Mengoptimumkan Kecekapan Pusat Data: Menyelam Dalam Teknik Penyejukan Percuma

Dalam artikel sebelumnya , kami membincangkan perkembangan pesat infrastruktur pusat data dan peningkatan penggunaan elektrik yang mengakibatkannya. Memandangkan pelayan menukar elektrik kepada haba semasa operasi, menguruskan suhu tinggi dan menyejukkan kedua-dua kemudahan dan peralatan pusat data menjadi masalah nombor 1 untuk pasukan DC.

Walaupun kaedah penyejukan tradisional, termasuk penghawa dingin dan penyejuk berkesan menyejukkan premis dan pelayan pusat data, kosnya kekal sebagai kelemahan yang ketara. Penyejukan percuma berbeza dengan kaedah tradisional tidak memerlukan pelaburan yang besar tetapi menawarkan tahap kecekapan dan kebolehpercayaan yang sama. Dalam artikel ini, saya akan membuat gambaran keseluruhan terperinci tentang teknologi penyejukan percuma, menyerlahkan faedah, had dan keperluan untuk pelaksanaan yang berjaya.

Fizik Penyejukan Percuma

Untuk memahami fizik di sebalik penyejukan percuma, kita perlu menyemak semula formula tenaga haba:

Q = mcΔT

Di sini, 'Q' mewakili jumlah haba yang diperoleh atau hilang, 'm' bermaksud jisim sampel (dalam kes kami, jisim udara di pusat data), 'c' menandakan kapasiti haba tentu udara, dan ΔT menandakan pembezaan suhu.

Dalam pusat data, sumber haba utama ialah CPU. Biasanya, terdapat 2 hingga 4 CPU, setiap satu beroperasi pada kira-kira 200 watt. Seperti yang dibincangkan sebelum ini, semua tenaga elektrik yang digunakan oleh CPU ditukar kepada haba. Oleh itu, dengan 2 CPU, sebagai contoh, kami menjana 400 watt haba yang perlu dilesapkan. Sekarang objektif kami adalah untuk menentukan jumlah udara yang diperlukan untuk tujuan ini.

Parameter ΔT, atau pembezaan suhu, menunjukkan bahawa semakin rendah suhu udara luar, semakin sedikit jisim udara diperlukan untuk menyejukkan CPU. Sebagai contoh, jika suhu udara masuk ialah 0°C dan suhu alur keluar ialah 35°C, ΔT hanya 35, menandakan keperluan yang agak rendah untuk jisim udara. Walau bagaimanapun, semasa musim panas, penyejukan menjadi lebih mencabar disebabkan oleh peningkatan suhu ambien. Semakin tinggi suhu luar, semakin besar jumlah udara yang diperlukan untuk menyejukkan pelayan.

Had Suhu Komponen Pelayan dan Rangkaian

Walaupun penyejukan percuma mungkin cekap untuk iklim sederhana dan sejuk, ia masih mempunyai had kerana kekangan suhu pada komponen pelayan. Komponen kritikal dalam peralatan IT dan rangkaian, seperti pemproses, RAM, HDD, SSD dan pemacu NVMe, mempunyai keperluan suhu operasi:

• Pemproses: maks 89°C
• RAM: maksimum 75°C
• HDD: maks 50°C
• SSD dan pemacu NVMe: maks 47-48°C

Had ini secara langsung memberi kesan kepada kesesuaian suhu udara luar untuk penyejukan. Penyejukan percuma tidak akan berdaya maju di kawasan yang suhu luar melebihi ambang ini atau hampir dengannya, kerana ia boleh merosakkan sistem akibat terlalu panas. Had Serantau

Seperti yang telah kami jelaskan, suhu luar mesti sentiasa lebih rendah daripada suhu operasi maksimum peralatan IT agar penyejukan percuma berkesan. Ini memerlukan pertimbangan yang teliti terhadap keadaan iklim lokasi DC. Organisasi mesti menganalisis ramalan cuaca jangka panjang untuk memastikan suhu tidak melebihi ambang yang diperlukan, walaupun pada hari atau jam tertentu. Selain itu, dengan mengambil kira jangka hayat pusat data yang panjang (biasanya 10-15 tahun), kesan pemanasan global juga harus diambil kira dalam keputusan lokasi.

Keperluan Seni Bina Nod Pelayan

Dalam konteks fizik, mencapai penyejukan yang cekap dalam pelayan bergantung pada memastikan aliran udara yang mencukupi melalui sistem. Seni bina pelayan memainkan peranan penting dalam proses ini.

Sebaliknya, pelayan yang tidak mempunyai ciri reka bentuk yang sesuai, seperti perforasi atau bukaan, boleh menghalang aliran udara, yang berpotensi menjejaskan kecekapan keseluruhan mekanisme penyejukan percuma.

Kawalan Kelembapan

Tahap kelembapan adalah satu lagi pertimbangan kritikal apabila ia datang kepada penyejukan percuma. Memandangkan kami kurang kawalan ke atas keadaan kelembapan luaran, dua pertanyaan penting timbul: pertama, menangani tahap kelembapan yang menghampiri atau melebihi 100% dalam pusat data (DC); kedua, menangani senario kelembapan udara yang sangat rendah, seperti semasa hari Februari yang sejuk beku dengan suhu luar -30°C dan kelembapan relatif antara 2% hingga 5%. Mari kita periksa secara sistematik situasi ini.

Dalam keadaan kelembapan yang tinggi, terdapat kebimbangan umum mengenai kemungkinan berlakunya pemeluwapan dan kesan buruknya terhadap kefungsian peralatan. Bertentangan dengan kebimbangan ini, dalam zon penyejukan semula DC, di mana proses penyejukan berlaku, pemeluwapan dihalang. Ini disebabkan oleh prinsip bahawa pemeluwapan berlaku apabila udara panas dan lembap bersentuhan dengan permukaan yang lebih sejuk. Walau bagaimanapun, dalam sistem penyejukan bebas DC, tiada unsur yang lebih sejuk daripada udara sekeliling. Akibatnya, pemeluwapan secara semula jadi terhalang, menghapuskan keperluan untuk langkah proaktif.

Sebaliknya, apabila berhadapan dengan kelembapan yang rendah, kebimbangan beralih ke arah penjanaan elektrik statik, menimbulkan ancaman kepada kestabilan peralatan. Isu ini tidak dikaitkan dengan pemeluwapan tetapi memerlukan penyelesaian tersendiri. Mitigasi melibatkan prosedur pembumian dan penggunaan salutan lantai khusus. Langkah-langkah ini selaras dengan kaedah yang ditetapkan untuk melindungi peralatan dalaman daripada elektrik statik. Dengan membumikan elemen pembinaan, rak dan peralatan IT, cas statik dihamburkan tanpa berbahaya ke tanah, memelihara integriti peralatan.

Dalam iklim semula jadi, keadaan kelembapan yang sangat tinggi atau rendah jarang berlaku. Pengecualian ketara termasuk kejadian yang jarang berlaku seperti ribut petir yang mencapai kelembapan 100% pada bulan Julai atau fros teruk yang menyebabkan kelembapan sangat rendah. Walau bagaimanapun, untuk kebanyakan masa tahap kelembapan kekal dalam julat yang boleh diterima yang tidak mendatangkan sebarang bahaya kepada peralatan, walaupun tanpa campur tangan aktif.

Kuantiti dan Kelajuan Udara

Seperti yang telah kita bincangkan, untuk memudahkan penyejukan yang berkesan, kita memerlukan jumlah udara luar yang banyak. Pada masa yang sama, keperluan yang kelihatan berlawanan dengan intuisi muncul - mengekalkan aliran udara yang rendah di dalam bangunan. Paradoks yang jelas ini berpunca daripada cabaran yang ditimbulkan oleh arus udara berkelajuan tinggi yang beredar di dalamnya.

Untuk memudahkan, bayangkan kelajuan udara yang tinggi sebagai aliran yang mantap daripada tiub, mewujudkan pusaran dan pergolakan di sekeliling peralatan IT. Pergolakan ini berpotensi membawa kepada pergerakan udara yang tidak teratur dan terlalu panas setempat. Untuk menangani perkara ini, kami secara strategik menyasarkan kelajuan udara rendah keseluruhan 1-2 meter sesaat di seluruh ruang.

Mengekalkan kelajuan udara terkawal ini membolehkan kita menghapuskan gelora. Kelajuan yang lebih tinggi akan berisiko penyelewengan dalam pergerakan udara. Dengan mematuhi julat 1-2 meter sesaat, kami memupuk aliran udara yang lancar dan seragam, mengelakkan terlalu panas setempat. Keseimbangan halus ini memastikan penyejukan peralatan IT yang optimum dengan mengetepikan perangkap yang dikaitkan dengan arus udara berkelajuan tinggi.

Seperti yang dapat dilihat, pendekatan penyejukan percuma berkisar pada penggunaan udara luaran yang cekap sambil mengutamakan kelajuan udara dalaman yang rendah terkawal. Strategi yang disengajakan ini membantu mengekalkan aliran udara lamina dan seragam, memastikan keberkesanan penyejukan peralatan IT.

Konsep Bangunan

Dalam paradigma penyejukan percuma, saluran udara tradisional tidak digunakan dalam struktur bangunan. Tidak seperti persediaan konvensional dengan saluran udara yang ditetapkan di dinding, siling atau kawasan tertentu, pusat pemprosesan data menggunakan pendekatan yang tidak konvensional. Bangunan itu sendiri dianggap sebagai saluran udara, menjadikan unit penghawa dingin tradisional usang. Skala besar saluran udara ini mengubahnya menjadi komponen penting dalam bilik dan lantai.

Proses aliran udara bermula apabila udara luar memasuki bangunan, melalui dua jenis penapis - penapis kasar dan penapis halus. Setelah udara menjalani proses pembersihan, ia digerakkan oleh kipas ke dalam jumlah bangunan yang luas, lebih kurang bersamaan dengan ketinggian empat tingkat. Isipadu yang besar ini memenuhi tujuannya sendiri: untuk memperlahankan aliran udara, mengurangkan kelajuannya kepada julat yang diperlukan 1-2 meter sesaat. Selepas itu, udara turun ke bilik jentera.

Selepas merentasi bilik jentera, udara meneruskan perjalanannya melalui rak IT, menuju ke lorong panas. Dari situ, ia memasuki pengumpul udara panas sebelum dikeluarkan ke luar melalui kipas ekzos. Laluan aliran udara berstruktur ini memastikan proses penyejukan yang cekap sambil mengekalkan kelajuan udara terkawal.

Kelajuan Udara dan Isipadu

Pilihan reka bentuk yang disengajakan untuk menggunakan volum bangunan yang luas mempunyai dua tujuan. Pertama sekali, ia membolehkan pengurangan secara beransur-ansur dalam kelajuan udara, memastikan aliran udara mencapai halaju yang dikehendaki 1-2 meter sesaat. Kelajuan udara terkawal ini penting untuk mengelakkan pergolakan dan mengekalkan aliran laminar, terutamanya penting apabila udara bergerak melalui peralatan IT yang sensitif. Kedua, isipadu ketara menampung isipadu udara yang diperlukan untuk menghilangkan haba yang dijana dengan cekap. Interaksi serentak kelajuan udara dan kelantangan menyumbang kepada kejayaan keseluruhan sistem.

Tekanan Berbeza sebagai Pemacu Pengurusan Tunggal

Dalam persediaan penyejukan percuma, kami tidak mempunyai kawalan ke atas suhu udara luaran, yang membawa kepada variasi suhu udara yang memasuki Pusat Data (DC). Walaupun begitu, menganggarkan aliran udara yang diperlukan untuk penyejukan peralatan adalah penting. Untuk menangani ini, kami bergantung pada kaedah tekanan pembezaan.

Di dalam setiap rak IT, pelayan dengan kipas dalaman beroperasi pada kelajuan yang berbeza, secara kolektif mewujudkan tekanan berbeza antara bahagian hadapan dan belakang rak. Dengan banyak pelayan, setiap satu menyumbang kepada aliran udara keseluruhan, perbezaan tekanan ini secara beransur-ansur membina antara lorong sejuk dan panas. Menggunakan penderia tekanan di kedua-dua lorong dan di luar bangunan DC, kita boleh mengukur tekanan perbezaan ini.

Pengiraan melibatkan penolakan data penderia tekanan di lorong panas daripada tekanan atmosfera dan penolakan data penderia tekanan di lorong sejuk daripada tekanan atmosfera. Oleh itu seperti dalam contoh di bawah:

Contoh Dunia Nyata

Nilai yang terhasil kemudian membimbing kami dalam menentukan bekalan udara yang diperlukan ke DC dan ekzos yang diperlukan untuk mengimbangi operasi kipas pelayan. Dalam istilah yang lebih mudah, kami mengukur keperluan aliran udara kami berdasarkan perbezaan tekanan, membolehkan kami menguruskan proses penyejukan dalam DC dengan cekap.

Ruang Pemanasan dan Pencampuran

Sistem pemanasan tradisional biasanya tidak dilaksanakan di Pusat Data dengan penyejukan percuma. Menggunakan air dianggap tidak rasional kerana kos dan potensi risiko kepada peralatan. Ini menimbulkan cabaran semasa selsema yang melampau, mencapai -20–30 darjah di luar. Walaupun peralatan mengendalikannya dengan baik, jurutera mencari pendekatan yang lebih lembut. Penyelesaian yang paling elegan dan logik di sini ialah menggunakan semula udara panas yang dihasilkan oleh peralatan IT. Mengarahkan udara panas dari pelayan ke dalam ruang pencampur, dan mengembalikan sebahagian daripadanya ke arus udara utama, sistem ini memastikan premis tetap hangat pada musim sejuk dan membolehkan menjimatkan kos pemanasan.

Kesederhanaan dan Kebolehpercayaan

Tesis utama dalam teori kebolehpercayaan menegaskan bahawa kesederhanaan melahirkan kebolehpercayaan. Ini berlaku untuk sistem penyejukan percuma yang berdiri sebagai konsep yang sangat mudah. Sistem ini berfungsi sebagai penghadang, membawa udara dari luar melalui penapis, melewatinya melalui peralatan IT, dan kemudian hanya mengeluarkannya.

Ketiadaan sistem yang kompleks meningkatkan kebolehpercayaan, dengan hanya peminat yang menimbulkan kerentanan dalam cuaca panas. Pendekatan penyejukan bebas mencontohkan penyederhanaan sistem radikal, dengan ketara meningkatkan kebolehpercayaan dengan mengurangkan bilangan elemen.

Peminat DC lwn Peminat Pelayan

Pihak berkuasa hierarki peminat adalah satu lagi persoalan asas dalam dinamik aliran udara dalam DC. Seperti yang telah kita bincangkan, terdapat peminat berskala besar di peringkat DC dan di peringkat pelayan. Persoalannya ialah: adakah peminat pusat data hanya membekalkan udara, meninggalkan peminat pelayan untuk menggunakan seberapa banyak yang diperlukan? Atau adakah permintaan itu berasal dari peminat pelayan, memaksa peminat DC untuk memenuhi keperluan mereka?

Mekanismenya adalah seperti berikut: peminat pelayan mempunyai peranan yang dominan dalam proses ini, menentukan aliran udara yang diperlukan. Selepas itu, kipas DC bertindak balas dengan menghantar isipadu udara yang diperlukan. Ia menjadi jelas bahawa jika permintaan terkumpul daripada semua pelayan melebihi kapasiti bekalan kipas DC, ia boleh menyebabkan potensi terlalu panas.

Jadi jawapannya ialah peminat pelayan mempunyai keutamaan dalam dinamik ini. Mereka mengatur aliran udara, menentukan kuantiti udara yang diperlukan.

Kecekapan dan Pengiraan PUE

Untuk menilai kecekapan projek DC, pengiraan Keberkesanan Penggunaan Kuasa (PUE) digunakan secara tradisional. Formula untuk PUE ialah nisbah Jumlah Kuasa Kemudahan kepada Kuasa Peralatan IT:

PUE = Jumlah Kuasa Kemudahan / Kuasa Peralatan IT

Sebaik-baiknya, ia sama dengan 1, menandakan bahawa semua tenaga diarahkan kepada peralatan IT tanpa sebarang pembaziran. Walau bagaimanapun, mencapai senario sempurna ini jarang berlaku dalam projek dunia sebenar.

Isu lain timbul apabila kami cuba mewujudkan metodologi yang jelas untuk mengira Keberkesanan Penggunaan Kuasa (PUE). Oleh itu, sebagai contoh, dalam sistem kami, kami mempunyai metrik yang menunjukkan penggunaan kuasa serta-merta dalam watt, yang memungkinkan untuk mengira PUE dalam masa nyata.

Selain itu, kami boleh memperoleh purata PUE dalam tempoh tahunan, yang menawarkan penilaian yang lebih komprehensif dengan mengambil kira turun naik bermusim. Ini amat penting memandangkan perbezaan dalam penggunaan tenaga antara musim; contohnya, perbezaan dalam keperluan penyejukan antara musim panas dan musim sejuk. Ini bermakna jika kita ingin mempunyai penilaian yang lebih dipercayai, kita perlu mengutamakan purata tahunan yang menyediakan penilaian yang lebih seimbang dan komprehensif.

Ia juga penting untuk meneroka PUE bukan semata-mata dari segi tenaga tetapi juga unit monetari, dengan itu menggabungkan turun naik bermusim harga elektrik. Menilai PUE dari segi monetari memberikan perspektif yang lebih holistik mengenai kecekapan operasi.

Selain itu, pendekatan ini mendedahkan kemungkinan untuk mencapai nilai PUE kurang daripada 1 apabila diukur dalam dolar. Ia menjadi mungkin, sebagai contoh, apabila kita menggunakan haba buangan untuk pemanasan air dan menjualnya lagi ke bandar-bandar berdekatan. Contoh yang patut diberi perhatian, seperti pusat data Google di Amerika Syarikat dan kemudahan Yandex di Finland, menunjukkan daya maju amalan sedemikian, terutamanya di kawasan yang dicirikan oleh kos tenaga yang tinggi.

Kecekapan lwn. Kebolehpercayaan

Kebimbangan tentang mengurangkan kos dan meningkatkan kecekapan sering menimbulkan persoalan tentang potensi kesan negatif terhadap kebolehpercayaan. Walau bagaimanapun, saya ingin menekankan bahawa dalam penyejukan percuma mengejar kecekapan tidak menjejaskan kebolehpercayaan. Sebaliknya, kesan sampingan teknologinya malah boleh meningkatkan kecekapan. Sebagai contoh, seperti yang telah kita bincangkan, mengalihkan haba berlebihan kepada pam panas untuk faedah tambahan, seperti menjana air panas untuk bandar berdekatan, menjadi amalan yang menguntungkan dari segi kewangan tanpa mengorbankan kebolehpercayaan.

Masa Depan Penyejukan Percuma

Walaupun semua kelebihan tawaran penyejukan percuma, industri pusat data masih didorong oleh pendekatan konservatif dan menuntut kebolehpercayaan yang terbukti, dengan kecenderungan untuk menentang penyelesaian inovatif. Kebergantungan kepada pensijilan daripada badan seperti Institut Uptime untuk pemasaran menimbulkan halangan lain untuk penyelesaian penyejukan percuma, tidak mempunyai pensijilan yang mantap, memimpin penyedia komersial untuk melihatnya dengan keraguan.

Namun begitu, terdapat trend dalam kalangan peskala besar korporat untuk menggunakan penyejukan percuma sebagai penyelesaian utama untuk DC mereka. Dengan semakin banyak syarikat yang mengakui keberkesanan kos dan faedah operasi teknologi ini, kami menjangkakan bahawa lebih banyak pusat data penyejukan tanpa korporat akan muncul dalam tempoh 10-20 tahun akan datang.