Optimera datacentereffektiviteten: En djupdykning i frikylningstekniker

I den tidigare artikeln diskuterade vi den snabba utbyggnaden av datacenterinfrastruktur och den ökade elförbrukningen som det resulterade i. Eftersom servrar omvandlar el till värme under drift, blir hantering av höga temperaturer och kylning av både datacenteranläggningar och utrustning ett nummer 1 problem för DC-lagen.

Medan traditionella kylningsmetoder, inklusive luftkonditioneringsapparater och kylaggregat, effektivt kyler datacenterlokaler och servrar, är deras kostsamhet fortfarande en betydande nackdel. Frikyla i motsats till traditionella metoder kräver inga betydande investeringar men erbjuder samma nivå av effektivitet och tillförlitlighet. I den här artikeln kommer jag att göra en detaljerad översikt av frikylningsteknik, och lyfta fram dess fördelar, begränsningar och kraven för framgångsrik implementering.

Fysik för fri kylning

För att förstå fysiken bakom fri kylning måste vi se över värmeenergiformeln:

Q = mcAT

Här representerar 'Q' mängden värme som vunnits eller förlorats, 'm' står för provets massa (i vårt fall luftmassan i datacentret), 'c' betecknar luftens specifika värmekapacitet, och AT betecknar temperaturskillnaden.

I ett datacenter är den primära värmekällan processorn. Vanligtvis finns det 2 till 4 processorer som var och en arbetar på cirka 200 watt. Som diskuterats tidigare omvandlas all elektrisk energi som förbrukas av CPU:erna till värme. Därför genererar vi till exempel med 2 CPU: er 400 watt värme som måste försvinna. Nu är vårt mål att bestämma mängden luft som krävs för detta ändamål.

Parametern ΔT, eller temperaturskillnad, indikerar att ju lägre utelufttemperaturen är, desto mindre luftmassa behövs för att kyla CPU:erna. Till exempel, om inloppsluftens temperatur är 0°C och utloppstemperaturen är 35°C, skulle ΔT endast vara 35, vilket innebär ett ganska lägre krav på luftmassa. Men under sommarsäsongen blir kylningen mer utmanande på grund av stigande omgivningstemperaturer. Ju högre utomhustemperatur, desto större mängd luft kommer att krävas för att kyla servrarna.

Server- och nätverkskomponenters temperaturbegränsningar

Även om fri kylning kan vara effektiv för måttliga och kalla klimat, har den fortfarande begränsningar på grund av temperaturbegränsningar på serverkomponenter. Kritiska komponenter i IT- och nätverksutrustning, såsom processorer, RAM, HDD, SSD och NVMe-enheter, har driftstemperaturkrav:

• Processorer: max 89°C
• RAM: max 75°C
• Hårddiskar: max 50°C
• SSD:er och NVMe-enheter: max 47-48°C

Dessa begränsningar påverkar direkt lämpligheten av utomhuslufttemperaturer för kylning. Frikyla skulle inte vara lönsamt i regioner där utomhustemperaturerna överstiger dessa trösklar eller till och med kommer nära dem, eftersom det kan skada systemet på grund av överhettning. Regionala begränsningar

Som vi redan har förklarat måste utomhustemperaturerna konsekvent förbli lägre än IT-utrustningens maximala driftstemperaturer för att frikyla ska vara effektiv. Detta kräver noggrant övervägande av DC-platsens klimatförhållanden. Organisationer måste analysera långsiktiga väderprognoser för att säkerställa att temperaturerna inte överstiger de erforderliga tröskelvärdena, även på specifika dagar eller timmar. Dessutom, med tanke på den långa livslängden för datacenter (vanligtvis 10-15 år), bör effekterna av den globala uppvärmningen också beaktas vid platsbeslut.

Arkitekturkrav för servernod

I fysiksammanhang bygger effektiv kylning på servrar på att säkerställa ett gott flöde av luft genom systemet. Serverns arkitektur spelar en viktig roll i denna process.

Omvänt kan servrar som saknar lämpliga designfunktioner, såsom perforeringar eller öppningar, hindra luftflödet, vilket potentiellt äventyrar den totala effektiviteten hos frikylningsmekanismen.

Fuktighetskontroll

Fuktighetsnivån är en annan viktig faktor när det gäller frikyla. Eftersom vi saknar kontroll över externa luftfuktighetsförhållanden uppstår två relevanta förfrågningar: för det första handlar det om fuktnivåer som närmar sig eller överstiger 100 % i datacentret (DC); för det andra, att ta itu med scenarier med mycket låg luftfuktighet, som under en frostig februaridag med en utomhustemperatur på -30°C och en relativ luftfuktighet som sträcker sig från 2 % till 5 %. Låt oss systematiskt undersöka dessa situationer.

Under förhållanden med hög luftfuktighet finns det en gemensam oro angående den potentiella förekomsten av kondens och dess negativa effekter på utrustningens funktionalitet. I motsats till denna oro, inom återkylningszonerna i DC, där kylningsprocessen sker, är kondensering utesluten. Detta beror på principen att kondens uppstår när varm, fuktig luft kommer i kontakt med kallare ytor. Inom DC:s frikylningssystem är dock inget element kallare än den omgivande luften. Följaktligen hindras kondensering i sig, vilket eliminerar behovet av proaktiva åtgärder.

På motsatsen, när man hanterar låg luftfuktighet, skiftar farhågan mot generering av statisk elektricitet, vilket utgör ett hot mot utrustningens stabilitet. Det här problemet är inte förknippat med kondens men kräver en distinkt lösning. Begränsning innebär jordningsprocedurer och applicering av en specialiserad golvbeläggning. Dessa åtgärder överensstämmer med etablerade metoder för att skydda intern utrustning mot statisk elektricitet. Genom att jorda konstruktionselement, rack och IT-utrustning avleds en statisk laddning ofarligt till marken, vilket bevarar utrustningens integritet.

I det naturliga klimatet förekommer extremt hög eller låg luftfuktighet sällan. Anmärkningsvärda undantag inkluderar sällsynta händelser som ett åskväder som uppnår 100 % luftfuktighet i juli eller en kraftig frost som orsakar mycket låg luftfuktighet. Men under större delen av tiden förblir luftfuktighetsnivåerna väl inom acceptabla intervall som inte orsakar någon skada på utrustningen, även i frånvaro av aktiva ingrepp.

Luftmängd och hastighet

Som vi redan har diskuterat behöver vi en betydande mängd extern luft för att möjliggöra effektiv kylning. Samtidigt dyker ett till synes kontraintuitivt krav upp – att upprätthålla ett lågt luftflöde i byggnaden. Denna uppenbara paradox bottnar i de utmaningar som höghastighetsluftströmmar cirkulerar inom.

För att förenkla, föreställ dig hög lufthastighet som en robust ström från ett rör som skapar virvlar och turbulens runt IT-utrustningen. Denna turbulens leder potentiellt till oregelbundna luftrörelser och lokal överhettning. För att komma till rätta med detta siktar vi strategiskt på en övergripande låg flyghastighet på 1-2 meter per sekund i hela utrymmet.

Genom att upprätthålla denna kontrollerade flyghastighet kan vi eliminera turbulens. En högre hastighet skulle riskera ojämnheter i luftrörelsen. Genom att hålla oss till intervallet 1-2 meter per sekund främjar vi ett jämnt, enhetligt luftflöde och undviker lokal överhettning. Denna känsliga balans säkerställer optimal kylning av IT-utrustning genom att kringgå fallgropar som är förknippade med höghastighetsluftströmmar.

Som kan ses kretsar frikylningsmetoden kring effektiv användning av extern luft samtidigt som en kontrollerad låg intern lufthastighet prioriteras. Denna medvetna strategi hjälper till att upprätthålla ett laminärt och enhetligt luftflöde, vilket säkerställer effektiviteten hos kylning av IT-utrustning.

Byggnadskoncept

I frikylningsparadigmet används inte traditionella luftkanaler i byggnadens struktur. Till skillnad från konventionella installationer med avsedda luftkanaler i väggar, tak eller specifika områden, antar databehandlingscenter ett okonventionellt tillvägagångssätt. Själva byggnaden är tänkt som en luftkanal, vilket gör traditionella luftkonditioneringsenheter föråldrade. Den stora skalan hos dessa luftkanaler förvandlar dem till integrerade komponenter i rum och golv.

Luftflödesprocessen startar när extern luft kommer in i byggnaden och passerar genom två typer av filter – grovfilter och finfilter. När luften genomgår reningsprocessen drivs den av fläktar till expansiva byggnadsvolymer, ungefär motsvarande fyra våningar i höjd. Denna betydande volym tjänar sitt eget syfte: att bromsa luftflödet, minska dess hastighet till det erforderliga området på 1-2 meter per sekund. Därefter sjunker luften till maskinrummet.

Efter att ha korsat maskinrummet fortsätter luften sin resa genom IT-ställen och går vidare in i den varma gången. Därifrån går den in i varmluftsuppsamlaren innan den släpps ut genom frånluftsfläktar. Denna strukturerade luftflödesbana säkerställer en effektiv kylningsprocess samtidigt som kontrollerad lufthastighet bibehålls.

Flyghastighet och volym

Det medvetna designvalet att använda expansiva byggnadsvolymer tjänar ett dubbelt syfte. Först och främst möjliggör den en gradvis minskning av flyghastigheten, vilket säkerställer att luftflödet uppnår önskad hastighet på 1-2 meter per sekund. Denna kontrollerade lufthastighet är avgörande för att förhindra turbulens och upprätthålla ett laminärt flöde, särskilt viktigt när luften går genom känslig IT-utrustning. För det andra rymmer den betydande volymen den nödvändiga luftvolymen för att effektivt avleda den genererade värmen. Det synkroniserade samspelet mellan flyghastighet och volym bidrar till systemets övergripande framgång.

Differenstryck som den enda hanteringsdrivrutinen

I en frikylningsuppsättning har vi inte kontroll över den yttre lufttemperaturen, vilket leder till variationer i lufttemperaturen som kommer in i datacentret (DC). Trots detta är det viktigt att uppskatta det luftflöde som krävs för kylning av utrustningen. För att ta itu med detta förlitar vi oss på metoden för differentialtryck.

Inuti varje IT-rack arbetar servrar med interna fläktar med olika hastigheter, vilket tillsammans skapar ett differentialtryck mellan rackets fram- och baksida. Med ett flertal servrar, som var och en bidrar till det totala luftflödet, byggs denna tryckskillnad gradvis upp mellan de kalla och varma gångarna. Med hjälp av trycksensorer i både gångar och utanför DC-byggnaden kan vi mäta detta differenstryck.

Beräkningen går ut på att subtrahera trycksensordata i den varma gången från atmosfärstryck och subtrahera trycksensordata i den kalla gången från atmosfärstryck. Så som i exemplet nedan:

Exempel från verkliga världen

De resulterande värdena vägleder oss sedan för att bestämma den nödvändiga lufttillförseln till DC och det nödvändiga utloppet för att kompensera serverfläktarnas drift. I enklare termer mäter vi våra luftflödesbehov baserat på tryckskillnaderna, vilket gör att vi kan hantera kylprocessen inom DC effektivt.

Värme- och blandningskammare

De traditionella värmesystemen är vanligtvis inte implementerade i datacenter med frikyla. Att använda vatten anses irrationellt på grund av kostnader och potentiella risker för utrustning. Detta utgör en utmaning under extrema förkylningar, som når -20–30 grader ute. Medan utrustningen hanterar det bra, söker ingenjörer ett skonsammare tillvägagångssätt. Den mest eleganta och logiska lösningen här är att återanvända varm luft som genereras av IT-utrustning. Genom att leda den varma luften från servrar in i en blandningskammare och återföra en del av den till huvudluftströmmen, håller systemet lokalerna varma på vintern och gör det möjligt att spara kostnader för uppvärmning.

Enkelhet och tillförlitlighet

En nyckeluppsats inom reliabilitetsteori hävdar att enkelhet föder tillförlitlighet. Detta gäller för frikylningssystemet som står som ett anmärkningsvärt enkelt koncept. Systemet fungerar som en barrikad som för luft utifrån genom filter, passerar den genom IT-utrustning och sedan bara släpper ut den.

Frånvaron av komplexa system ökar tillförlitligheten, med endast fläktar som utgör en sårbarhet i varmt väder. Frikylningsmetoden exemplifierar radikal systemförenkling, vilket avsevärt förbättrar tillförlitligheten genom att minska antalet element.

DC Fans vs Server Fans

Fläktarnas hierarkiska auktoritet är en annan grundläggande fråga i luftflödets dynamik inom DC. Som vi har diskuterat finns det storskaliga fläktar på DC-nivå och de på servernivå. Frågan är: levererar datacenterfläktarna bara luft, så att serverfläktarna förbrukar så mycket som behövs? Eller kommer efterfrågan från serverfläktarna, vilket tvingar DC-fläktarna att uppfylla deras krav?

Mekanismen är följande: serverfläktarna har en dominerande roll i denna process och bestämmer det nödvändiga luftflödet. Därefter svarar DC-fläktarna genom att leverera den erforderliga volymen luft. Det blir uppenbart att om den kumulativa efterfrågan från alla servrar överstiger kapaciteten för DC-fläkten, kan det leda till potentiell överhettning.

Så svaret är att serverfans har företräde i denna dynamik. De orkestrerar luftflödet och anger den nödvändiga luftmängden.

Beräkning av effektivitet och PUE

För att utvärdera effektiviteten av ett DC-projekt används traditionellt beräkningen av Power Usage Effectiveness (PUE). Formeln för PUE är förhållandet mellan total anläggningskraft och IT-utrustningskraft:

PUE = Total Facility Power / IT-utrustning Power

Helst är det lika med 1, vilket betyder att all energi leds till IT-utrustning utan slöseri. Men att uppnå detta perfekta scenario är sällsynt i verkliga projekt.

En annan fråga uppstår när vi försöker etablera en tydlig metod för att beräkna Power Usage Effectiveness (PUE). Så, till exempel, i vårt system har vi ett mått som indikerar momentan strömförbrukning i watt, vilket gör det möjligt att beräkna PUE i realtid.

Dessutom kan vi härleda en genomsnittlig PUE över en årsperiod, vilket ger en mer omfattande bedömning med tanke på säsongsvariationer. Detta är särskilt relevant med tanke på skillnaden i energianvändning mellan årstider; till exempel skillnaden i kylbehov mellan sommar- och vintermånaderna. Det betyder att om vi vill ha en mer tillförlitlig utvärdering måste vi prioritera ett årsgenomsnitt som ger en mer balanserad och heltäckande bedömning.

Det är också viktigt att utforska PUE inte bara i termer av energi utan även monetära enheter, och därigenom inkludera säsongsvariationer i elpriserna. Att utvärdera PUE i monetära termer ger ett mer holistiskt perspektiv på operativ effektivitet.

Dessutom avslöjar detta tillvägagångssätt möjligheter att uppnå ett PUE-värde på mindre än 1 mätt i dollar. Det blir till exempel möjligt när vi använder spillvärme för vattenuppvärmning och säljer den vidare till närliggande städer. Anmärkningsvärda exempel, som Googles datacenter i USA och Yandex anläggning i Finland, visar lönsamheten av sådana metoder, särskilt i regioner som kännetecknas av höga energikostnader.

Effektivitet kontra pålitlighet

Oron för att minska kostnaderna och öka effektiviteten väcker ofta frågor om potentiella negativa effekter på tillförlitligheten. Jag skulle dock vilja betona att i frikylning äventyrar jakten på effektivitet inte tillförlitligheten. Istället kan dess tekniska biverkningar till och med öka effektiviteten. Till exempel, som vi redan har diskuterat, blir omdirigering av överskottsvärme till värmepumpar för ytterligare fördelar, som att generera varmvatten för närliggande städer, en ekonomiskt fördelaktig praxis utan att offra tillförlitligheten.

Framtiden för fri kylning

Trots alla fördelar som fri kylning erbjuder, drivs datacenterindustrin fortfarande av ett konservativt förhållningssätt och kräver bevisad tillförlitlighet, med en tendens att motstå innovativa lösningar. Beroendet på certifieringar från organ som Uptime Institute för marknadsföring utgör ytterligare ett hinder för frikylningslösningar, som saknar en etablerad certifiering, vilket leder till att kommersiella leverantörer ser dem med skepsis.

Ändå finns det en trend bland företagshyper-scalers att använda fri kylning som huvudlösningen för sina DC. Med ett växande antal företag som erkänner kostnadseffektiviteten och operativa fördelarna med denna teknik, förväntar vi oss att fler företagsfria kyldatacenter kommer att dyka upp under de kommande 10-20 åren.