Оптимизација ефикасности центра података: дубоко уроњење у технике слободног хлађења

У претходном чланку смо разговарали о брзом ширењу инфраструктуре дата центра и повећању потрошње електричне енергије до којег је дошло. Како сервери претварају електричну енергију у топлоту током рада, управљање високим температурама и хлађење и објеката и опреме дата центра постаје проблем број 1. за ДЦ тимове.

Док традиционалне методе хлађења, укључујући клима-уређаје и расхладне уређаје, ефикасно хладе просторије и сервере центара података, њихова скупоћа остаје значајан недостатак. Бесплатно хлађење за разлику од традиционалних метода не захтева значајна улагања, али нуди исти ниво ефикасности и поузданости. У овом чланку ћу направити детаљан преглед технологије слободног хлађења, наглашавајући њене предности, ограничења и захтеве за успешну примену.

Физика слободног хлађења

Да бисмо разумели физику која стоји иза слободног хлађења, мораћемо да поново погледамо формулу топлотне енергије:

К = мцΔТ

Овде 'К' представља количину добијене или изгубљене топлоте, 'м' представља масу узорка (у нашем случају, маса ваздуха у дата центру), 'ц' означава специфични топлотни капацитет ваздуха, а ΔТ означава температурну разлику.

У дата центру, примарни извор топлоте је ЦПУ. Обично постоје 2 до 4 ЦПУ-а, од којих сваки ради на приближно 200 вати. Као што је раније речено, сва електрична енергија коју троше ЦПУ претвара се у топлоту. Стога, са 2 ЦПУ-а, на пример, генеришемо 400 вати топлоте коју треба распршити. Сада је наш циљ да одредимо количину ваздуха која је потребна за ову сврху.

Параметар ΔТ, или температурна разлика, показује да што је нижа температура спољашњег ваздуха, то је мања ваздушна маса потребна за хлађење ЦПУ-а. На пример, ако је улазна температура ваздуха 0°Ц, а излазна температура 35°Ц, ΔТ би био само 35, што означава прилично нижи захтев за ваздушном масом. Међутим, током летње сезоне хлађење постаје изазовније због пораста температуре околине. Што је спољашња температура виша, то ће већа количина ваздуха бити потребна за хлађење сервера.

Ограничења температуре серверских и мрежних компоненти

Иако бесплатно хлађење може бити ефикасно за умерене и хладне климе, оно и даље има ограничења због температурних ограничења на компонентама сервера. Критичне компоненте у ИТ и мрежној опреми, као што су процесори, РАМ, ХДД, ССД и НВМе дискови, имају захтеве за радну температуру:

• Процесори: мак 89°Ц
• РАМ: мак 75°Ц
• ХДД: мак 50°Ц
• ССД и НВМе дискови: мак 47-48°Ц

Ова ограничења директно утичу на погодност спољашњих температура ваздуха за хлађење. Бесплатно хлађење не би било одрживо у регионима где спољне температуре прелазе ове прагове или им се чак приближавају, јер би могло да оштети систем услед прегревања. Регионална ограничења

Као што смо већ објаснили, спољне температуре морају константно остати ниже од максималних радних температура ИТ опреме да би слободно хлађење било ефикасно. Ово захтева пажљиво разматрање климатских услова локације ДЦ. Организације морају анализирати дугорочне временске прогнозе како би осигурале да температуре не прелазе потребне прагове, чак ни у одређеним данима или сатима. Поред тога, с обзиром на дуг животни век центара података (обично 10-15 година), ефекте глобалног загревања такође треба узети у обзир у одлукама о локацији.

Захтеви за архитектуру чвора сервера

У контексту физике, постизање ефикасног хлађења у серверима се ослања на обезбеђивање довољног протока ваздуха кроз систем. Архитектура сервера игра важну улогу у овом процесу.

Насупрот томе, сервери којима недостају одговарајуће карактеристике дизајна, као што су перфорације или отвори, могу ометати проток ваздуха, потенцијално компромитујући укупну ефикасност механизма за слободно хлађење.

Контрола влажности

Ниво влажности је још један критичан фактор када је у питању слободно хлађење. Пошто нам недостаје контрола над условима спољашње влажности, јављају се два релевантна питања: прво, адресирање нивоа влажности који се приближава или прелази 100% унутар центра података (ДЦ); друго, решавање сценарија веома ниске влажности ваздуха, као што је током мразног фебруарског дана са спољном температуром од -30°Ц и релативном влажношћу у распону од 2% до 5%. Хајде да систематски испитамо ове ситуације.

У условима повишене влажности, постоји заједничка забринутост у вези са потенцијалном појавом кондензације и њеним негативним ефектима на функционалност опреме. Насупрот овој забринутости, у зонама поновног хлађења ДЦ, где се одвија процес хлађења, кондензација је искључена. Ово је због принципа да кондензација настаје када топли, влажни ваздух дође у контакт са хладнијим површинама. Међутим, у систему слободног хлађења ДЦ, ниједан елемент није хладнији од околног ваздуха. Сходно томе, кондензација је инхерентно отежана, елиминишући потребу за проактивним мерама.

Напротив, када се ради о ниској влажности, бојазан се помера ка стварању статичког електрицитета, што представља претњу стабилности опреме. Ово питање није повезано са кондензацијом, али захтева посебно решење. Ублажавање укључује поступке уземљења и наношење специјализованог подног премаза. Ове мере су у складу са утврђеним методама за заштиту унутрашње опреме од статичког електрицитета. Уземљењем конструкцијских елемената, рекова и ИТ опреме, статички набој се нешкодљиво распршује на тло, чувајући интегритет опреме.

У природној клими, случајеви екстремно високе или ниске влажности су ретки. Значајни изузеци укључују ретке догађаје као што је грмљавина која достиже 100% влажност у јулу или јак мраз који узрокује веома ниску влажност. Међутим, већи део времена нивои влажности остају у прихватљивим границама који не представљају никакву штету опреми, чак и у одсуству активних интервенција.

Количина и брзина ваздуха

Као што смо већ дискутовали, да бисмо олакшали ефикасно хлађење, потребна нам је значајна количина спољашњег ваздуха. Истовремено, појављује се наизглед контраинтуитиван захтев – одржавање ниског протока ваздуха унутар зграде. Овај очигледни парадокс је укорењен у изазовима које представљају брзе ваздушне струје које круже унутра.

Да поједноставимо, замислите велику брзину ваздуха као снажан млаз из цеви, који ствара вртлоге и турбуленције око ИТ опреме. Ова турбуленција потенцијално доводи до неправилног кретања ваздуха и локализованог прегревања. Да бисмо ово решили, стратешки циљамо на општу малу брзину ваздуха од 1-2 метра у секунди у целом простору.

Одржавање ове контролисане брзине омогућава нам да елиминишемо турбуленцију. Већа брзина би ризиковала неправилности у кретању ваздуха. Придржавајући се опсега од 1-2 метра у секунди, подстичемо несметан, уједначен проток ваздуха, избегавајући локализовано прегревање. Ова деликатна равнотежа обезбеђује оптимално хлађење ИТ опреме избегавајући замке повезане са струјама ваздуха велике брзине.

Као што се може видети, приступ слободног хлађења се врти око ефикасног коришћења спољашњег ваздуха уз приоритет контролисане ниске унутрашње брзине ваздуха. Ова промишљена стратегија помаже у одржавању ламинарног и равномерног протока ваздуха, обезбеђујући ефикасност хлађења ИТ опреме.

Концепт зграде

У парадигми слободног хлађења, традиционални ваздушни канали се не користе у структури зграде. За разлику од конвенционалних подешавања са одређеним ваздушним каналима у зидовима, плафонима или одређеним областима, центри за обраду података усвајају неконвенционалан приступ. Сама зграда је замишљена као ваздушни канал, због чега су традиционалне климатизационе јединице застареле. Сама величина ових ваздушних канала их претвара у саставне компоненте просторија и подова.

Процес струјања ваздуха почиње када спољашњи ваздух улази у зграду, пролазећи кроз две врсте филтера – грубе и фине филтере. Када ваздух прође кроз процес чишћења, вентилатори га покрећу у велике запремине зграде, приближно једнаке висини четири спрата. Ова значајна запремина служи својој сврси: да успори проток ваздуха, смањујући његову брзину на потребан опсег од 1-2 метра у секунди. Након тога, ваздух се спушта у машинску собу.

Након што пређе машинску собу, ваздух наставља своје путовање кроз ИТ полице, напредујући у врући пролаз. Одатле улази у колектор топлог ваздуха пре него што се избацује напоље кроз издувне вентилаторе. Ова структурирана путања протока ваздуха обезбеђује ефикасан процес хлађења уз одржавање контролисане брзине ваздуха.

Брзина и запремина

Намеран избор дизајна коришћења експанзивних запремина зграда служи двострукој сврси. Прво и најважније, омогућава постепено смањење брзине ваздуха, осигуравајући да проток ваздуха постигне жељену брзину од 1-2 метра у секунди. Ова контролисана брзина ваздуха је од суштинског значаја за спречавање турбуленције и одржавање ламинарног тока, посебно важно како ваздух напредује кроз осетљиву ИТ опрему. Друго, значајна запремина омогућава неопходну запремину ваздуха за ефикасно расипање произведене топлоте. Синхронизована интеракција брзине и запремине доприноси укупном успеху система.

Диференцијални притисак као једини покретач управљања

У поставци слободног хлађења, немамо контролу над температуром спољашњег ваздуха, што доводи до варијација у температури ваздуха која улази у центар података (ДЦ). Упркос томе, процена потребног протока ваздуха за хлађење опреме је од суштинског значаја. Да бисмо ово решили, ослањамо се на методу диференцијалног притиска.

Унутар сваког ИТ сталка, сервери са унутрашњим вентилаторима раде различитим брзинама, заједно стварајући диференцијални притисак између предње и задње стране сталка. Са бројним серверима, од којих сваки доприноси укупном протоку ваздуха, ова разлика у притиску се постепено повећава између хладних и топлих пролаза. Користећи сензоре притиска у оба пролаза и ван зграде ДЦ, можемо измерити овај диференцијални притисак.

Прорачун укључује одузимање података сензора притиска у топлом пролазу од атмосферског притиска и одузимање података сензора притиска у хладном пролазу од атмосферског притиска. Дакле, као у примеру испод:

Пример из стварног света

Резултирајуће вредности нас затим воде у одређивању неопходног довода ваздуха у ДЦ и потребног издувавања да би се компензовао рад серверских вентилатора. Једноставније речено, ми меримо наше потребе за протоком ваздуха на основу разлика у притиску, што нам омогућава да ефикасно управљамо процесом хлађења унутар ДЦ.

Комора за грејање и мешање

Традиционални системи грејања се обично не примењују у дата центрима са бесплатним хлађењем. Коришћење воде сматра се нерационалним због трошкова и потенцијалних ризика за опрему. Ово представља изазов током екстремних хладноћа, достижући напољу -20–30 степени. Док опрема то добро подноси, инжењери траже нежнији приступ. Најелегантније и најлогичније решење овде је поновно коришћење топлог ваздуха који генерише ИТ опрема. Усмеравајући топли ваздух из сервера у комору за мешање, и враћајући део у главну ваздушну струју, систем одржава простор топлим зими и омогућава уштеду на трошковима грејања.

Једноставност и поузданост

Кључна теза у теорији поузданости тврди да једноставност рађа поузданост. Ово важи за систем слободног хлађења који представља изузетно једноставан концепт. Систем функционише као барикада, пропушта ваздух споља кроз филтере, пролази кроз ИТ опрему, а затим га само избацује.

Одсуство сложених система повећава поузданост, а само вентилатори представљају рањивост по врућем времену. Приступ слободног хлађења представља пример радикалног поједностављења система, значајно побољшавајући поузданост смањењем броја елемената.

ДЦ фанови против обожавалаца сервера

Хијерархијски ауторитет вентилатора је још једно фундаментално питање у динамици протока ваздуха унутар ДЦ. Као што смо већ споменули, постоје велики фанови на ДЦ нивоу и они на нивоу сервера. Питање је: да ли вентилатори центра података само доводе ваздух, остављајући вентилаторима сервера да троше онолико колико је потребно? Или потражња потиче од обожавалаца сервера, приморавајући ДЦ фанове да испуне своје захтеве?

Механизам је следећи: серверски вентилатори имају доминантну улогу у овом процесу, одређујући потребан проток ваздуха. Након тога, ДЦ вентилатори реагују испоруком потребне количине ваздуха. Постаје очигледно да ако кумулативна потражња са свих сервера премаши капацитет напајања ДЦ вентилатора, то може довести до потенцијалног прегревања.

Дакле, одговор је да навијачи сервера имају примат у овој динамици. Они оркестрирају проток ваздуха, одређујући потребну количину ваздуха.

Ефикасност и ПУЕ прорачун

За процену ефикасности ДЦ пројекта традиционално се користи прорачун ефикасности употребе енергије (ПУЕ). Формула за ПУЕ је однос укупне снаге постројења према снази ИТ опреме:

ПУЕ = Укупна снага постројења / Снага ИТ опреме

У идеалном случају, он је једнак 1, што значи да је сва енергија усмерена на ИТ опрему без икаквог губитка. Међутим, постизање овог савршеног сценарија је реткост у пројектима у стварном свету.

Још једно питање се јавља када покушамо да успоставимо јасну методологију за израчунавање ефикасности употребе енергије (ПУЕ). Тако, на пример, у нашем систему поседујемо метрику која показује тренутну потрошњу енергије у ватима, што омогућава израчунавање ПУЕ у реалном времену.

Штавише, можемо да изведемо просечну ПУЕ током годишњег периода, што нуди свеобухватнију процену с обзиром на сезонске флуктуације. Ово је посебно важно с обзиром на неједнакост у потрошњи енергије између годишњих доба; на пример, разлика у захтевима за хлађењем између летњих и зимских месеци. То значи да ако желимо да имамо поузданију процену, морамо да дамо приоритет годишњем просеку који обезбеђује уравнотеженију и свеобухватнију процену.

Такође је важно истражити ПУЕ не само у смислу енергије, већ и монетарних јединица, чиме се укључују сезонске флуктуације цена електричне енергије. Процена ПУЕ у монетарном смислу даје холистичкију перспективу оперативне ефикасности.

Осим тога, овај приступ открива могућности да се постигне вредност ПУЕ мања од 1 када се мери у доларима. То постаје могуће, на пример, када отпадну топлоту користимо за загревање воде и даље је продајемо у оближње градове. Примери вредни пажње, као што су Гоогле-ов центар за податке у САД и Иандек-ов објекат у Финској, показују одрживост таквих пракси, посебно у регионима које карактеришу високи трошкови енергије.

Ефикасност наспрам поузданости

Бриге око смањења трошкова и повећања ефикасности често постављају питања о потенцијалним негативним утицајима на поузданост. Међутим, желео бих да нагласим да у слободном хлађењу тежња за ефикасношћу не угрожава поузданост. Уместо тога, његови технолошки нежељени ефекти могу чак и да побољшају ефикасност. На пример, као што смо већ расправљали, преусмеравање вишка топлоте на топлотне пумпе ради додатних погодности, као што је производња топле воде за оближње градове, постаје финансијски повољна пракса без жртвовања поузданости.

Будућност слободног хлађења

Упркос свим предностима које нуди бесплатно хлађење, индустрија центара података је и даље вођена конзервативним приступом и захтева доказану поузданост, са тенденцијом да се одупре иновативним решењима. Ослањање на сертификате тела попут Уптиме Институте јер маркетинг представља још једну препреку за решења за бесплатно хлађење, јер немају успостављену сертификацију, што наводи комерцијалне провајдере да их гледају са скептицизмом.

Ипак, постоји тренд међу корпоративним хипер-скалерима да усвоје бесплатно хлађење као главно решење за своје ДЦ. Уз све већи број компанија које признају исплативост и оперативне предности ове технологије, очекујемо да ће се у наредних 10-20 година појавити више центара за хлађење без корпоративних података.