Landskap industri yang semakin berkembang menunjukkan trend yang semakin meningkat dalam kalangan penyikal besar korporat ke arah melaksanakan penyelesaian penyejukan percuma. Memandangkan lebih banyak syarikat mengiktiraf keberkesanan kos dan kelebihan operasi teknologi ini, adalah dijangkakan semakin banyak pusat data penyejukan bebas korporat akan muncul pada masa hadapan.

Jika anda berminat untuk mengetahui lebih lanjut tentang fizik penyejukan percuma, terokai topik dalam artikel baharu saya Penyejukan Percuma: Technology Deep Dive.