Еволуција хлађења центара података: од ваздушних метода до бесплатног хлађења

Дефиниција проблема

Ескалирајући раст инфраструктуре дата центара и истовремени пораст коришћења ИТ опреме довели су до повећања потрошње електричне енергије.

Пошто сервери, саставни делови дата центара, током рада претварају електричну енергију у топлоту, суочавамо се са проблемом суочавања са високим температурама и хлађењем просторија и опреме дата центра.

Подсетимо се жустро основе школске физике: пратећи основне принципе термодинамике, енергија не нестаје већ се трансформише. Дакле, ако дата центар троши 1 МВ електричне енергије – цео овај квантум енергије се трансформише у еквивалентну количину топлоте. Сходно томе, што се више електричне енергије троши, то је већи изазов управљања насталом топлотом у дата центру.

Ситуација постаје још компликованија, јер ИТ опрема може имати различите нивое потрошње енергије док има различите физичке величине. На пример, опрема са великом потрошњом енергије може имати малу величину, што представља проблеме у ефикасном хлађењу концентрисане топлоте. С друге стране, већу ИТ опрему са релативно умереном потрошњом електричне енергије лакше је хладити због њене веће површине. Центри података обично садрже мешавину величина опреме и нивоа потрошње, што представља изазов не само хлађења различите ИТ опреме, већ и да се то ради различитим брзинама, које диктирају температурни захтеви сваког типа опреме. Непотребно је рећи да су нам за хлађење једносмерне струје потребне значајне количине електричне енергије, што повећава оперативне трошкове.

Проблем ефикасног коришћења енергије у дата центрима постаје посебно акутан са глобалним порастом цена електричне енергије. Према извештај Статиста Светске цене струје су нагло порасле на максимум свих времена између 2021. и 2022. Када се здравствена криза ЦОВИД-19 смирила у другој половини 2021, потражња за енергијом је порасла, а цене електричне енергије су достигле први рекорд. Почетком 2022. енергетско тржиште је поново затегнуто и енергетска криза се појачала.

Потрошња електричне енергије дата центра расте упркос повећању ефикасности перформанси.

Другим речима, иако се перформансе по вату побољшавају, потражња за ресурсима расте још брже, тако да се укупна потрошња неизбежно повећава као и трошкови. Међутим, значајне уштеде се могу постићи оптимизацијом система за хлађење. Ово ме је навело да пожелим да дубље погледам ефикасне методе хлађења уопште, а посебно слободно хлађење.

Процена нивоа потрошње енергије у центрима података обично се ослања на метрику ефикасности употребе енергије (ПУЕ). ПУЕ мери ефикасност дата центра процењујући укупну потрошњу енергије у односу на ону која се користи искључиво за ИТ опрему. О томе ћемо детаљније говорити нешто касније. Оно што сада треба да знамо је да нижи ПУЕ означава ефикаснији центар података, што указује на смањено ослањање на не-рачунарске снаге. Суочени са растућом инфраструктуром и ескалацијом потрошње електричне енергије, оптимизација ПУЕ са ефикаснијим системима хлађења обезбеђује финансијску опрезност и одрживо пословање.

У овом чланку ћемо истражити традиционалне и иновативне методе хлађења и открити који од њих нуди максималну ефикасност.

Преглед метода хлађења

Ваздух и неваздух

У поједностављеној класификацији, технике хлађења се могу разграничити у две основне категорије: методе засноване на ваздуху и методе које нису засноване на ваздуху. Да елаборирамо, ваздушно хлађење обухвата конвенционалне приступе, док категорија без ваздуха укључује различите методе које користе супстанце као што су вода, уље или чврсти материјали. Важно је напоменути да огромна већина, која чини 99%, метода хлађења спада под кишобран ваздушног хлађења.

Клима уређаји

Системи за климатизацију су најраспрострањенији начин хлађења ваздуха у професионалним системима дата центара. Њихов основни принцип одражава принцип стамбених клима уређаја: ваздух који струји кроз сервере циркулише кроз клима уређај, хлади се преко решетке хладњака, а затим се враћа назад у сервере. Овај циклични процес обезбеђује континуирани механизам хлађења.

Цхиллерс

После клима уређаја, расхладни уређаји представљају други најраспрострањенији систем хлађења. За разлику од клима уређаја, расхладни уређаји користе воду (или раствор на бази воде) за пренос топлоте даље од простора који захтевају контролу климе. Иако је климатизација једноставнија и генерално приступачнија, њени већи трошкови енергије понекад могу бити одвраћајући фактор за предузећа. С друге стране, системи за расхлађену воду су енергетски ефикаснији, али захтевају више компоненти и сложености у њиховој инсталацији и одржавању.

Адијабатске коморе и простирке

Адијабатско хлађење подразумева употребу комора или простирки где се вода сипа и испарава. Како вода испарава, коморе и простирке се хладе заједно са ваздухом изнутра. Док адијабатско хлађење представља трећу одрживу опцију, оно се сматра донекле егзотично и није тако често коришћено у хлађењу центара података у поређењу са клима уређајима и расхладним уређајима.

Водено хлађење

У системима за хлађење водом, вода или течности које садрже воду користе се за одвођење топлоте. Водоводне цеви су стратешки постављене у серверским просторијама, при чему је сваки сервер повезан са две цеви — једном за одлив топле воде, а другом за довод хладне воде. Радијатори на ЦПУ, ГПУ и на другој опреми су директно повезани на овај систем водоснабдевања. Овај приступ не само да хлади опрему и просторије дата центра, већ и ствара залихе топле воде за додатну употребу.

Измењивачи топлоте

Овај метод побољшава ефикасност хлађења коришћењем спољашњих хладних окружења.

Када је оближњи извор хладноће, као што је језеро, море или хладно тло, доступан, водоводне цеви се могу поставити директно у њега како би пренеле велике количине топлоте из ИТ опреме.

Егзотика

Постоје и неконвенционалне методе. Један од њих је заснован на Пелтиеровим елементима или термоелектричним хладњакима (ТЕЦ). Овај приступ се ослања на полупроводничке ефекте и укључује снабдевање електричном енергијом посебне плоче која се загрева са једне стране, а хлади са друге.

Други авангардни приступ је постављање подводних центара података. У Мицрософтов пројекат Натицк , на пример, центар података је потопљен 117 стопа дубоко на Северним острвима у пролеће 2018. Током наредне две године, тим је спровео ригорозно тестирање и надгледање сервера центра података. Потврђено је да би постављање затвореног контејнера на дно океана могло побољшати укупну поузданост центра података ублажавањем проблема попут корозије, температурних флуктуација и физичких поремећаја који се обично јављају на копну.

Бесплатно хлађење

Ова техника је посебно усмерена на максимизирање ефикасности хлађења. Бесплатно хлађење освежава ваздух у дата центру без ослањања на традиционалне системе хлађења. Користи природни спољни ваздух какав јесте. Обично је спољни ваздух само подложан контроли влажности, а затим природни термодинамички процеси регулишу температуру у просторијама са подацима.

Овај метод значајно смањује потрошњу енергије (75% до 92% мање у поређењу са другим ЦРАХ системима), смањује емисију угљен-диоксида и елиминише потребу за водом у систему за хлађење.

Бесплатно хлађење је један од еколошки најприхватљивијих избора који захтева мање енергије. Осим тога, може помоћи у уштеди трошкова јер 40% енергије коју користе центри података одлази на хлађење. Овај систем побољшава перформансе све опреме са ваздушним хлађењем, чак иу тешким условима. Ево једноставног визуелног приказа процеса слободног хлађења:

Као што видите, систем функционише на веома једноставан начин, каналише спољашњи ваздух кроз филтере, ИТ опрему и избацује га. Ово смањење сложености, са само вентилаторима као потенцијалним рањивостима, јача укупну поузданост ДЦ-а на слободном хлађењу.

За разлику од система са сложеном опремом, одсуство сложених компоненти такође смањује и почетне трошкове подешавања и текуће трошкове одржавања. Дакле, финансијске предности почињу већ у фази изградње, где се поједностављени дизајн слободног хлађења претвара у опипљиве уштеде.

Агонија избора

Током конференција и састанака, често добијам бројна питања која се врте око парадокса: ако је бесплатно хлађење једнако повољно у смислу уштеде и једноставности, зашто није универзално прихваћено у индустрији?

Ово поставља шире питање зашто је, упркос предностима, само ограничен број компанија прихватио бесплатно хлађење, док друге настављају са конвенционалним методама. Одговор на ово лежи у вишеструком испитивању преовлађујуће динамике индустрије.

Индустријска диктатура

У индустрији центара података, где је поузданост од примарне важности, усвајање иновативних решења често наилази на отпор. Ово приписујем, пре свега, конзервативној природи ДЦ индустрије, где доносиоци одлука дају приоритет провереним концептима у односу на иновативна решења.

Док нове технологије попут бесплатног хлађења обећавају исплативост и ефикасност, представници индустрије би радије радије радије преферирали традиционалне, али поуздане приступе како би осигурали беспрекоран рад сервера.

Маркетиншке препреке

Још једна ствар је да се комерцијални добављачи ДЦ, који чине око 80% индустрије, ослањају на сертификате независних тела као што су Уптиме Институте да пласирају њихову поузданост. Међутим, ово представља изазов за решења за бесплатно хлађење, јер за њих још увек не постоји успостављена сертификација. Ова ситуација наводи комерцијалне провајдере да се одупиру алтернативним методама хлађења, наводећи несигурност око њихове поузданости и одсуство преседана за сертификацију.

Забринутост због глобалног загревања

Критичари често изражавају забринутост због утицаја глобалног загревања на одрживост слободног хлађења. Међутим, овај аргумент се оповргава признавањем постепене природе глобалног загревања, са приближним повећањем од 1,5 степени током једне деценије. Ова скромна промена температуре вероватно неће угрозити стабилност решења за слободно хлађење у блиској будућности.

Аргумент „за сваки случај“.

Још једна уобичајена пракса за компаније које бирају ДЦ метод хлађења је укључивање резервних јединица за климатизацију као мера предострожности поред слободног хлађења. Овај аргумент „за сваки случај“ подрива основни концепт бесплатног хлађења, уводећи непотребну сложеност и угрожавајући финансијску и оперативну ефикасност.

Чак и за мали клима уређај јавља се потреба да се обезбеде различите компоненте као што су фреон, жице, течности, системи и контроле. Уместо да прихвати идеју да има резервни клима уређај, индустрија би требало да се фокусира на прилагођавање свог система слободног хлађења широком спектру услова без ослањања на лажне наде.

Реални ризици и разматрања

Када размишљате о решењу за слободно хлађење, неки опипљиви ризици и разматрања захтевају пажњу. Једно од примарних разматрања је географски регион, јер примена бесплатног хлађења у региону попут Арапских Емирата можда није оправдана.

Приступачност је још један аспект који треба имати на уму. Изабрани регион мора да поседује потребну инфраструктуру и да буде лако доступан специјализованом особљу задуженом за одржавање дата центра. Повезивање, укључујући доступност оптичких линија, такође је важно. На пример, успостављање центра података са слободним хлађењем изван Арктичког круга постаје непрактично због одсуства комуникационих линија и изазова одржавања квалификоване радне снаге.

Осим ових логистичких разматрања, једина ограничења за слободно хлађење односе се на максималну температуру у региону (око 38-40 степени) и квалитет ваздуха. Подручја са прекомерним загађењем, попут оних у близини прометних аутопутева или интензивних пољопривредних активности, могу представљати проблеме. Иако не постоји потпуна забрана, филтере на таквим локацијама ће бити потребна честа замена. За разлику од конвенционалних климатизованих центара података који циркулишу унутрашњи ваздух, центри за слободно хлађење увлаче спољашњи ваздух, захтевајући пажљивије одржавање филтера. Остали параметри локације су у складу са онима који се примењују на традиционалне центре података.

Пионири и будући трендови

Упркос конзервативној природи индустрије, неке корпоративне компаније које размишљају унапред процењују опипљиве предности алтернатива. Израчунавајући исплативост бесплатног хлађења кроз нумеричку анализу, они схватају потенцијалну уштеду трошкова коју нуди.

Неколико истакнутих компанија, као што су Фацебоок (сада Мета), Гоогле, Амазон, Иандек и Вилдберриес, пионири су у усвајању технологије бесплатног хлађења. Њихов врхунски статус произилази из њихове спремности да процене ризике и препознају финансијске предности које су инхерентне овој технологији. Избор за ове компаније је био јасан – или ићи на конвенционалне шеме и имати веће трошкове или преузети ризике и користи од тога да постану пионири у хлађењу центара података.

Развој индустрије указује на растући тренд међу корпоративним хипер-скалерима ка имплементацији решења за бесплатно хлађење. Како све више компанија препознаје исплативост и оперативне предности ове технологије, очекује се да ће се у будућности појавити све већи број центара за хлађење без корпоративних података.

Ако сте заинтересовани да сазнате више о физици слободног хлађења, истражите ову тему у мом новом чланку Слободно хлађење: Технологија дубоког зарона.