Utvecklingen av kylning av datacenter: från luftbaserade metoder till fri kylning

Problemdefinition

Den eskalerande tillväxten av datacenterinfrastruktur och den samtidiga ökningen av användningen av IT-utrustning har lett till en ökning av elförbrukningen.

Eftersom servrar, integrerade komponenter i datacentren, omvandlar elektricitet till värme under drift, står vi inför problemet med att hantera höga temperaturer och kyla datacenterlokaler och utrustning.

Låt oss snabbt komma ihåg grunderna i skolfysiken: efter termodynamikens grundläggande principer försvinner inte energin utan omvandlas. Alltså, om ett datacenter förbrukar 1 MW elektricitet – omvandlas hela detta energikvantum till en motsvarande mängd värme. Följaktligen, ju mer el som förbrukas, desto större utmaning är det att hantera den resulterande värmen i datacentret.

Situationen blir ännu mer komplicerad, eftersom IT-utrustning kan ha varierande energiförbrukningsnivåer samtidigt som den har olika fysiska storlekar. Till exempel kan utrustning med hög energiförbrukning ha en liten storlek, vilket innebär problem med att effektivt kyla den koncentrerade värmen. Å andra sidan är större IT-utrustning med relativt måttlig elförbrukning lättare att kyla på grund av sin större yta. Datacenter innehåller vanligtvis en blandning av utrustningsstorlekar och förbrukningsnivåer, vilket innebär utmaningen att inte bara kyla diverse IT-utrustning utan också göra det med olika hastigheter, dikterat av temperaturkraven för varje utrustningstyp. Det behöver inte sägas att för att kyla DC behöver vi betydande mängder el, vilket ökar driftskostnaderna.

Problemet med effektiv energianvändning i datacenter blir särskilt akut med den globala ökningen av elpriserna. Enligt rapporten från Statista Världspriserna på el skjutit i höjden till det högsta någonsin mellan 2021 och 2022. När hälsokrisen covid-19 avtog under andra halvan av 2021 ökade efterfrågan på energi och elpriserna slog ett första rekord. I början av 2022 stramats energimarknaden åt igen och energikrisen intensifierades.

Datacenters elförbrukning ökar trots ökad prestandaeffektivitet.

Med andra ord, även om prestandan per watt förbättras, växer efterfrågan på resurser ännu snabbare, så den totala förbrukningen ökar oundvikligen såväl som kostnaderna. Däremot kan betydande kostnadsbesparingar uppnås genom att optimera kylsystemen. Detta gjorde att jag ville ta en djupare titt på de effektiva kylningsmetoderna i allmänhet och frikyla i synnerhet.

Bedömning av energiförbrukningsnivåer i datacenter bygger vanligtvis på mätvärdet Power Usage Effectiveness (PUE). PUE mäter ett datacenters effektivitet genom att utvärdera den totala energiförbrukningen mot den som enbart används för IT-utrustning. Vi kommer att prata om det mer i detalj lite senare. Vad vi behöver veta nu är att en lägre PUE betyder ett mer effektivt datacenter, vilket indikerar minskat beroende av icke-datorkraft. Inför växande infrastruktur och eskalerande elförbrukning ger optimering av PUE med effektivare kylsystem ekonomisk försiktighet och hållbar verksamhet.

I den här artikeln kommer vi att utforska traditionella och innovativa kylningsmetoder och upptäcka vilka av dem som erbjuder maximal effektivitet.

Översikt över kylningsmetoder

Luft och icke-luft

I en förenklad klassificering kan kyltekniker delas in i två primära kategorier: luftbaserade och icke-luftbaserade metoder. För att utarbeta, omfattar luftkylning konventionella tillvägagångssätt, medan kategorin icke-luft inkluderar olika metoder som använder ämnen som vatten, olja eller fasta material. Det är anmärkningsvärt att den överväldigande majoriteten, som utgör 99 %, av kylningsmetoderna faller under luftkylningsparaplyet.

Luftkonditionering

Luftkonditioneringssystem är det vanligaste sättet för luftkylning i professionella datacenterinstallationer. Deras grundläggande princip återspeglar den för luftkonditioneringsapparater för bostäder: luften som strömmar genom servrarna cirkuleras genom en luftkonditionering, kyls via ett kylargaller och återcirkuleras sedan tillbaka till servrarna. Denna cykliska process säkerställer en kontinuerlig kylmekanism.

Kylare

Efter luftkonditioneringsapparater representerar kylaggregat det näst mest använda kylsystemet. Till skillnad från luftkonditioneringsapparater använder kylaggregat vatten (eller en vattenbaserad lösning) för att överföra värme från utrymmen som kräver klimatkontroll. Även om luftkonditionering är enklare och generellt sett billigare, kan dess högre energikostnader ibland vara avskräckande för företag. Å andra sidan är kylvattensystem mer energieffektiva, men kräver fler komponenter och komplexitet i installation och underhåll.

Adiabatiska kamrar och Mats

Adiabatisk kylning innebär användning av kammare eller mattor där vatten hälls och förångas. När vattnet avdunstar svalnar kamrarna och mattorna tillsammans med luften inuti. Även om adiabatisk kylning representerar ett tredje genomförbart alternativ, anses det vara något exotiskt och är inte lika vanligt i datacenterkylning jämfört med luftkonditionering och kylare.

Vattenkylning

I vattenkylningssystem används vatten eller vattenhaltiga vätskor för värmeavledning. Vattenledningar är strategiskt placerade i serverrum, med varje server ansluten till två rör – ett för varmvattenutflöde och det andra för kallvatteninflöde. Radiatorer på CPU:er, GPU:er och på annan utrustning är kopplade direkt till detta vattenförsörjningssystem. Detta tillvägagångssätt kyler inte bara datacenterutrustningen och lokalerna utan genererar också en tillgång på varmt vatten för ytterligare användning.

Värmeväxlare

Denna metod förbättrar kylningseffektiviteten genom att utnyttja externa kalla miljöer.

När en närliggande köldkälla, som en sjö, ett hav eller kall mark, är tillgänglig, kan vattenledningar placeras rakt in i den för att överföra stora mängder värme från IT-utrustning.

Exotiska

Det finns också okonventionella metoder. En av dem är baserad på Peltier-element eller termoelektriska kylare (TEC). Detta tillvägagångssätt förlitar sig på halvledareffekter och innebär att man levererar elektricitet till en speciell platta som värms upp på ena sidan och kyls på den andra.

En annan avantgardistisk metod är utbyggnaden av undervattensdatacenter. I Microsofts Project Natick , till exempel var ett datacenter nedsänkt 117 fot djupt på Northern Isles våren 2018. Under de efterföljande två åren genomförde teamet rigorösa tester och övervakning av datacentrets servrar. Det bekräftades att placering av en förseglad behållare på havsbotten kan förbättra den övergripande tillförlitligheten av datacenter genom att mildra problem som korrosion, temperaturfluktuationer och fysiska störningar som vanligtvis uppstår på land.

Gratis kylning

Denna teknik är särskilt inriktad på att maximera kylningseffektiviteten. Frikylning fräschar upp luften i ett datacenter utan att förlita sig på traditionella kylsystem. Den använder naturlig utomhusluft som den är. Uteluften är vanligtvis bara föremål för fuktkontroll och sedan reglerar naturliga termodynamiska processer temperaturen i datarummen.

Denna metod minskar energiförbrukningen avsevärt (75 % till 92 % mindre jämfört med andra CRAH-system), minskar koldioxidutsläppen och eliminerar behovet av vatten i kylsystemet.

Frikyla är ett av de mest miljövänliga valen som kräver mindre energi. Dessutom kan det hjälpa till att spara kostnader eftersom 40 % av strömmen som används av datacenter går till kylning. Detta system förbättrar prestandan hos all luftkyld utrustning, även under tuffa förhållanden. Här är en enkel visuell representation av frikylningsprocessen:

Som du kan se fungerar systemet på ett mycket enkelt sätt, kanaliserar utomhusluften genom filter, IT-utrustning och driver ut den. Denna minskning av komplexiteten, med endast fläktar som potentiella sårbarheter, stärker den övergripande tillförlitligheten hos en DC på frikylning.

Till skillnad från system med komplex utrustning, minskar frånvaron av intrikata komponenter också både initiala installationskostnader och löpande underhållskostnader. Så de ekonomiska fördelarna börjar redan i byggskedet, där den strömlinjeformade designen av frikyla leder till påtagliga besparingar.

Valets ångest

Under konferenser och möten får jag ofta många frågor som kretsar kring paradoxen: om frikyla är lika fördelaktigt vad gäller kostnadsbesparingar och enkelhet, varför är det inte allmänt antaget i branschen?

Detta väcker den bredare frågan om varför, trots dess fördelar, endast ett begränsat antal företag har anammat frikyla, medan andra fortsätter med konventionella metoder. Svaret på detta ligger i en mångfacetterad undersökning av den rådande industridynamiken.

Industridiktatur

Inom datacenterbranschen, där tillförlitlighet är av största vikt, möter antagandet av innovativa lösningar ofta motstånd. Jag tillskriver detta först och främst DC-branschens konservativa karaktär, där beslutsfattare prioriterar beprövade koncept framför innovativa lösningar.

Medan nya tekniker som gratis kylning lovar kostnadseffektivitet och effektivitet, föredrar branschrepresentanter hellre traditionella men pålitliga metoder för att säkerställa sömlös drift av servrarna.

Marknadsföringshinder

En annan sak här är att kommersiella DC-leverantörer, som utgör cirka 80 % av branschen, förlitar sig på certifieringar från oberoende organ som t.ex. Uptime Institute att marknadsföra sin tillförlitlighet. Detta innebär dock en utmaning för frikylningslösningar, eftersom det ännu inte finns någon etablerad certifiering för dem. Denna situation leder till att kommersiella leverantörer motsätter sig alternativa kylningsmetoder, med hänvisning till osäkerheter kring deras tillförlitlighet och frånvaron av ett certifieringsprejudikat.

Global uppvärmningsoro

Kritiker väcker ofta oro för den globala uppvärmningens inverkan på frikylans lönsamhet. Men argumentet avfärdas genom att erkänna den gradvisa karaktären av global uppvärmning, med en ungefärlig ökning på 1,5 grader under ett decennium. Denna blygsamma temperaturförändring kommer sannolikt inte att äventyra stabiliteten hos frikylningslösningar på kort sikt.

"Just in case"-argument

En mer vanlig praxis för företag som väljer en DC-kylningsmetod är införandet av reservluftkonditioneringsenheter som en försiktighetsåtgärd utöver frikylning. Detta "för säkerhets skull"-argument undergräver kärnkonceptet med fri kylning, introducerar onödig komplexitet och äventyrar ekonomisk och operativ effektivitet.

Även för en liten luftkonditionering uppstår behovet av att tillhandahålla olika komponenter såsom freon, ledningar, vätskor, system och kontroller. Istället för att anamma tanken på att ha en reservluftkonditionering, bör branschen fokusera på att anpassa sitt frikylningssystem till ett brett spektrum av förhållanden utan att förlita sig på falska förhoppningar.

Verkliga risker och överväganden

När man överväger en frikylningslösning kräver vissa påtagliga risker och överväganden uppmärksamhet. En primär övervägande är den geografiska regionen, eftersom det kanske inte är motiverat att installera fri kyla i en region som Arabemiraten.

Tillgänglighet är en annan aspekt att tänka på. Den valda regionen måste ha den nödvändiga infrastrukturen och vara lätt att nå för specialiserad personal med uppgift att underhålla datacenter. Anslutningsmöjligheter, inklusive tillgången på optiska linjer, är också viktigt. Till exempel blir det opraktiskt att etablera ett frikylningsdatacenter bortom polcirkeln på grund av frånvaron av kommunikationslinjer och utmaningen att upprätthålla en kvalificerad arbetsstyrka.

Utöver dessa logistiska överväganden är de enda restriktionerna för frikyla regionens maxtemperatur (ca 38-40 grader) och luftkvalitet. Områden med alltför stora föroreningar, som de nära trafikerade motorvägar eller intensiva jordbruksaktiviteter, kan utgöra problem. Även om det inte finns något direkt förbud, kommer filter på sådana platser att behöva bytas ut ofta. Till skillnad från konventionella luftkonditionerade datacenter som cirkulerar intern luft, drar frikylningscenter in utomhusluft, vilket kräver mer noggrant filterunderhåll. Andra platsparametrar överensstämmer med de som gäller för traditionella datacenter.

Pionjärer och framtida trender

Trots branschens konservativa karaktär utvärderar vissa framåtsträvande företagsföretag de påtagliga fördelarna med alternativ. Genom att beräkna kostnadseffektiviteten för frikyla genom numerisk analys inser de de potentiella kostnadsbesparingarna som det erbjuder.

Flera framstående företag, som Facebook (nu Meta), Google, Amazon, Yandex och Wildberries, är pionjärer när det gäller att anta frikylningsteknik. Deras banbrytande status härrör från deras vilja att bedöma risker och inse de ekonomiska fördelarna med denna teknik. Valet för dessa företag var tydligt – antingen gå till konventionella system och dra på dig högre kostnader eller ta riskerna och fördelarna med att bli pionjärer inom kylning av datacenter.

Branschens föränderliga landskap indikerar en växande trend bland företags hyperskalare mot att implementera frikylningslösningar. I takt med att fler företag inser kostnadseffektiviteten och de operativa fördelarna med denna teknik, förväntas det att ett ökande antal företagsfria kyldatacenter kommer att dyka upp i framtiden.

Om du är intresserad av att lära dig mer om fysiken för fri kylning, utforska ämnet i min nya artikel Free Cooling: Technology Deep Dive.