Evoluția răcirii centrului de date: de la metode pe bază de aer la răcire liberă

Definirea problemei

Creșterea în creștere a infrastructurii centrelor de date și creșterea concomitentă a utilizării echipamentelor IT au condus la o creștere a consumului de energie electrică.

Întrucât serverele, componentele integrale ale centrelor de date, transformă electricitatea în căldură în timpul funcționării, ne confruntăm cu problema de a face față temperaturilor ridicate și recidivelor și echipamentelor reci ale centrelor de date.

Să ne amintim cu viteză de elementele de bază ale fizicii școlare: urmând principiile fundamentale ale termodinamicii, energia nu dispare, ci se transformă. Astfel, dacă un centru de date consumă 1 MW de energie electrică – întreaga cantitate de energie este transformată într-o cantitate echivalentă de căldură. În consecință, cu cât se consumă mai multă energie electrică, cu atât este mai mare provocarea de a gestiona căldura rezultată în centrul de date.

Situația devine și mai complicată, deoarece echipamentele IT pot avea niveluri diferite de consum de energie, având în același timp dimensiuni fizice disparate. De exemplu, echipamentele cu consum mare de energie pot avea o dimensiune mică, punând probleme în răcirea eficientă a căldurii concentrate. Pe de altă parte, echipamentele IT mai mari, cu un consum relativ moderat de energie electrică, sunt mai ușor de răcit datorită suprafeței sale mai mari. Centrele de date găzduiesc de obicei o combinație de dimensiuni ale echipamentelor și niveluri de consum, prezentând provocarea nu numai de a răci diverse echipamente IT, ci și de a face acest lucru la viteze diferite, dictate de cerințele de temperatură ale fiecărui tip de echipament. Inutil să spunem că pentru a răci DC avem nevoie de cantități substanțiale de energie electrică, ceea ce se adaugă la costurile operaționale.

Problema utilizării eficiente a energiei în centrele de date devine deosebit de acută odată cu creșterea globală a prețurilor la energie electrică. Conform raportul Statista Prețurile mondiale ale energiei electrice au crescut vertiginos până la un maxim istoric între 2021 și 2022. Când criza de sănătate COVID-19 s-a diminuat în a doua jumătate a anului 2021, cererea de energie a crescut, iar prețurile la electricitate au atins un prim record. La începutul anului 2022, piaţa energiei s-a înăsprit din nou, iar criza energetică s-a intensificat.

Consumul de energie electrică din centrul de date este în creștere, în ciuda creșterii eficienței performanței.

Cu alte cuvinte, deși performanța per watt se îmbunătățește, cererea de resurse crește și mai repede, astfel încât consumul general crește inevitabil, precum și costurile. Cu toate acestea, se pot realiza economii substanțiale de costuri prin optimizarea sistemelor de răcire. Acest lucru m-a făcut să vreau să privesc mai profund metodele eficiente de răcire în general și free cooling în special.

Evaluarea nivelurilor de consum de energie în centrele de date se bazează, de obicei, pe măsurarea Eficienței utilizării energiei (PUE). PUE evaluează eficiența unui centru de date evaluând consumul total de energie față de cel utilizat exclusiv pentru echipamentele IT. Vom vorbi despre asta mai detaliat puțin mai târziu. Ceea ce trebuie să știm acum este că un PUE mai mic înseamnă un centru de date mai eficient, ceea ce indică o dependență redusă de puterea non-computer. În fața infrastructurii în creștere și a consumului de energie electrică în creștere, optimizarea PUE cu sisteme de răcire mai eficiente oferă prudență financiară și operațiuni durabile.

În acest articol, vom explora metodele tradiționale și inovatoare de răcire și vom descoperi care dintre ele oferă eficiență maximă.

Prezentare generală a metodelor de răcire

Aer și non-aer

Într-o clasificare simplificată, tehnicile de răcire pot fi delimitate în două categorii principale: metode pe bază de aer și metode fără aer. Pentru a detalia, răcirea cu aer include abordări convenționale, în timp ce categoria non-aer include diverse metode care folosesc substanțe precum apa, uleiul sau materiale solide. Este de remarcat faptul că majoritatea covârșitoare, constituind 99%, a metodelor de răcire se încadrează sub umbrela de răcire cu aer.

Aer conditionat

Sistemele de aer condiționat sunt cele mai răspândite mijloace de răcire a aerului în configurațiile profesionale ale centrelor de date. Principiul lor fundamental îl oglindește pe cel al aparatelor de aer condiționat rezidențiale: aerul care curge prin servere este circulat printr-un aparat de aer condiționat, răcit printr-o grilă a radiatorului și apoi recirculat înapoi în servere. Acest proces ciclic asigură un mecanism de răcire continuă.

Răcitoare

După aparatele de aer condiționat, răcitoarele reprezintă al doilea cel mai utilizat sistem de răcire. Spre deosebire de aparatele de aer condiționat, răcitoarele folosesc apă (sau o soluție pe bază de apă) pentru a transfera căldura departe de spațiile care necesită control climatic. Deși aerul condiționat este mai simplu și, în general, mai accesibil, costurile mai mari ale energiei pot fi uneori un factor de descurajare pentru afaceri. Pe de altă parte, sistemele de apă răcită sunt mai eficiente din punct de vedere energetic, dar necesită mai multe componente și complexități în instalarea și întreținerea lor.

Camere adiabatice și rogojini

Răcirea adiabatică presupune utilizarea unor camere sau covorașe în care apa este turnată și evaporată. Pe măsură ce apa se evaporă, camerele și covorașele se răcesc împreună cu aerul din interior. În timp ce răcirea adiabatică reprezintă o a treia opțiune viabilă, este considerată oarecum exotică și nu este la fel de folosită în răcirea centrelor de date în comparație cu aparatele de aer condiționat și răcitoarele.

Răcirea cu apă

În sistemele de răcire cu apă, apa sau lichidele care conțin apă sunt folosite pentru disiparea căldurii. Conductele de apă sunt plasate strategic în camerele serverelor, fiecare server fiind conectat la două conducte - una pentru ieșirea apei calde și cealaltă pentru intrarea apei rece. Radiatoarele de pe procesoare, GPU și alte echipamente sunt conectate direct la acest sistem de alimentare cu apă. Această abordare nu numai că răcește echipamentele și spațiile centrului de date, dar generează și o sursă de apă caldă pentru utilizări suplimentare.

Schimbătoare de căldură

Această metodă îmbunătățește eficiența răcirii prin valorificarea mediilor reci externe.

Atunci când o sursă rece din apropiere, cum ar fi un lac, o mare sau un pământ rece, este disponibilă, conductele de apă pot fi instalate chiar în ea pentru a transmite cantități mari de căldură de la echipamentele IT.

exotice

Există și metode neconvenționale. Una dintre ele se bazează pe elemente Peltier sau răcitoare termoelectrice (TEC). Această abordare se bazează pe efectele semiconductoare și implică furnizarea de energie electrică a unei plăci speciale care este încălzită pe o parte și răcită pe cealaltă.

O altă abordare de avangardă este implementarea centrelor de date subacvatice. În Proiectul Microsoft Natick , de exemplu, un centru de date a fost scufundat la 117 picioare adâncime în Insulele de Nord în primăvara anului 2018. În următorii doi ani, echipa a efectuat teste riguroase și monitorizare a serverelor centrului de date. S-a confirmat că plasarea unui container sigilat pe fundul oceanului ar putea îmbunătăți fiabilitatea generală a centrului de date prin atenuarea unor probleme precum coroziunea, fluctuațiile de temperatură și perturbările fizice care apar de obicei pe uscat.

Răcire gratuită

Această tehnică vizează în special maximizarea eficienței de răcire. Răcirea gratuită împrospătează aerul dintr-un centru de date fără a te baza pe sistemele tradiționale de răcire. Folosește aer natural exterior așa cum este. De obicei, aerul exterior este supus controlului umidității și apoi procesele termodinamice naturale reglează temperaturile din camerele de date.

Această metodă reduce semnificativ consumul de energie (cu 75% până la 92% mai puțin în comparație cu alte sisteme CRAH), scade emisiile de dioxid de carbon și elimină nevoia de apă în sistemul de răcire.

Free cooling este una dintre cele mai ecologice alegeri care necesită mai puțină energie. În plus, poate ajuta la economisirea costurilor, deoarece 40% din puterea utilizată de centrele de date este destinată răcirii. Acest sistem îmbunătățește performanța tuturor echipamentelor răcite cu aer, chiar și în condiții dificile. Iată o reprezentare vizuală simplă a procesului de răcire liberă:

După cum puteți vedea, sistemul funcționează într-un mod foarte simplu, canalizând aerul exterior prin filtre, echipamente IT și eliminându-l. Această reducere a complexității, cu doar ventilatoare ca potențiale vulnerabilități, sporește fiabilitatea generală a unui DC la răcirea liberă.

Spre deosebire de sistemele cu echipamente complexe, absența componentelor complicate reduce, de asemenea, atât costurile inițiale de instalare, cât și cheltuielile de întreținere continuă. Așadar, avantajele financiare încep deja în faza de construcție, unde designul simplificat al răcirii libere se traduce în economii tangibile.

Agonia alegerii

În timpul conferințelor și întâlnirilor, primesc adesea numeroase întrebări care gravitează în jurul paradoxului: dacă free cooling-ul este la fel de avantajos din punct de vedere al economiilor de costuri și al simplității, de ce nu este universal adoptat în industrie?

Acest lucru ridică întrebarea mai amplă de ce, în ciuda beneficiilor sale, doar un număr limitat de companii au adoptat răcirea liberă, în timp ce altele persistă cu metodele convenționale. Răspunsul la aceasta constă într-o examinare cu mai multe fațete a dinamicii predominante din industrie.

Dictatura industriei

În industria centrelor de date, unde fiabilitatea este de importanță primordială, adoptarea de soluții inovatoare se confruntă adesea cu rezistență. Atribuiesc acest lucru, în primul rând, naturii conservatoare a industriei DC, în care factorii de decizie acordă prioritate conceptelor dovedite în locul soluțiilor inovatoare.

În timp ce noile tehnologii precum răcirea liberă promit rentabilitate și eficiență, reprezentanții industriei ar prefera mai degrabă abordări tradiționale, dar de încredere, pentru a asigura funcționarea fără probleme a serverelor.

Obstacole de marketing

Un alt aspect aici este că furnizorii comerciali de DC, care reprezintă aproximativ 80% din industrie, se bazează pe certificări de la organisme independente, cum ar fi Institutul Uptime pentru a le comercializa fiabilitatea. Cu toate acestea, acest lucru reprezintă o provocare pentru soluțiile de free cooling, deoarece nu există încă o certificare stabilită pentru acestea. Această situație îi determină pe furnizorii comerciali să reziste metodelor alternative de răcire, invocând incertitudini legate de fiabilitatea acestora și absența unui precedent de certificare.

Preocupări legate de încălzirea globală

Criticii își exprimă adesea îngrijorarea cu privire la impactul încălzirii globale asupra viabilității răcirii libere. Cu toate acestea, argumentul este dezmințit prin recunoașterea naturii treptate a încălzirii globale, cu o creștere aproximativă de 1,5 grade pe parcursul unui deceniu. Este puțin probabil ca această modificare modestă de temperatură să compromită stabilitatea soluțiilor de răcire liberă pe termen scurt.

Argumentul „Doar în caz”.

O altă practică obișnuită pentru companiile care aleg o metodă de răcire cu curent continuu este includerea unor unități de aer condiționat de rezervă ca măsură de precauție pe lângă răcirea liberă. Acest argument „pentru orice eventualitate” subminează conceptul de bază al free cooling-ului, introducând o complexitate inutilă și compromițând eficiența financiară și operațională.

Chiar și pentru un aparat de aer condiționat mic, apare necesitatea de a furniza diverse componente precum freon, fire, lichide, sisteme și comenzi. În loc să îmbrățișeze ideea de a avea un aparat de aer condiționat de rezervă, industria ar trebui să se concentreze pe adaptarea sistemului său de răcire liberă la o gamă largă de condiții, fără a se baza pe speranțe false.

Riscuri reale și considerații

Când vă gândiți la o soluție de răcire liberă, unele riscuri și considerații tangibile necesită atenție. Un aspect principal este regiunea geografică, deoarece desfășurarea free cooling într-o regiune precum Emiratele Arabe ar putea să nu fie justificată.

Accesibilitatea este un alt aspect de avut în vedere. Regiunea selectată trebuie să posede infrastructura necesară și să fie ușor accesibilă de către personal specializat însărcinat cu întreținerea centrului de date. Conectivitatea, inclusiv disponibilitatea liniilor optice, este de asemenea importantă. De exemplu, stabilirea unui centru de date cu răcire liberă dincolo de Cercul Arctic devine nepractică din cauza absenței liniilor de comunicație și a provocării de a menține o forță de muncă calificată.

Dincolo de aceste considerente logistice, singurele restricții pentru free cooling se referă la temperatura maximă a regiunii (aproximativ 38-40 de grade) și calitatea aerului. Zonele cu poluare excesivă, cum ar fi cele din apropierea autostrăzilor aglomerate sau a activităților agricole intense, pot pune probleme. Deși nu există nicio interdicție totală, filtrele din astfel de locații vor avea nevoie de înlocuire frecventă. Spre deosebire de centrele de date convenționale cu aer condiționat care circulă aerul intern, centrele de răcire liberă aspiră aerul exterior, solicitând întreținere mai diligentă a filtrului. Alți parametri de locație se aliniază cu cei aplicabili centrelor de date tradiționale.

Pionierii și tendințele viitoare

În ciuda naturii conservatoare a industriei, unele companii corporative cu gândire de viitor evaluează beneficiile tangibile ale alternativelor. Calculând rentabilitatea răcirii libere prin analiză numerică, ei realizează potențialele economii de costuri pe care le oferă.

Mai multe companii proeminente, cum ar fi Facebook (acum Meta), Google, Amazon, Yandex și Wildberries, sunt pionieri în adoptarea tehnologiei de răcire gratuită. Statutul lor de pioniera provine din dorința lor de a evalua riscurile și de a recunoaște avantajele financiare inerente acestei tehnologii. Alegerea acestor companii a fost clară – fie să opteze pentru scheme convenționale și să suporte costuri mai mari, fie să își asume riscurile și beneficiile de a deveni pionieri în răcirea centrelor de date.

Peisajul evolutiv al industriei indică o tendință de creștere în rândul hiper-scalerelor corporative către implementarea soluțiilor de răcire gratuită. Pe măsură ce tot mai multe companii recunosc rentabilitatea și avantajele operaționale ale acestei tehnologii, se anticipează că în viitor va apărea un număr tot mai mare de centre de date de răcire fără corporații.

Dacă sunteți interesat să aflați mai multe despre fizica răcirii libere, explorați subiectul în noul meu articol Free Cooling: Technology Deep Dive.