Evolúcia chladenia dátových centier: od metód založených na vzduchu po voľné chladenie

Definícia problému

Stupňujúci sa rast infraštruktúry dátových centier a súbežný nárast využívania IT zariadení viedli k zvýšeniu spotreby elektrickej energie.

Keďže servery, neoddeliteľné súčasti dátových centier, premieňajú počas prevádzky elektrickú energiu na teplo, čelíme problému vysokých teplôt a chladných priestorov a zariadení dátových centier.

Živo si pripomeňme základy školskej fyziky: podľa základných princípov termodynamiky energia nezaniká, ale sa premieňa. Ak teda dátové centrum spotrebuje 1 MW elektriny – celé toto množstvo energie sa premení na ekvivalentné množstvo tepla. V dôsledku toho, čím viac elektriny sa spotrebuje, tým väčšia je výzva na riadenie výsledného tepla v dátovom centre.

Situácia sa ešte viac skomplikuje, keďže IT zariadenia môžu mať rôzne úrovne spotreby energie a zároveň mať rozdielne fyzické rozmery. Napríklad zariadenia s vysokou spotrebou energie môžu mať malú veľkosť, čo spôsobuje problémy pri efektívnom chladení koncentrovaného tepla. Na druhej strane väčšie IT zariadenia s relatívne miernou spotrebou elektrickej energie sa vďaka väčšej ploche chladia ľahšie. Dátové centrá zvyčajne obsahujú zmes veľkostí zariadení a úrovní spotreby, čo predstavuje výzvu nielen chladenia rôznych IT zariadení, ale aj pri rôznych rýchlostiach, ktoré sú diktované teplotnými požiadavkami každého typu zariadenia. Netreba dodávať, že na chladenie jednosmerného prúdu potrebujeme značné množstvo elektriny, čo zvyšuje prevádzkové náklady.

Problém efektívneho využívania energie v dátových centrách sa stáva obzvlášť akútnym s globálnym rastom cien elektriny. Podľa správa Statista svetové ceny elektriny vyleteli na historické maximum medzi rokmi 2021 a 2022. Keď zdravotná kríza COVID-19 v druhej polovici roka 2021 ustúpila, dopyt po energii sa zvýšil a ceny elektriny dosiahli prvý rekord. Začiatkom roka 2022 sa energetický trh opäť sprísnil a energetická kríza sa zintenzívnila.

Spotreba elektrickej energie dátových centier rastie aj napriek zvyšujúcej sa efektívnosti výkonu.

Inými slovami, hoci sa výkon na watt zlepšuje, dopyt po zdrojoch rastie ešte rýchlejšie, takže celková spotreba sa nevyhnutne zvyšuje, rovnako ako náklady. Optimalizáciou chladiacich systémov však možno dosiahnuť podstatné úspory nákladov. To ma prinútilo hlbšie sa pozrieť na efektívne spôsoby chladenia vo všeobecnosti a najmä na voľné chladenie.

Hodnotenie úrovní spotreby energie v dátových centrách sa zvyčajne opiera o metriku Power Usage Effectiveness (PUE). PUE meria efektivitu dátového centra vyhodnotením celkovej spotreby energie v porovnaní s tou, ktorá sa používa výhradne pre IT zariadenia. Povieme si o tom podrobnejšie o niečo neskôr. Teraz potrebujeme vedieť, že nižší PUE znamená efektívnejšie dátové centrum, čo naznačuje zníženú závislosť na nepočítačovom výkone. Vzhľadom na rastúcu infraštruktúru a eskaláciu spotreby elektrickej energie poskytuje optimalizácia PUE účinnejšími chladiacimi systémami finančnú obozretnosť a udržateľnú prevádzku.

V tomto článku preskúmame tradičné a inovatívne spôsoby chladenia a zistíme, ktoré z nich ponúkajú maximálnu účinnosť.

Prehľad metód chladenia

Vzduch a nevzduch

V zjednodušenej klasifikácii možno techniky chladenia rozdeliť do dvoch základných kategórií: metódy založené na vzduchu a metódy bez použitia vzduchu. Aby sme to vysvetlili, chladenie vzduchom zahŕňa konvenčné prístupy, zatiaľ čo kategória bez vzduchu zahŕňa rôzne metódy využívajúce látky ako voda, olej alebo tuhé materiály. Je pozoruhodné, že prevažná väčšina, tvoriaca 99% metód chladenia, spadá pod dáždnik chladenia vzduchom.

Klimatizácie

Klimatizačné systémy sú najrozšírenejším prostriedkom chladenia vzduchom v profesionálnych zostavách dátových centier. Ich základný princíp odzrkadľuje princíp bytových klimatizácií: vzduch prúdiaci cez servery cirkuluje cez klimatizáciu, ochladzuje sa cez mriežku chladiča a potom recirkuluje späť do serverov. Tento cyklický proces zabezpečuje nepretržitý chladiaci mechanizmus.

Chladiče

Po klimatizáciách predstavujú chladiče druhý najrozšírenejší chladiaci systém. Na rozdiel od klimatizácií využívajú chladiče vodu (alebo riešenie na báze vody) na prenos tepla preč z priestorov vyžadujúcich reguláciu klímy. Hoci je klimatizácia jednoduchšia a vo všeobecnosti dostupnejšia, jej vyššie náklady na energiu môžu podniky niekedy odrádzať. Na druhej strane systémy chladenej vody sú energeticky efektívnejšie, ale vyžadujú viac komponentov a zložitosti pri ich inštalácii a údržbe.

Adiabatické komory a rohože

Adiabatické chladenie zahŕňa použitie komôr alebo rohoží, kde sa voda nalieva a odparuje. Keď sa voda vyparuje, komory a rohože sa ochladzujú spolu so vzduchom vo vnútri. Zatiaľ čo adiabatické chladenie predstavuje tretiu realizovateľnú možnosť, považuje sa za trochu exotické a nie je tak bežne používané v chladení dátových centier v porovnaní s klimatizáciami a chladičmi.

Vodné chladenie

Vo vodných chladiacich systémoch sa na odvod tepla používa voda alebo kvapaliny obsahujúce vodu. Vodovodné potrubia sú strategicky umiestnené v serverovniach, pričom každý server je pripojený k dvom potrubiam – jedno na odtok teplej vody a druhé na prívod studenej vody. Radiátory na CPU, GPU a na iných zariadeniach sú pripojené priamo k tomuto systému zásobovania vodou. Tento prístup nielen ochladzuje zariadenia a priestory dátového centra, ale vytvára aj zásobu teplej vody na ďalšie použitie.

Výmenníky tepla

Táto metóda zvyšuje účinnosť chladenia využívaním vonkajšieho chladného prostredia.

Keď je k dispozícii blízky zdroj chladu, ako napríklad jazero, more alebo studená zem, možno priamo do neho umiestniť vodovodné potrubie na prenos veľkého množstva tepla z IT zariadení.

Exotika

Existujú aj netradičné metódy. Jeden z nich je založený na Peltierových prvkoch alebo termoelektrických chladičoch (TEC). Tento prístup sa spolieha na polovodičové efekty a zahŕňa dodávanie elektriny do špeciálnej dosky, ktorá je na jednej strane zahrievaná a na druhej chladená.

Ďalším avantgardným prístupom je nasadenie podvodných dátových centier. In Microsoft Project Natick Napríklad na jar 2018 bolo dátové centrum ponorené do hĺbky 117 stôp na Severných ostrovoch. Počas nasledujúcich dvoch rokov tím vykonal prísne testovanie a monitorovanie serverov dátového centra. Potvrdilo sa, že umiestnenie zapečateného kontajnera na dno oceánu by mohlo zvýšiť celkovú spoľahlivosť dátového centra zmiernením problémov, ako je korózia, kolísanie teploty a fyzické poruchy, ktoré sa zvyčajne vyskytujú na súši.

Voľné chladenie

Táto technika je zameraná najmä na maximalizáciu účinnosti chladenia. Voľné chladenie osviežuje vzduch v dátovom centre bez spoliehania sa na tradičné chladiace systémy. Využíva prirodzený vonkajší vzduch tak, ako je. Vonkajší vzduch zvyčajne podlieha len regulácii vlhkosti a potom prirodzené termodynamické procesy regulujú teploty v dátových miestnostiach.

Táto metóda výrazne znižuje spotrebu energie (o 75 % až 92 % menej v porovnaní s inými systémami CRAH), znižuje emisie oxidu uhličitého a eliminuje potrebu vody v chladiacom systéme.

Bezplatné chladenie je jednou z najekologickejších možností, ktorá vyžaduje menej energie. Okrem toho môže pomôcť ušetriť náklady, pretože 40 % energie spotrebovanej dátovými centrami ide na chladenie. Tento systém zvyšuje výkon všetkých vzduchom chladených zariadení aj v náročných podmienkach. Tu je jednoduché vizuálne znázornenie procesu voľného chladenia:

Ako vidíte, systém funguje veľmi priamočiaro, privádza vonkajší vzduch cez filtre, IT vybavenie a vytláča ho. Toto zníženie zložitosti s iba ventilátormi ako potenciálnymi zraniteľnosťami posilňuje celkovú spoľahlivosť DC pri voľnom chladení.

Na rozdiel od systémov so zložitým vybavením, absencia zložitých komponentov tiež znižuje náklady na počiatočné nastavenie a náklady na priebežnú údržbu. Finančné výhody teda začínajú už vo fáze výstavby, kde sa efektívny dizajn voľného chladenia premieta do hmatateľných úspor.

Agónia voľby

Počas konferencií a stretnutí často dostávam množstvo otázok, ktoré sa točia okolo paradoxu: ak je bezplatné chladenie také výhodné z hľadiska úspory nákladov a jednoduchosti, prečo nie je v priemysle všeobecne prijaté?

To vyvoláva širšiu otázku, prečo, napriek jeho výhodám, len obmedzený počet spoločností prijal voľné chladenie, zatiaľ čo iné pretrvávajú pri konvenčných metódach. Odpoveď na túto otázku spočíva v mnohostrannom skúmaní prevládajúcej dynamiky odvetvia.

Priemyselná diktatúra

V odvetví dátových centier, kde je spoľahlivosť prvoradá, prijatie inovatívnych riešení často naráža na odpor. Pripisujem to predovšetkým konzervatívnej povahe DC priemyslu, kde tvorcovia rozhodnutí uprednostňujú overené koncepty pred inovatívnymi riešeniami.

Zatiaľ čo nové technológie ako voľné chladenie sľubujú nákladovú efektívnosť a efektivitu, zástupcovia priemyslu by radšej uprednostnili tradičné, no spoľahlivé prístupy na zabezpečenie bezproblémovej prevádzky serverov.

Marketingové prekážky

Ďalším bodom je, že komerční poskytovatelia DC, ktorí tvoria asi 80 % priemyslu, sa spoliehajú na certifikácie od nezávislých orgánov, ako je napr. Uptime Institute uvádzať na trh ich spoľahlivosť. To však predstavuje výzvu pre riešenia voľného chladenia, keďže pre ne zatiaľ neexistuje žiadna zavedená certifikácia. Táto situácia vedie komerčných poskytovateľov k tomu, aby sa bránili alternatívnym metódam chladenia, pričom uvádzajú neistoty týkajúce sa ich spoľahlivosti a absenciu precedensu certifikácie.

Obavy z globálneho otepľovania

Kritici často vyjadrujú obavy z vplyvu globálneho otepľovania na životaschopnosť voľného chladenia. Tento argument je však vyvrátený uznaním postupného charakteru globálneho otepľovania s približným nárastom o 1,5 stupňa za desaťročie. Je nepravdepodobné, že by táto mierna zmena teploty v blízkej budúcnosti ohrozila stabilitu riešení s voľným chladením.

Argument „len pre prípad“.

Ďalšou bežnou praxou spoločností, ktoré si vyberajú spôsob chladenia jednosmerným prúdom, je zahrnutie záložných klimatizačných jednotiek ako preventívne opatrenie k voľnému chladeniu. Tento argument „pre každý prípad“ podkopáva základný koncept voľného chladenia, zavádza zbytočnú zložitosť a ohrozuje finančnú a prevádzkovú efektivitu.

Dokonca aj pre malú klimatizáciu vzniká potreba zabezpečiť rôzne komponenty, ako sú freón, vodiče, kvapaliny, systémy a ovládacie prvky. Namiesto prijatia myšlienky mať záložnú klimatizáciu by sa priemysel mal zamerať na prispôsobenie svojho systému voľného chladenia širokému spektru podmienok bez toho, aby sa spoliehal na falošné nádeje.

Skutočné riziká a úvahy

Pri zvažovaní riešenia voľného chladenia si vyžadujú pozornosť niektoré hmatateľné riziká a úvahy. Jedným z hlavných aspektov je geografický región, pretože nasadenie voľného chladenia v regióne, akým sú Arabské emiráty, nemusí byť opodstatnené.

Dostupnosť je ďalším aspektom, ktorý treba mať na pamäti. Vybraný región musí mať potrebnú infraštruktúru a musí byť ľahko dosiahnuteľný špecializovaným personálom povereným údržbou dátového centra. Dôležitá je aj konektivita vrátane dostupnosti optických liniek. Napríklad zriadenie dátového centra s voľným chladením za polárnym kruhom sa stáva nepraktickým kvôli absencii komunikačných liniek a problémom udržať si kvalifikovanú pracovnú silu.

Okrem týchto logistických úvah sa jediné obmedzenia pre voľné chladenie týkajú maximálnej teploty v regióne (približne 38-40 stupňov) a kvality ovzdušia. Problémy môžu predstavovať oblasti s nadmerným znečistením, napríklad v blízkosti rušných diaľnic alebo intenzívnej poľnohospodárskej činnosti. Aj keď neexistuje úplný zákaz, filtre na takýchto miestach budú vyžadovať častú výmenu. Na rozdiel od bežných klimatizovaných dátových centier, ktoré cirkulujú vnútorný vzduch, voľne chladiace centrá nasávajú vonkajší vzduch, čo si vyžaduje starostlivejšiu údržbu filtra. Ostatné parametre polohy sú v súlade s parametrami platnými pre tradičné dátové centrá.

Priekopníci a budúce trendy

Napriek konzervatívnemu charakteru tohto odvetvia niektoré spoločnosti, ktoré premýšľajú dopredu, hodnotia hmatateľné výhody alternatív. Pri výpočte nákladovej efektívnosti voľného chladenia pomocou numerickej analýzy si uvedomujú potenciálne úspory nákladov, ktoré ponúka.

Niekoľko významných spoločností, ako napríklad Facebook (teraz Meta), Google, Amazon, Yandex a Wildberries, je priekopníkmi v zavádzaní technológie bezplatného chladenia. Ich priekopnícky stav pramení z ich ochoty posúdiť riziká a rozpoznať finančné výhody, ktoré sú tejto technológii vlastné. Voľba pre tieto spoločnosti bola jasná – buď ísť do konvenčných schém a vynaložiť vyššie náklady, alebo prijať riziká a výhody stať sa priekopníkmi v chladení dátových centier.

Vyvíjajúce sa prostredie v tomto odvetví naznačuje rastúci trend medzi podnikovými hyperscalermi smerom k implementácii riešení voľného chladenia. Keďže stále viac spoločností si uvedomuje nákladovú efektívnosť a prevádzkové výhody tejto technológie, očakáva sa, že v budúcnosti sa bude objavovať čoraz väčší počet firemných chladiacich dátových centier.

Ak máte záujem dozvedieť sa viac o fyzike voľného chladenia, preskúmajte túto tému v mojom novom článku Free Cooling: Technology Deep Dive.