Optimizimi i efikasitetit të qendrës së të dhënave: Një zhytje e thellë në teknikat e ftohjes së lirë

Në artikullin e mëparshëm , ne diskutuam zgjerimin e shpejtë të infrastrukturës së qendrës së të dhënave dhe rritjen e konsumit të energjisë elektrike në të. Ndërsa serverët konvertojnë energjinë elektrike në nxehtësi gjatë funksionimit, administrimi i temperaturave të larta dhe ftohja e objekteve dhe pajisjeve të qendrës së të dhënave bëhet problemi numër 1 për ekipet e DC.

Ndërsa metodat tradicionale të ftohjes, duke përfshirë kondicionerët dhe ftohësit ftohin në mënyrë efektive ambientet dhe serverët e qendrës së të dhënave, kostoja e tyre mbetet një pengesë e rëndësishme. Ftohja falas në ndryshim nga metodat tradicionale nuk kërkon investime të konsiderueshme, por ofron të njëjtin nivel efikasiteti dhe besueshmërie. Në këtë artikull, unë do të bëj një përmbledhje të detajuar të teknologjisë së ftohjes falas, duke theksuar përfitimet, kufizimet dhe kërkesat për zbatimin e suksesshëm të saj.

Fizika e ftohjes së lirë

Për të kuptuar fizikën pas ftohjes së lirë, do të duhet të rishikojmë formulën e energjisë termike:

Q = mcΔT

Këtu, 'Q' përfaqëson sasinë e nxehtësisë së fituar ose të humbur, 'm' qëndron për masën e kampionit (në rastin tonë, masën e ajrit në qendrën e të dhënave), 'c' tregon kapacitetin specifik të nxehtësisë së ajrit, dhe ΔT nënkupton diferencën e temperaturës.

Në një qendër të dhënash, burimi kryesor i nxehtësisë është CPU. Në mënyrë tipike, ka 2 deri në 4 CPU, secili që funksionon me rreth 200 watts. Siç u diskutua më herët, e gjithë energjia elektrike e konsumuar nga CPU-të konvertohet në nxehtësi. Prandaj, me 2 CPU, për shembull, ne gjenerojmë 400 vat nxehtësi që duhet të shpërndahen. Tani objektivi ynë është të përcaktojmë sasinë e ajrit të nevojshëm për këtë qëllim.

Parametri ΔT, ose diferenciali i temperaturës, tregon se sa më e ulët të jetë temperatura e ajrit të jashtëm, aq më pak masë ajri nevojitet për të ftohur CPU-të. Për shembull, nëse temperatura e ajrit në hyrje është 0°C dhe temperatura e daljes është 35°C, ΔT do të ishte vetëm 35, që nënkupton një kërkesë mjaft më të ulët për masën e ajrit. Megjithatë, gjatë stinës së verës, ftohja bëhet më sfiduese për shkak të rritjes së temperaturave të ambientit. Sa më e lartë të jetë temperatura e jashtme, aq më e madhe do të kërkohet sasia e ajrit për ftohjen e serverëve.

Kufizimet e temperaturës së komponentëve të serverit dhe rrjetit

Megjithëse ftohja falas mund të jetë efikase për klimat e moderuara dhe të ftohta, ai ende ka kufizime për shkak të kufizimeve të temperaturës në komponentët e serverit. Komponentët kritikë në pajisjet e IT dhe rrjetit, të tilla si procesorët, RAM, HDD, SSD dhe disqet NVMe, kanë kërkesa operative për temperaturën:

• Përpunuesit: maksimumi 89°C
• RAM: maksimumi 75°C
• HDD: maksimumi 50°C
• SSD dhe disqet NVMe: maksimumi 47-48°C

Këto kufizime ndikojnë drejtpërdrejt në përshtatshmërinë e temperaturave të ajrit të jashtëm për ftohje. Ftohja falas nuk do të ishte e zbatueshme në rajone ku temperaturat e jashtme i tejkalojnë këto pragje ose madje u afrohen atyre, pasi mund të dëmtojë sistemin për shkak të mbinxehjes. Kufizimet Rajonale

Siç e kemi shpjeguar tashmë, temperaturat e jashtme duhet të mbeten vazhdimisht më të ulëta se temperaturat maksimale të funksionimit të pajisjeve të TI-së që ftohja e lirë të jetë efektive. Kjo kërkon një shqyrtim të kujdesshëm të kushteve klimatike të vendndodhjes së DC. Organizatat duhet të analizojnë parashikimet afatgjata të motit për të siguruar që temperaturat të mos kalojnë pragjet e kërkuara, edhe në ditë ose orë të caktuara. Për më tepër, duke marrë parasysh jetëgjatësinë e gjatë të qendrave të të dhënave (zakonisht 10-15 vjet), efektet e ngrohjes globale duhet të përfshihen gjithashtu në vendimet e vendndodhjes.

Kërkesat e Arkitekturës së Nyjeve të Serverit

Në kontekstin e fizikës, arritja e ftohjes efikase në serverë mbështetet në sigurimin e një rrjedhje të bollshme ajri përmes sistemit. Arkitektura e serverit luan një rol të rëndësishëm në këtë proces.

Anasjelltas, serverëve të cilëve u mungojnë veçoritë e duhura të projektimit, të tilla si vrimat ose hapjet, mund të pengojnë rrjedhën e ajrit, duke rrezikuar potencialisht efikasitetin e përgjithshëm të mekanizmit të ftohjes së lirë.

Kontrolli i Lageshtise

Niveli i lagështisë është një tjetër konsideratë kritike kur bëhet fjalë për ftohjen e lirë. Meqenëse na mungon kontrolli mbi kushtet e lagështisë së jashtme lindin dy pyetje përkatëse: së pari, adresimi i niveleve të lagështisë që afrohen ose kalojnë 100% brenda qendrës së të dhënave (DC); së dyti, adresimi i skenarëve të lagështisë shumë të ulët të ajrit, si p.sh. gjatë një dite të ftohtë shkurti me një temperaturë të jashtme prej -30°C dhe lagështi relative që varion nga 2% në 5%. Le t'i shqyrtojmë sistematikisht këto situata.

Në kushtet e lagështisë së lartë, ekziston një shqetësim i përbashkët në lidhje me shfaqjen e mundshme të kondensimit dhe efektet e tij negative në funksionalitetin e pajisjeve. Ndryshe nga ky shqetësim, brenda zonave të riftohjes së DC, ku ndodh procesi i ftohjes, kondensimi është i përjashtuar. Kjo është për shkak të parimit që kondensimi ndodh kur ajri i ngrohtë dhe i lagësht bie në kontakt me sipërfaqet më të ftohta. Megjithatë, brenda sistemit të ftohjes së lirë të DC, asnjë element nuk është më i ftohtë se ajri përreth. Rrjedhimisht, kondensimi pengohet në thelb, duke eliminuar nevojën për masa proaktive.

Përkundrazi, kur kemi të bëjmë me lagështi të ulët, shqetësimi zhvendoset drejt prodhimit të elektricitetit statik, duke paraqitur një kërcënim për stabilitetin e pajisjeve. Kjo çështje nuk shoqërohet me kondensim, por kërkon një zgjidhje të veçantë. Zbutja përfshin procedurat e tokëzimit dhe aplikimin e një shtrese të specializuar dyshemeje. Këto masa përputhen me metodat e vendosura për mbrojtjen e pajisjeve të brendshme kundër elektricitetit statik. Duke tokëzuar elementët e ndërtimit, raftet dhe pajisjet IT, një ngarkesë statike shpërndahet në mënyrë të padëmshme në tokë, duke ruajtur integritetin e pajisjes.

Në klimën natyrore, rastet e lagështisë jashtëzakonisht të lartë ose të ulët janë të rralla. Përjashtimet e dukshme përfshijnë ngjarje të rralla si një stuhi që arrin lagështi 100% në korrik ose një ngricë e fortë që shkakton lagështi shumë të ulët. Megjithatë, për shumicën e kohës, nivelet e lagështisë mbeten brenda kufijve të pranueshëm që nuk paraqesin asnjë dëm për pajisjen, edhe në mungesë të ndërhyrjeve aktive.

Sasia dhe shpejtësia e ajrit

Siç kemi diskutuar tashmë, për të lehtësuar ftohjen efektive, ne kemi nevojë për një vëllim të konsiderueshëm të ajrit të jashtëm. Njëkohësisht, shfaqet një kërkesë në dukje kundërintuitive - mbajtja e një fluksi të ulët ajri brenda ndërtesës. Ky paradoks i dukshëm është i rrënjosur në sfidat e paraqitura nga rrymat e ajrit me shpejtësi të lartë që qarkullojnë brenda.

Për ta thjeshtuar, imagjinoni shpejtësinë e lartë të ajrit si një rrymë e fortë nga një tub, duke krijuar rrotullime dhe turbulenca rreth pajisjeve të IT. Kjo turbulencë potencialisht çon në lëvizje të parregullta të ajrit dhe mbinxehje të lokalizuar. Për të adresuar këtë, ne synojmë strategjikisht për një shpejtësi totale të ulët ajrore prej 1-2 metra në sekondë në të gjithë hapësirën.

Ruajtja e kësaj shpejtësie të kontrolluar ajrore na lejon të eliminojmë turbulencat. Një shpejtësi më e lartë do të rrezikonte parregullsi në lëvizjen e ajrit. Duke iu përmbajtur diapazonit 1-2 metra për sekondë, ne nxisim një rrjedhje ajri të qetë dhe uniforme, duke shmangur mbinxehjen e lokalizuar. Ky ekuilibër delikat siguron ftohje optimale të pajisjeve të TI-së duke anashkaluar grackat që lidhen me rrymat e ajrit me shpejtësi të lartë.

Siç mund të shihet, qasja e ftohjes së lirë sillet rreth përdorimit efikas të ajrit të jashtëm duke i dhënë përparësi një shpejtësie të ulët të kontrolluar të ajrit të brendshëm. Kjo strategji e qëllimshme ndihmon në ruajtjen e një fluksi ajri laminar dhe uniform, duke siguruar efektivitetin e ftohjes së pajisjeve IT.

Koncepti i ndërtimit

Në paradigmën e ftohjes së lirë, kanalet tradicionale të ajrit nuk përdoren brenda strukturës së ndërtesës. Ndryshe nga instalimet konvencionale me kanale ajri të caktuar në mure, tavane ose zona specifike, qendrat e përpunimit të të dhënave miratojnë një qasje jokonvencionale. Vetë ndërtesa është konceptuar si një kanal ajri, duke i bërë të vjetruara njësitë tradicionale të ajrit të kondicionuar. Shkalla e madhe e këtyre kanaleve të ajrit i shndërron ato në përbërës integral të dhomave dhe dyshemeve.

Procesi i rrjedhjes së ajrit fillon kur ajri i jashtëm hyn në ndërtesë, duke kaluar nëpër dy lloje filtrash - filtra të trashë dhe filtra të imët. Pasi ajri i nënshtrohet procesit të pastrimit, ai shtyhet nga ventilatorët në vëllime të mëdha ndërtesash, afërsisht të barasvlershme me katër kate në lartësi. Ky vëllim i konsiderueshëm i shërben qëllimit të vet: të ngadalësojë rrjedhën e ajrit, duke ulur shpejtësinë e tij në intervalin e kërkuar prej 1-2 metrash në sekondë. Më pas, ajri zbret në dhomën e makinerive.

Pasi përshkon dhomën e makinerive, ajri vazhdon udhëtimin e tij nëpër raftet e IT, duke përparuar në korridorin e nxehtë. Nga atje, ai hyn në kolektorin e ajrit të nxehtë përpara se të nxirret jashtë përmes ventilatorëve të shkarkimit. Kjo rrugë e strukturuar e rrjedhës së ajrit siguron një proces efikas ftohjeje duke ruajtur shpejtësinë e kontrolluar të ajrit.

Shpejtësia e ajrit dhe vëllimi

Zgjedhja e qëllimshme e projektimit për përdorimin e vëllimeve të mëdha të ndërtesave i shërben një qëllimi të dyfishtë. Para së gjithash, ai lejon një reduktim gradual të shpejtësisë së ajrit, duke siguruar që fluksi i ajrit të arrijë shpejtësinë e dëshiruar prej 1-2 metra në sekondë. Kjo shpejtësi e kontrolluar e ajrit është thelbësore për të parandaluar turbulencat dhe për të mbajtur një rrjedhë laminare, veçanërisht e rëndësishme kur ajri përparon përmes pajisjeve të ndjeshme të IT. Së dyti, vëllimi i konsiderueshëm strehon vëllimin e nevojshëm të ajrit për të shpërndarë në mënyrë efikase nxehtësinë e krijuar. Ndërveprimi i sinkronizuar i shpejtësisë së ajrit dhe volumit kontribuon në suksesin e përgjithshëm të sistemit.

Presioni diferencial si drejtuesi i vetëm i menaxhimit

Në një konfigurim ftohjeje falas, ne nuk kemi kontroll mbi temperaturën e ajrit të jashtëm, duke çuar në ndryshime në temperaturën e ajrit që hyn në Qendrën e të Dhënave (DC). Pavarësisht kësaj, vlerësimi i fluksit të kërkuar të ajrit për ftohjen e pajisjeve është thelbësor. Për të adresuar këtë, ne mbështetemi në metodën e presionit diferencial.

Brenda çdo rafti IT, serverët me tifozë të brendshëm funksionojnë me shpejtësi të ndryshme, duke krijuar kolektivisht një presion diferencial midis pjesës së përparme dhe të pasme të raftit. Me serverë të shumtë, secili prej të cilëve kontribuon në rrjedhën e përgjithshme të ajrit, kjo diferencë presioni rritet gradualisht midis rreshtave të ftohtë dhe të nxehtë. Duke përdorur sensorë presioni në të dy korridoret dhe jashtë ndërtesës DC, ne mund të matim këtë presion diferencial.

Llogaritja përfshin zbritjen e të dhënave të sensorit të presionit në rreshtin e nxehtë nga presioni atmosferik dhe zbritjen e të dhënave të sensorit të presionit në rreshtin e ftohtë nga presioni atmosferik. Kështu si në shembullin e mëposhtëm:

Shembull i botës reale

Vlerat që rezultojnë më pas na udhëzojnë në përcaktimin e furnizimit të nevojshëm të ajrit në DC dhe shkarkimin e nevojshëm për të kompensuar funksionimin e tifozëve të serverit. Me fjalë më të thjeshta, ne vlerësojmë nevojat tona për fluksin e ajrit bazuar në diferencat e presionit, duke na lejuar të menaxhojmë në mënyrë efikase procesin e ftohjes brenda DC.

Dhoma e Ngrohjes dhe Përzierjes

Sistemet tradicionale të ngrohjes zakonisht nuk zbatohen në qendrat e të dhënave me ftohje falas. Përdorimi i ujit konsiderohet i paarsyeshëm për shkak të kostos dhe rreziqeve të mundshme për pajisjet. Kjo përbën një sfidë gjatë ftohjeve ekstreme, duke arritur -20–30 gradë jashtë. Ndërsa pajisjet e trajtojnë atë mirë, inxhinierët kërkojnë një qasje më të butë. Zgjidhja më elegante dhe logjike këtu është ripërdorimi i ajrit të nxehtë të krijuar nga pajisjet e IT. Duke e drejtuar ajrin e nxehtë nga serverët në një dhomë përzierjeje dhe duke e kthyer një pjesë të tij në rrymën kryesore të ajrit, sistemi i mban ambientet të ngrohta në dimër dhe ju lejon të kurseni kostot për ngrohje.

Thjeshtësia dhe besueshmëria

Një tezë kryesore në teorinë e besueshmërisë pohon se thjeshtësia lind besueshmërinë. Kjo vlen për sistemin e ftohjes së lirë, i cili qëndron si një koncept jashtëzakonisht i thjeshtë. Sistemi funksionon si një barrikadë, duke futur ajrin nga jashtë përmes filtrave, duke e kaluar atë përmes pajisjeve të IT dhe më pas thjesht duke e nxjerrë atë.

Mungesa e sistemeve komplekse rrit besueshmërinë, me vetëm tifozët që paraqesin një cenueshmëri në mot të nxehtë. Qasja e ftohjes së lirë ilustron thjeshtimin radikal të sistemit, duke përmirësuar ndjeshëm besueshmërinë duke reduktuar numrin e elementeve.

Tifozët DC vs Tifozët e Serverit

Autoriteti hierarkik i tifozëve është një tjetër pyetje themelore në dinamikën e rrjedhës së ajrit brenda DC-ve. Siç kemi diskutuar, ka tifozë në shkallë të gjerë në nivelin DC dhe ata në nivelin e serverit. Pyetja është: a furnizojnë tifozët e qendrës së të dhënave thjesht ajër, duke i lënë tifozët e serverit të konsumojnë aq sa nevojitet? Apo kërkesa buron nga tifozët e serverit, duke i detyruar fansat e DC të përmbushin kërkesat e tyre?

Mekanizmi është si më poshtë: tifozët e serverit kanë një rol dominues në këtë proces, duke përcaktuar rrjedhën e nevojshme të ajrit. Më pas, tifozët DC përgjigjen duke dhënë vëllimin e kërkuar të ajrit. Është e qartë se nëse kërkesa kumulative nga të gjithë serverët tejkalon kapacitetin e furnizimit të ventilatorit DC, mund të çojë në mbinxehje të mundshme.

Pra, përgjigja është se tifozët e serverëve kanë përparësinë në këtë dinamikë. Ata orkestrojnë rrjedhën e ajrit, duke specifikuar sasinë e nevojshme të ajrit.

Efikasiteti dhe Llogaritja e PUE

Për të vlerësuar efikasitetin e një projekti DC, tradicionalisht përdoret llogaritja e Efikasitetit të Përdorimit të Energjisë (PUE). Formula për PUE është raporti i fuqisë totale të objektit me fuqinë e pajisjeve të IT:

PUE = Fuqia totale e objektit / Fuqia e Pajisjeve IT

Idealisht, është e barabartë me 1, duke nënkuptuar që e gjithë energjia drejtohet në pajisjet e IT pa asnjë humbje. Megjithatë, arritja e këtij skenari të përsosur është e rrallë në projektet e botës reale.

Një çështje tjetër lind kur përpiqemi të krijojmë një metodologji të qartë për llogaritjen e efektivitetit të përdorimit të energjisë (PUE). Kështu, për shembull, në sistemin tonë, ne posedojmë një metrikë që tregon konsumin e menjëhershëm të energjisë në vat, i cili bën të mundur llogaritjen e PUE në kohë reale.

Për më tepër, ne mund të nxjerrim një PUE mesatare gjatë një periudhe vjetore, e cila ofron një vlerësim më të plotë duke marrë parasysh luhatjet sezonale. Kjo është veçanërisht e rëndësishme duke pasur parasysh pabarazinë në përdorimin e energjisë ndërmjet stinëve; për shembull, pabarazia në kërkesat për ftohje midis muajve të verës dhe dimrit. Kjo do të thotë që nëse duam të kemi një vlerësim më të besueshëm, duhet t'i japim përparësi një mesatareje vjetore që siguron një vlerësim më të balancuar dhe gjithëpërfshirës.

Është gjithashtu e rëndësishme të eksplorohet PUE jo vetëm për sa i përket energjisë, por edhe njësive monetare, duke përfshirë kështu luhatjet sezonale të çmimeve të energjisë elektrike. Vlerësimi i PUE në terma monetarë jep një perspektivë më holistike mbi efikasitetin operacional.

Përveç kësaj, kjo qasje zbulon mundësi për të arritur një vlerë PUE prej më pak se 1 kur matet në dollarë. Bëhet e mundur, për shembull, kur përdorim ngrohjen e mbeturinave për ngrohjen e ujit dhe e shesim më tej në qytetet e afërta. Shembuj të rëndësishëm, të tillë si qendra e të dhënave e Google në SHBA dhe objekti i Yandex në Finlandë, demonstrojnë zbatueshmërinë e praktikave të tilla, veçanërisht në rajone të karakterizuara nga kosto të larta të energjisë.

Efikasiteti kundrejt besueshmërisë

Shqetësimet për reduktimin e kostove dhe rritjen e efikasitetit shpesh ngrenë pyetje në lidhje me ndikimet e mundshme negative në besueshmëri. Megjithatë, dua të theksoj se në ftohjen e lirë, kërkimi i efikasitetit nuk cenon besueshmërinë. Në vend të kësaj, efektet e tij anësore teknologjike madje mund të rrisin efikasitetin. Për shembull, siç kemi diskutuar tashmë, ridrejtimi i nxehtësisë së tepërt në pompat e nxehtësisë për përfitime shtesë, të tilla si gjenerimi i ujit të nxehtë për qytetet e afërta, bëhet një praktikë me përfitim financiar pa sakrifikuar besueshmërinë.

E ardhmja e ftohjes falas

Pavarësisht nga të gjitha avantazhet që ofron ftohja falas, industria e qendrave të të dhënave ende drejtohet nga një qasje konservatore dhe kërkon besueshmëri të provuar, me një tendencë për t'iu rezistuar zgjidhjeve inovative. Mbështetja në certifikatat nga organe si Instituti Uptime për marketingun përbën një tjetër pengesë për zgjidhjet falas të ftohjes, pa një certifikim të vendosur, duke i bërë ofruesit komercialë t'i shohin ato me skepticizëm.

Megjithatë, ekziston një prirje midis hiper-shkallëzuesve të korporatave për të miratuar ftohjen falas si zgjidhjen kryesore për DC-të e tyre. Me një numër në rritje kompanish që pranojnë kosto-efektivitetin dhe përfitimet operacionale të kësaj teknologjie, ne presim që më shumë qendra të dhënash për ftohje pa korporata të shfaqen në 10-20 vitet e ardhshme.