De evolutie van datacenterkoeling: van luchtgebaseerde methoden naar vrije koeling

Probleemdefinitie

De toenemende groei van de infrastructuur van datacenters en de daarmee gepaard gaande toename van het gebruik van IT-apparatuur hebben geleid tot een toename van het elektriciteitsverbruik.

Omdat servers, integrale onderdelen van datacenters, tijdens bedrijf elektriciteit omzetten in warmte, hebben we te maken met hoge temperaturen en koele datacenterruimtes en -apparatuur.

Laten we de basis van de natuurkunde op school nog even snel herhalen: volgens de fundamentele principes van de thermodynamica verdwijnt de energie niet, maar wordt deze getransformeerd. Dus als een datacenter 1 MW elektriciteit verbruikt, wordt dit hele energiekwantum omgezet in een equivalente hoeveelheid warmte. Bijgevolg geldt: hoe meer elektriciteit er wordt verbruikt, hoe groter de uitdaging om de resulterende warmte in het datacenter te beheren.

De situatie wordt nog ingewikkelder, omdat IT-apparatuur verschillende energieverbruiksniveaus kan hebben terwijl het verschillende fysieke afmetingen heeft. Bijvoorbeeld, apparatuur met een hoog energieverbruik kan een klein formaat hebben, wat problemen oplevert bij het efficiënt koelen van de geconcentreerde warmte. Aan de andere kant is grotere IT-apparatuur met een relatief gematigd elektriciteitsverbruik gemakkelijker te koelen vanwege het grotere oppervlak. Datacenters huisvesten doorgaans een mix van apparatuurgroottes en verbruiksniveaus, wat de uitdaging vormt om niet alleen verschillende IT-apparatuur te koelen, maar dit ook te doen met verschillende snelheden, gedicteerd door de temperatuurvereisten van elk type apparatuur. Het spreekt voor zich dat we om het DC te koelen aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit nodig hebben, wat de operationele kosten verhoogt.

Het probleem van efficiënt stroomgebruik in datacenters wordt vooral acuut met de wereldwijde stijging van de elektriciteitsprijzen. Volgens het rapport van Statista de wereldwijde elektriciteitsprijzen schoten omhoog naar een recordhoogte tussen 2021 en 2022. Toen de COVID-19-gezondheidscrisis in de tweede helft van 2021 afnam, nam de vraag naar energie toe en bereikten de elektriciteitsprijzen een eerste recordhoogte. Begin 2022 werd de energiemarkt weer krapper en werd de energiecrisis heviger.

Het elektriciteitsverbruik in datacenters neemt toe, ondanks toenemende prestatie-efficiëntie.

Met andere woorden, hoewel de prestaties per watt verbeteren, groeit de vraag naar hulpbronnen nog sneller, dus het totale verbruik neemt onvermijdelijk toe, net als de kosten. Er kunnen echter aanzienlijke kostenbesparingen worden bereikt door de koelsystemen te optimaliseren. Dit maakte dat ik me dieper wilde verdiepen in de efficiënte koelmethoden in het algemeen en vrije koeling in het bijzonder.

De beoordeling van energieverbruiksniveaus in datacenters is meestal gebaseerd op de Power Usage Effectiveness (PUE)-metriek. PUE meet de efficiëntie van een datacenter door het totale energieverbruik te evalueren ten opzichte van het energieverbruik dat uitsluitend voor IT-apparatuur wordt gebruikt. We zullen hier later meer in detail op ingaan. Wat we nu moeten weten, is dat een lagere PUE een efficiënter datacenter betekent, wat duidt op een verminderde afhankelijkheid van niet-computervermogen. In het licht van de groeiende infrastructuur en het toenemende elektriciteitsverbruik biedt het optimaliseren van PUE met efficiëntere koelsystemen financiële voorzichtigheid en duurzame bedrijfsvoering.

In dit artikel bespreken we traditionele en innovatieve koelmethoden en ontdekken we welke methode het meeste rendement biedt.

Overzicht van koelmethoden

Lucht en niet-lucht

In een vereenvoudigde classificatie kunnen koeltechnieken worden onderverdeeld in twee primaire categorieën: op lucht gebaseerde en niet-op lucht gebaseerde methoden. Om het uit te werken, omvat luchtkoeling conventionele benaderingen, terwijl de niet-op lucht gebaseerde categorie diverse methoden omvat die stoffen zoals water, olie of vaste materialen gebruiken. Het is opmerkelijk dat de overgrote meerderheid, namelijk 99%, van de koelmethoden onder de paraplu van luchtkoeling vallen.

Airconditioners

Airconditioningsystemen zijn de meest voorkomende manier van luchtkoeling in professionele datacenteropstellingen. Hun fundamentele principe weerspiegelt dat van residentiële airconditioners: de lucht die door de servers stroomt, wordt door een airconditioner gecirculeerd, gekoeld via een radiatorrooster en vervolgens teruggecirculeerd in de servers. Dit cyclische proces zorgt voor een continu koelmechanisme.

Koelmachines

Na airconditioners zijn chillers het op één na meest gebruikte koelsysteem. In tegenstelling tot airconditioners gebruiken chillers water (of een oplossing op waterbasis) om warmte weg te voeren van ruimtes die klimaatbeheersing vereisen. Hoewel airconditioning eenvoudiger en over het algemeen betaalbaarder is, kunnen de hogere energiekosten soms een afschrikmiddel zijn voor bedrijven. Aan de andere kant zijn gekoeldwatersystemen energiezuiniger, maar vereisen ze meer componenten en complexiteit bij hun installatie en onderhoud.

Adiabatische kamers en matten

Adiabatische koeling omvat het gebruik van kamers of matten waar water in wordt gegoten en verdampt. Terwijl het water verdampt, koelen de kamers en matten samen met de lucht erin. Hoewel adiabatische koeling een derde haalbare optie is, wordt het als enigszins exotisch beschouwd en wordt het niet zo vaak gebruikt in datacenterkoeling in vergelijking met airconditioners en chillers.

Waterkoeling

In waterkoelsystemen worden water of waterhoudende vloeistoffen gebruikt voor warmteafvoer. Waterleidingen worden strategisch geplaatst in serverruimtes, waarbij elke server is aangesloten op twee leidingen: één voor de uitstroom van warm water en de andere voor de instroom van koud water. Radiatoren op CPU's, GPU's en andere apparatuur zijn rechtstreeks verbonden met dit watertoevoersysteem. Deze aanpak koelt niet alleen de apparatuur en het pand van het datacenter, maar genereert ook een voorraad warm water voor extra gebruik.

Warmtewisselaars

Deze methode verbetert de koelefficiëntie door gebruik te maken van externe koude omgevingen.

Als er een koude bron in de buurt is, zoals een meer, zee of koude grond, kunnen er waterleidingen rechtstreeks naar de bron worden aangelegd om grote hoeveelheden warmte van IT-apparatuur over te brengen.

Exoten

Er zijn ook onconventionele methoden. Een daarvan is gebaseerd op Peltier-elementen of thermo-elektrische koelers (TEC's). Deze aanpak is gebaseerd op halfgeleidereffecten en omvat het leveren van elektriciteit aan een speciale plaat die aan de ene kant wordt verwarmd en aan de andere kant wordt gekoeld.

Een andere avant-gardebenadering is de inzet van onderwaterdatacenters. In Project Natick van Microsoft , bijvoorbeeld, een datacenter werd in het voorjaar van 2018 ondergedompeld op 117 voet diepte in de Northern Isles. Gedurende de daaropvolgende twee jaar voerde het team rigoureuze tests en monitoring uit op de servers van het datacenter. Het werd bevestigd dat het plaatsen van een verzegelde container op de bodem van de oceaan de algehele betrouwbaarheid van het datacenter zou kunnen verbeteren door problemen zoals corrosie, temperatuurschommelingen en fysieke verstoringen die zich doorgaans op het land voordoen, te verminderen.

Gratis koeling

Deze techniek is met name gericht op het maximaliseren van de koelefficiëntie. Vrije koeling ververst de lucht in een datacenter zonder afhankelijk te zijn van traditionele koelsystemen. Het gebruikt natuurlijke buitenlucht zoals die is. Normaal gesproken is de buitenlucht alleen onderhevig aan vochtigheidsregeling en vervolgens reguleren natuurlijke thermodynamische processen de temperaturen in de datarooms.

Deze methode zorgt voor een aanzienlijk lager stroomverbruik (75% tot 92% minder vergeleken met andere CRAH-systemen), een lagere CO2-uitstoot en een eliminatie van de noodzaak van water in het koelsysteem.

Gratis koeling is een van de meest milieuvriendelijke keuzes die minder energie vereist. Bovendien kan het helpen kosten te besparen, aangezien 40% van het vermogen dat door datacenters wordt gebruikt, naar koeling gaat. Dit systeem verbetert de prestaties van alle luchtgekoelde apparatuur, zelfs onder zware omstandigheden. Hier is een eenvoudige visuele weergave van het gratis koelingsproces:

Zoals u kunt zien, werkt het systeem op een heel eenvoudige manier, waarbij buitenlucht door filters, IT-apparatuur wordt geleid en afgevoerd. Deze reductie in complexiteit, met alleen ventilatoren als potentiële kwetsbaarheden, versterkt de algehele betrouwbaarheid van een DC op vrije koeling.

In tegenstelling tot systemen met complexe apparatuur, vermindert de afwezigheid van ingewikkelde componenten ook zowel de initiële installatiekosten als de doorlopende onderhoudskosten. De financiële voordelen beginnen dus al in de bouwfase, waar het gestroomlijnde ontwerp van vrije koeling zich vertaalt in tastbare besparingen.

De kwelling van de keuze

Tijdens conferenties en vergaderingen krijg ik vaak veel vragen over de paradox: als gratis koeling net zo voordelig is in termen van kostenbesparing en eenvoud, waarom wordt het dan niet universeel in de sector toegepast?

Dit roept de bredere vraag op waarom, ondanks de voordelen, slechts een beperkt aantal bedrijven free cooling omarmt, terwijl anderen vasthouden aan conventionele methoden. Het antwoord hierop ligt in een veelzijdig onderzoek naar de heersende dynamiek in de industrie.

Dictatuur van de industrie

In de datacenterindustrie, waar betrouwbaarheid van primair belang is, stuit de adoptie van innovatieve oplossingen vaak op weerstand. Ik schrijf dit allereerst toe aan de conservatieve aard van de DC-industrie, waar besluitvormers bewezen concepten boven innovatieve oplossingen stellen.

Hoewel nieuwe technologieën zoals free cooling kosteneffectiviteit en efficiëntie beloven, geven vertegenwoordigers van de industrie de voorkeur aan traditionele, maar betrouwbare benaderingen om een ​​naadloze werking van de servers te garanderen.

Marketingobstakels

Een ander punt hier is dat commerciële DC-aanbieders, die ongeveer 80% van de sector uitmaken, vertrouwen op certificeringen van onafhankelijke instanties zoals de Uptime Instituut om hun betrouwbaarheid op de markt te brengen. Dit vormt echter een uitdaging voor gratis koeloplossingen, aangezien er nog geen vastgestelde certificering voor is. Deze situatie leidt ertoe dat commerciële aanbieders zich verzetten tegen alternatieve koelmethoden, waarbij ze onzekerheden over hun betrouwbaarheid en het ontbreken van een certificeringsprecedent aanhalen.

Zorgen over opwarming van de aarde

Critici uiten vaak zorgen over de impact van de opwarming van de aarde op de levensvatbaarheid van free cooling. Het argument wordt echter ontkracht door de geleidelijke aard van de opwarming van de aarde te erkennen, met een geschatte toename van 1,5 graden in een decennium. Deze bescheiden temperatuurverandering zal de stabiliteit van free cooling-oplossingen op de korte termijn waarschijnlijk niet in gevaar brengen.

"Voor het geval dat"-argument

Nog een veelvoorkomende praktijk voor bedrijven die kiezen voor een DC-koelmethode is het opnemen van reserve-airconditioningunits als voorzorgsmaatregel naast gratis koeling. Dit "voor het geval dat"-argument ondermijnt het kernconcept van gratis koeling, introduceert onnodige complexiteit en brengt financiële en operationele efficiëntie in gevaar.

Zelfs voor een kleine airconditioner is er behoefte aan verschillende componenten zoals freon, draden, vloeistoffen, systemen en bedieningselementen. In plaats van het idee van een reserve-airconditioner te omarmen, zou de industrie zich moeten richten op het aanpassen van haar free cooling-systeem aan een breed scala aan omstandigheden zonder te vertrouwen op valse hoop.

Echte risico's en overwegingen

Bij het overwegen van een free cooling-oplossing, vereisen enkele tastbare risico's en overwegingen aandacht. Een primaire overweging is de geografische regio, aangezien het implementeren van free cooling in een regio als de Arabische Emiraten mogelijk niet gerechtvaardigd is.

Toegankelijkheid is een ander aspect om in gedachten te houden. De geselecteerde regio moet de vereiste infrastructuur bezitten en gemakkelijk bereikbaar zijn voor gespecialiseerd personeel dat belast is met het onderhoud van datacenters. Connectiviteit, inclusief de beschikbaarheid van optische lijnen, is ook belangrijk. Bijvoorbeeld, het opzetten van een free-cooling datacenter buiten de poolcirkel wordt onpraktisch vanwege het ontbreken van communicatielijnen en de uitdaging om een ​​geschoolde beroepsbevolking te behouden.

Naast deze logistieke overwegingen zijn de enige beperkingen voor gratis koeling de maximale temperatuur in de regio (ca. 38-40 graden) en de luchtkwaliteit. Gebieden met overmatige vervuiling, zoals die in de buurt van drukke snelwegen of intensieve landbouwactiviteiten, kunnen problemen opleveren. Hoewel er geen regelrecht verbod is, moeten filters op dergelijke locaties regelmatig worden vervangen. In tegenstelling tot conventionele datacenters met airconditioning die interne lucht laten circuleren, zuigen gratis koelingscentra buitenlucht aan, wat nauwgezetter filteronderhoud vereist. Andere locatieparameters komen overeen met die van traditionele datacenters.

Pioniers en toekomstige trends

Ondanks de conservatieve aard van de industrie, evalueren sommige vooruitstrevende bedrijven de tastbare voordelen van alternatieven. Door de kosteneffectiviteit van free cooling te berekenen via numerieke analyse, realiseren ze zich de potentiële kostenbesparingen die het biedt.

Verschillende vooraanstaande bedrijven, zoals Facebook (nu Meta), Google, Amazon, Yandex en Wildberries, zijn pioniers in het adopteren van free cooling-technologie. Hun baanbrekende status komt voort uit hun bereidheid om risico's te beoordelen en de financiële voordelen te erkennen die inherent zijn aan deze technologie. De keuze voor deze bedrijven was duidelijk: ofwel kiezen voor conventionele schema's en hogere kosten maken, ofwel de risico's en voordelen nemen van pioniers worden in datacenterkoeling.

Het veranderende landschap van de industrie duidt op een groeiende trend onder corporate hyperscalers richting het implementeren van free cooling-oplossingen. Naarmate meer bedrijven de kosteneffectiviteit en operationele voordelen van deze technologie erkennen, wordt verwacht dat er in de toekomst steeds meer corporate free cooling-datacenters zullen ontstaan.

Als u meer wilt weten over de natuurkunde van vrije koeling, lees dan mijn nieuwe artikel Vrije koeling: diepgaande analyse van de technologie.