Ewolucja chłodzenia centrów danych: od metod opartych na powietrzu do chłodzenia swobodnego

Definicja problemu

Rosnący rozwój infrastruktury centrów danych i jednoczesny wzrost wykorzystania sprzętu IT doprowadziły do ​​wzrostu zużycia energii elektrycznej.

Ponieważ serwery, będące integralnymi elementami centrów danych, podczas pracy zamieniają energię elektryczną na ciepło, pojawia się problem radzenia sobie z wysokimi temperaturami oraz chłodem pomieszczeń i sprzętu w centrach danych.

Przypomnijmy sobie szybko podstawy fizyki szkolnej: zgodnie z podstawowymi zasadami termodynamiki, energia nie znika, ale ulega transformacji. Tak więc, jeśli centrum danych zużywa 1 MW energii elektrycznej – cały ten kwant energii zostaje przekształcony w równoważną ilość ciepła. W konsekwencji, im więcej energii elektrycznej jest zużywane, tym większe wyzwanie stanowi zarządzanie powstającym ciepłem w centrum danych.

Sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowana, ponieważ sprzęt IT może mieć różne poziomy zużycia energii, a jednocześnie różne rozmiary fizyczne. Na przykład sprzęt o wysokim zużyciu energii może mieć niewielkie rozmiary, co stwarza problemy w efektywnym chłodzeniu skoncentrowanego ciepła. Z drugiej strony większy sprzęt IT o stosunkowo umiarkowanym zużyciu energii elektrycznej jest łatwiejszy do schłodzenia ze względu na większą powierzchnię. Centra danych zazwyczaj mieszczą mieszankę rozmiarów sprzętu i poziomów zużycia, co stanowi wyzwanie nie tylko chłodzenia różnorodnego sprzętu IT, ale także robienia tego z różnymi prędkościami, dyktowanymi przez wymagania temperaturowe każdego typu sprzętu. Nie trzeba dodawać, że do chłodzenia DC potrzebujemy znacznych ilości energii elektrycznej, co zwiększa koszty operacyjne.

Problem efektywnego wykorzystania energii w centrach danych staje się szczególnie dotkliwy wraz ze wzrostem cen energii elektrycznej na świecie. Według raport Statista ceny energii elektrycznej na świecie gwałtownie wzrosły, osiągając rekordowy poziom między 2021 a 2022 rokiem. Kiedy kryzys zdrowotny związany z COVID-19 ustał w drugiej połowie 2021 roku, zapotrzebowanie na energię wzrosło, a ceny energii elektrycznej osiągnęły pierwszy rekordowy poziom. Na początku 2022 roku rynek energii znów się zacieśnił, a kryzys energetyczny się nasilił.

Zużycie energii elektrycznej w centrach danych rośnie, mimo że wydajność pracy jest coraz większa.

Innymi słowy, chociaż wydajność na wat się poprawia, zapotrzebowanie na zasoby rośnie jeszcze szybciej, więc ogólne zużycie nieuchronnie wzrasta, podobnie jak koszty. Jednak znaczne oszczędności kosztów można osiągnąć, optymalizując systemy chłodzenia. To sprawiło, że chciałem dokładniej przyjrzeć się wydajnym metodom chłodzenia w ogóle, a w szczególności chłodzeniu swobodnemu.

Ocena poziomów zużycia energii w centrach danych zazwyczaj opiera się na wskaźniku efektywności wykorzystania energii (PUE). PUE mierzy wydajność centrum danych, oceniając całkowite zużycie energii w porównaniu z tym, które jest wykorzystywane wyłącznie do sprzętu IT. Porozmawiamy o tym bardziej szczegółowo nieco później. Teraz musimy wiedzieć, że niższy PUE oznacza bardziej wydajne centrum danych, wskazując na mniejsze uzależnienie od mocy niekomputerowej. W obliczu rosnącej infrastruktury i rosnącego zużycia energii elektrycznej optymalizacja PUE za pomocą bardziej wydajnych systemów chłodzenia zapewnia ostrożność finansową i zrównoważone działanie.

W tym artykule przyjrzymy się tradycyjnym i innowacyjnym metodom chłodzenia i zobaczymy, która z nich zapewnia maksymalną wydajność.

Przegląd metod chłodzenia

Powietrze i powietrze

W uproszczonej klasyfikacji techniki chłodzenia można podzielić na dwie podstawowe kategorie: metody oparte na powietrzu i nieoparte na powietrzu. Aby to rozwinąć, chłodzenie powietrzem obejmuje konwencjonalne podejścia, podczas gdy kategoria nieoparta na powietrzu obejmuje różne metody wykorzystujące substancje takie jak woda, olej lub materiały stałe. Warto zauważyć, że zdecydowana większość, stanowiąca 99%, metod chłodzenia mieści się pod parasolem chłodzenia powietrzem.

Klimatyzatory

Systemy klimatyzacyjne są najbardziej rozpowszechnionym sposobem chłodzenia powietrza w profesjonalnych centrach danych. Ich podstawowa zasada odzwierciedla zasadę działania klimatyzatorów domowych: powietrze przepływające przez serwery krąży w klimatyzatorze, chłodzone przez kratkę chłodnicy, a następnie ponownie kierowane do serwerów. Ten cykliczny proces zapewnia ciągły mechanizm chłodzenia.

Chłodziarki

Po klimatyzatorach, agregaty chłodnicze stanowią drugi najpopularniejszy system chłodzenia. W przeciwieństwie do klimatyzatorów, agregaty chłodnicze wykorzystują wodę (lub roztwór na bazie wody) do odprowadzania ciepła z przestrzeni wymagających kontroli klimatu. Chociaż klimatyzacja jest prostsza i ogólnie bardziej przystępna cenowo, jej wyższe koszty energii mogą czasami odstraszać firmy. Z drugiej strony, systemy wody chłodzonej są bardziej energooszczędne, ale wymagają więcej komponentów i złożoności w instalacji i konserwacji.

Komory i maty adiabatyczne

Chłodzenie adiabatyczne polega na użyciu komór lub mat, do których wlewa się wodę i odparowuje. W miarę odparowywania wody komory i maty chłodzą się wraz z powietrzem w środku. Podczas gdy chłodzenie adiabatyczne stanowi trzecią realną opcję, jest uważane za nieco egzotyczne i nie jest tak powszechnie stosowane w chłodzeniu centrów danych w porównaniu z klimatyzatorami i agregatami chłodniczymi.

Chłodzenie wodne

W systemach chłodzenia wodnego do odprowadzania ciepła wykorzystuje się wodę lub ciecze zawierające wodę. Rury wodne są strategicznie rozmieszczone w serwerowniach, przy czym każdy serwer jest podłączony do dwóch rur — jednej do odpływu gorącej wody i drugiej do dopływu zimnej wody. Grzejniki na procesorach CPU, GPU i innych urządzeniach są bezpośrednio podłączone do tego systemu zaopatrzenia w wodę. Takie podejście nie tylko chłodzi sprzęt i pomieszczenia centrum danych, ale także generuje zapas ciepłej wody do dodatkowych zastosowań.

Wymienniki ciepła

Metoda ta zwiększa efektywność chłodzenia poprzez wykorzystanie zewnętrznego, zimnego środowiska.

Gdy w pobliżu znajduje się źródło zimna, na przykład jezioro, morze lub zimny grunt, można poprowadzić bezpośrednio do niego rury wodociągowe, aby odprowadzać duże ilości ciepła ze sprzętu IT.

Egzotyka

Istnieją również niekonwencjonalne metody. Jedna z nich opiera się na elementach Peltiera lub chłodnicach termoelektrycznych (TEC). Podejście to opiera się na efektach półprzewodnikowych i polega na dostarczaniu prądu do specjalnej płyty, która jest podgrzewana z jednej strony i chłodzona z drugiej.

Innym awangardowym podejściem jest wdrażanie podwodnych centrów danych. Projekt Natick firmy Microsoft na przykład, wiosną 2018 r. na Northern Isles zanurzono na głębokość 117 stóp centrum danych. Przez kolejne dwa lata zespół przeprowadzał rygorystyczne testy i monitorowanie serwerów centrum danych. Potwierdzono, że umieszczenie szczelnego kontenera na dnie oceanu może zwiększyć ogólną niezawodność centrum danych, łagodząc problemy, takie jak korozja, wahania temperatury i zaburzenia fizyczne, które zwykle występują na lądzie.

Chłodzenie bezpłatne

Ta technika jest szczególnie ukierunkowana na maksymalizację wydajności chłodzenia. Free cooling odświeża powietrze w centrum danych bez polegania na tradycyjnych systemach chłodzenia. Wykorzystuje naturalne powietrze zewnętrzne, takie jakie jest. Zazwyczaj powietrze zewnętrzne podlega jedynie kontroli wilgotności, a następnie naturalne procesy termodynamiczne regulują temperaturę w pomieszczeniach danych.

Metoda ta znacząco zmniejsza zużycie energii (od 75% do 92% w porównaniu z innymi systemami CRAH), obniża emisję dwutlenku węgla i eliminuje potrzebę stosowania wody w układzie chłodzenia.

Free cooling to jeden z najbardziej przyjaznych dla środowiska wyborów, który wymaga mniej energii. Poza tym może pomóc zaoszczędzić koszty, ponieważ 40% energii zużywanej przez centra danych jest przeznaczane na chłodzenie. Ten system zwiększa wydajność wszystkich urządzeń chłodzonych powietrzem, nawet w trudnych warunkach. Oto prosta wizualna reprezentacja procesu free-coolingu:

Jak widać, system działa w bardzo prosty sposób, kierując powietrze zewnętrzne przez filtry, sprzęt IT i wydalając je. Ta redukcja złożoności, z wentylatorami jako potencjalnymi podatnościami, wzmacnia ogólną niezawodność DC w chłodzeniu swobodnym.

W przeciwieństwie do systemów ze złożonym wyposażeniem, brak skomplikowanych komponentów zmniejsza również zarówno początkowe koszty konfiguracji, jak i bieżące wydatki na konserwację. Tak więc korzyści finansowe zaczynają się już na etapie budowy, gdzie usprawniona konstrukcja chłodzenia swobodnego przekłada się na namacalne oszczędności.

Agonia wyboru

Podczas konferencji i spotkań często słyszę liczne pytania dotyczące paradoksu: jeśli chłodzenie darmowe jest tak samo korzystne pod względem oszczędności kosztów i prostoty, dlaczego nie jest powszechnie stosowane w branży?

Skłania to do szerszego pytania, dlaczego pomimo korzyści, tylko ograniczona liczba firm przyjęła chłodzenie swobodne, podczas gdy inne nadal stosują konwencjonalne metody. Odpowiedź na to pytanie leży w wieloaspektowej analizie panującej dynamiki branży.

Dyktatura przemysłu

W branży centrów danych, gdzie niezawodność jest najważniejsza, przyjmowanie innowacyjnych rozwiązań często napotyka opór. Przypisuję to przede wszystkim konserwatywnej naturze branży DC, gdzie decydenci stawiają sprawdzone koncepcje ponad innowacyjne rozwiązania.

Podczas gdy nowe technologie, takie jak chłodzenie swobodne, obiecują opłacalność i wydajność, przedstawiciele branży wolą tradycyjne, ale niezawodne rozwiązania, aby zapewnić bezproblemową pracę serwerów.

Przeszkody marketingowe

Kolejnym punktem jest to, że komercyjni dostawcy usług DC, stanowiący około 80% branży, opierają się na certyfikatach niezależnych organów, takich jak Instytut Uptime aby wypromować ich niezawodność. Stanowi to jednak wyzwanie dla rozwiązań chłodzenia swobodnego, ponieważ nie ma jeszcze dla nich ustalonej certyfikacji. Ta sytuacja sprawia, że ​​komercyjni dostawcy sprzeciwiają się alternatywnym metodom chłodzenia, powołując się na niepewność co do ich niezawodności i brak precedensu certyfikacji.

Obawy związane z globalnym ociepleniem

Krytycy często podnoszą kwestie wpływu globalnego ocieplenia na wykonalność darmowego chłodzenia. Jednak argument ten jest obalany przez uznanie stopniowej natury globalnego ocieplenia, ze wzrostem o około 1,5 stopnia w ciągu dekady. Ta skromna zmiana temperatury prawdopodobnie nie zagrozi stabilności rozwiązań darmowego chłodzenia w najbliższej przyszłości.

Argument „na wszelki wypadek”

Kolejną powszechną praktyką firm wybierających metodę chłodzenia DC jest włączenie zapasowych jednostek klimatyzacyjnych jako środka ostrożności oprócz chłodzenia swobodnego. Ten argument „na wszelki wypadek” podważa podstawową koncepcję chłodzenia swobodnego, wprowadzając niepotrzebną złożoność i narażając na szwank wydajność finansową i operacyjną.

Nawet w przypadku małej klimatyzacji pojawia się potrzeba dostarczenia różnych komponentów, takich jak freon, przewody, płyny, systemy i elementy sterujące. Zamiast przyjmować ideę posiadania zapasowej klimatyzacji, branża powinna skupić się na dostosowaniu swojego systemu chłodzenia swobodnego do szerokiego zakresu warunków, nie polegając na fałszywych nadziejach.

Rzeczywiste ryzyka i rozważania

Rozważając rozwiązanie chłodzenia bezpłatnego, należy zwrócić uwagę na pewne namacalne ryzyka i rozważania. Jednym z głównych rozważań jest region geograficzny, ponieważ wdrażanie chłodzenia bezpłatnego w regionie takim jak Emiraty Arabskie może nie być uzasadnione.

Dostępność to kolejny aspekt, który należy wziąć pod uwagę. Wybrany region musi posiadać wymaganą infrastrukturę i być łatwo dostępny dla wyspecjalizowanego personelu odpowiedzialnego za konserwację centrum danych. Łączność, w tym dostępność linii optycznych, jest również ważna. Na przykład utworzenie centrum danych z chłodzeniem swobodnym poza kołem podbiegunowym staje się niepraktyczne ze względu na brak linii komunikacyjnych i wyzwanie utrzymania wykwalifikowanej siły roboczej.

Oprócz tych rozważań logistycznych, jedyne ograniczenia dla chłodzenia swobodnego dotyczą maksymalnej temperatury regionu (ok. 38-40 stopni) i jakości powietrza. Obszary o nadmiernym zanieczyszczeniu, takie jak te w pobliżu ruchliwych autostrad lub intensywnej działalności rolniczej, mogą stwarzać problemy. Chociaż nie ma całkowitego zakazu, filtry w takich miejscach będą wymagały częstej wymiany. W przeciwieństwie do konwencjonalnych klimatyzowanych centrów danych, które cyrkulują powietrze wewnętrzne, centra chłodzenia swobodnego pobierają powietrze zewnętrzne, co wymaga bardziej starannej konserwacji filtrów. Inne parametry lokalizacji są zgodne z tymi, które mają zastosowanie w tradycyjnych centrach danych.

Pionierzy i trendy przyszłości

Pomimo konserwatywnej natury branży, niektóre myślące przyszłościowo przedsiębiorstwa oceniają namacalne korzyści alternatyw. Obliczając opłacalność chłodzenia swobodnego za pomocą analizy numerycznej, zdają sobie sprawę z potencjalnych oszczędności kosztów, jakie ono oferuje.

Kilka znanych firm, takich jak Facebook (obecnie Meta), Google, Amazon, Yandex i Wildberries, jest pionierami w przyjmowaniu technologii chłodzenia swobodnego. Ich pionierski status wynika z ich gotowości do oceny ryzyka i rozpoznania korzyści finansowych tkwiących w tej technologii. Wybór dla tych firm był jasny – albo wybrać konwencjonalne schematy i ponieść wyższe koszty, albo podjąć ryzyko i korzyści, stając się pionierami w chłodzeniu centrów danych.

Ewoluujący krajobraz branży wskazuje na rosnący trend wśród korporacyjnych hiper-skalujących w kierunku wdrażania rozwiązań chłodzenia swobodnego. Ponieważ coraz więcej firm dostrzega opłacalność i zalety operacyjne tej technologii, przewiduje się, że w przyszłości pojawi się coraz więcej centrów danych chłodzenia swobodnego dla korporacji.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat fizyki chłodzenia swobodnego, zapoznaj się z moim nowym artykułem Chłodzenie swobodne: Głębokie zanurzenie w technologii.