Ang Ebolusyon ng Data Center Cooling: Mula sa Air-Based Methods hanggang sa Libreng Paglamig

Kahulugan ng Problema

Ang tumataas na paglaki sa imprastraktura ng data center at ang kasabay na pagtaas ng paggamit ng kagamitan sa IT ay nagdulot ng pagtaas sa konsumo ng kuryente.

Dahil ang mga server, mahalagang bahagi ng mga data center, ay nagko-convert ng kuryente sa init habang tumatakbo, nahaharap kami sa problema sa pagharap sa mataas na temperatura at cool na lugar at kagamitan sa data center.

Alalahanin natin ang mga pangunahing kaalaman sa pisika ng paaralan: pagsunod sa mga pangunahing prinsipyo ng thermodynamics, ang enerhiya ay hindi nawawala ngunit nababago. Kaya, kung ang isang data center ay kumonsumo ng 1 MW ng kuryente - ang kabuuang dami ng enerhiya na ito ay nababago sa isang katumbas na halaga ng init. Dahil dito, mas maraming kuryente ang natupok, mas malaki ang hamon ng pamamahala sa nagreresultang init sa loob ng data center.

Ang sitwasyon ay nagiging mas kumplikado, dahil ang mga kagamitan sa IT ay maaaring magkaroon ng iba't ibang antas ng pagkonsumo ng enerhiya habang may magkakaibang pisikal na sukat. Halimbawa, ang mga kagamitan na may mataas na pagkonsumo ng enerhiya ay maaaring may maliit na sukat, na nagpapakita ng mga isyu sa mahusay na paglamig ng puro init. Sa kabilang banda, ang mas malalaking kagamitan sa IT na may medyo katamtamang rate ng pagkonsumo ng kuryente ay mas madaling palamig dahil sa mas malaking lugar sa ibabaw nito. Ang mga sentro ng data ay karaniwang nagtataglay ng isang halo ng mga laki ng kagamitan at mga antas ng pagkonsumo, na nagpapakita ng hamon ng hindi lamang pagpapalamig ng magkakaibang kagamitan sa IT ngunit ginagawa din ito sa iba't ibang bilis, na idinidikta ng mga kinakailangan sa temperatura ng bawat uri ng kagamitan. Hindi na kailangang sabihin, upang palamig ang DC kailangan namin ng malaking halaga ng kuryente, na nagdaragdag sa mga gastos sa pagpapatakbo.

Ang problema ng mahusay na paggamit ng kuryente sa mga data center ay nagiging talamak sa pandaigdigang pagtaas ng mga presyo ng kuryente. Ayon sa ang ulat ng Statista Ang mga presyo ng kuryente sa mundo ay tumaas hanggang sa pinakamataas sa lahat ng oras sa pagitan ng 2021 at 2022. Nang humupa ang krisis sa kalusugan ng COVID-19 sa ikalawang kalahati ng 2021, tumaas ang pangangailangan sa enerhiya, at ang mga presyo ng kuryente ay tumama sa unang pinakamataas na rekord. Sa simula ng 2022, humigpit muli ang merkado ng enerhiya at tumindi ang krisis sa enerhiya.

Ang pagkonsumo ng kuryente sa sentro ng data ay lumalaki sa kabila ng pagtaas ng kahusayan sa pagganap.

Sa madaling salita, kahit na bumubuti ang performance sa bawat watt, mas mabilis na lumalaki ang demand para sa mga mapagkukunan, kaya hindi maiiwasang tumaas ang kabuuang pagkonsumo gayundin ang mga gastos. Gayunpaman, ang malaking pagtitipid sa gastos ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pag-optimize ng mga sistema ng paglamig. Dahil dito, gusto kong magkaroon ng mas malalim na pagtingin sa mga mahusay na paraan ng paglamig sa pangkalahatan at sa partikular na libreng paglamig.

Ang pagtatasa ng mga antas ng pagkonsumo ng enerhiya sa mga data center ay karaniwang umaasa sa sukatan ng Power Usage Effectiveness (PUE). Sinusukat ng PUE ang kahusayan ng data center sa pamamagitan ng pagsusuri sa kabuuang pagkonsumo ng enerhiya laban sa ginamit na eksklusibo para sa kagamitang IT. Pag-uusapan natin ito nang mas detalyado sa ibang pagkakataon. Ang kailangan nating malaman ngayon ay ang mas mababang PUE ay nangangahulugan ng isang mas mahusay na data center, na nagpapahiwatig ng nabawasan na pag-asa sa non-computing power. Sa harap ng lumalaking imprastraktura at tumataas na pagkonsumo ng kuryente, ang pag-optimize ng PUE na may mas mahusay na mga sistema ng paglamig ay nagbibigay ng pinansiyal na pag-iingat at napapanatiling mga operasyon.

Sa artikulong ito, tutuklasin natin ang mga tradisyonal at makabagong paraan ng pagpapalamig at matutuklasan kung alin sa mga ito ang nag-aalok ng pinakamataas na kahusayan.

Pangkalahatang-ideya ng Mga Paraan ng Paglamig

Hangin at hindi hangin

Sa isang pinasimpleng pag-uuri, ang mga diskarte sa paglamig ay maaaring ilarawan sa dalawang pangunahing kategorya: nakabatay sa hangin at hindi nakabatay sa hangin na mga pamamaraan. Upang ipaliwanag, ang air cooling ay sumasaklaw sa mga kumbensyonal na diskarte, habang ang non-air na kategorya ay kinabibilangan ng magkakaibang pamamaraan na gumagamit ng mga substance tulad ng tubig, langis, o solid na materyales. Kapansin-pansin na ang napakaraming mayorya, na bumubuo ng 99%, ng mga paraan ng paglamig ay nasa ilalim ng payong na nagpapalamig ng hangin.

Mga Air Conditioner

Ang mga air conditioning system ay ang pinakakaraniwang paraan ng paglamig ng hangin sa mga propesyonal na setup ng data center. Ang kanilang pangunahing prinsipyo ay sumasalamin sa residential air conditioner: ang hangin na dumadaloy sa mga server ay ipinapaikot sa pamamagitan ng isang air conditioner, pinalamig sa pamamagitan ng isang radiator grille, at pagkatapos ay muling inilipat pabalik sa mga server. Tinitiyak ng paikot na prosesong ito ang patuloy na mekanismo ng paglamig.

Mga chiller

Kasunod ng mga air conditioner, ang mga chiller ay kumakatawan sa pangalawang pinakatinatanggap na sistema ng paglamig. Hindi tulad ng mga air conditioner, ang mga chiller ay gumagamit ng tubig (o isang water-based na solusyon) upang ilipat ang init palayo sa mga espasyong nangangailangan ng climate control. Kahit na ang air conditioning ay mas simple at sa pangkalahatan ay mas abot-kaya, ang mas mataas na mga gastos sa enerhiya ay minsan ay maaaring maging hadlang para sa mga negosyo. Sa kabilang banda, ang mga sistema ng pinalamig na tubig ay mas matipid sa enerhiya, ngunit nangangailangan ng higit pang mga bahagi at kumplikado sa kanilang pag-install at pagpapanatili.

Adiabatic Chambers at Banig

Ang adiabatic cooling ay kinabibilangan ng paggamit ng mga silid o banig kung saan ang tubig ay ibinubuhos at sumingaw. Habang sumingaw ang tubig, lumalamig ang mga silid at banig kasama ang hangin sa loob. Habang ang adiabatic cooling ay kumakatawan sa isang pangatlong mabubuhay na opsyon, ito ay itinuturing na medyo kakaiba at hindi tulad ng karaniwang ginagamit sa data center cooling kung ihahambing sa mga air conditioner at chiller.

Pagpapalamig ng Tubig

Sa mga sistema ng paglamig ng tubig, ang tubig o mga likidong naglalaman ng tubig ay ginagamit para sa pag-alis ng init. Ang mga tubo ng tubig ay madiskarteng inilalagay sa mga silid ng server, kung saan ang bawat server ay konektado sa dalawang tubo — isa para sa pag-agos ng mainit na tubig at ang isa para sa pag-agos ng malamig na tubig. Ang mga radiator sa mga CPU, GPU, at sa iba pang kagamitan ay direktang naka-link sa sistema ng supply ng tubig na ito. Ang diskarteng ito ay hindi lamang nagpapalamig sa kagamitan at lugar ng data center ngunit bumubuo rin ng supply ng maligamgam na tubig para sa mga karagdagang gamit.

Mga Heat Exchanger

Pinahuhusay ng pamamaraang ito ang kahusayan sa paglamig sa pamamagitan ng paggamit ng mga panlabas na malamig na kapaligiran.

Kapag may available na malapit na malamig na pinagmumulan, gaya ng lawa, dagat, o malamig na lupa, ang mga tubo ng tubig ay maaaring i-deploy dito mismo upang magpadala ng malaking halaga ng init mula sa kagamitan sa IT.

Exotics

Mayroon ding mga hindi kinaugalian na pamamaraan. Ang isa sa mga ito ay batay sa mga elemento ng Peltier o thermoelectric cooler (TECs). Ang diskarte na ito ay umaasa sa mga epekto ng semiconductor at nagsasangkot ng pagbibigay ng kuryente sa isang espesyal na plato na pinainit sa isang panig at pinalamig sa kabilang panig.

Ang isa pang avant-garde na diskarte ay ang pag-deploy ng mga underwater data center. Sa Project Natick ng Microsoft , halimbawa, isang data center ang nilubog sa lalim na 117 talampakan sa Northern Isles noong tagsibol 2018. Sa sumunod na dalawang taon, nagsagawa ang team ng mahigpit na pagsubok at pagsubaybay sa mga server ng data center. Nakumpirma na ang paglalagay ng isang selyadong lalagyan sa sahig ng karagatan ay maaaring mapahusay ang pangkalahatang pagiging maaasahan ng data center sa pamamagitan ng pagpapagaan ng mga isyu tulad ng kaagnasan, mga pagbabago sa temperatura, at mga pisikal na abala na karaniwang nangyayari sa lupa.

Libreng Paglamig

Ang pamamaraan na ito ay partikular na naglalayong i-maximize ang kahusayan sa paglamig. Ang libreng paglamig ay nagre-refresh ng hangin sa loob ng isang data center nang hindi umaasa sa mga tradisyonal na sistema ng paglamig. Gumagamit ito ng natural na hangin sa labas tulad nito. Kadalasan ang hangin sa labas ay napapailalim lamang sa kontrol ng halumigmig at pagkatapos ay ang mga natural na prosesong thermodynamic ay nagko-regulate ng mga temperatura sa loob ng mga silid ng data.

Ang pamamaraang ito ay makabuluhang binabawasan ang pagkonsumo ng kuryente (75% hanggang 92% na mas mababa kumpara sa iba pang mga CRAH system), nagpapababa ng carbon dioxide emissions, at inaalis ang pangangailangan para sa tubig sa cooling system.

Ang libreng pagpapalamig ay isa sa mga pinaka-eco-friendly na pagpipilian na nangangailangan ng mas kaunting enerhiya. Bukod dito, makakatulong ito sa pag-save ng mga gastos dahil 40% ng kapangyarihan na ginagamit ng mga data center ay napupunta sa paglamig. Pinahuhusay ng system na ito ang pagganap ng lahat ng kagamitan na pinalamig ng hangin, kahit na sa mahihirap na kondisyon. Narito ang isang simpleng visual na representasyon ng proseso ng libreng paglamig:

Tulad ng nakikita mo na ang system ay nagpapatakbo sa isang napakasimpleng paraan, na nag-channel ng hangin sa labas sa pamamagitan ng mga filter, kagamitan sa IT, at pinapaalis ito. Ang pagbawas sa pagiging kumplikado, na may mga tagahanga lamang bilang mga potensyal na kahinaan, ay nagpapatibay sa pangkalahatang pagiging maaasahan ng isang DC sa libreng paglamig.

Hindi tulad ng mga system na may kumplikadong kagamitan, ang kawalan ng masalimuot na bahagi ay nakakabawas din sa parehong mga paunang gastos sa pag-setup at patuloy na mga gastos sa pagpapanatili. Kaya ang mga pakinabang sa pananalapi ay nagsisimula na sa yugto ng pagtatayo, kung saan ang naka-streamline na disenyo ng libreng paglamig ay isinasalin sa nasasalat na mga matitipid.

Ang Agony of Choice

Sa mga kumperensya at pagpupulong, madalas akong nakakakuha ng maraming tanong na umiikot sa kabalintunaan: kung ang libreng paglamig ay kasing pakinabang sa mga tuntunin ng pagtitipid sa gastos at pagiging simple, bakit hindi ito pinagtibay sa industriya?

Ito ay nag-udyok sa mas malawak na tanong kung bakit, sa kabila ng mga benepisyo nito, limitadong bilang lamang ng mga kumpanya ang tumanggap ng libreng paglamig, habang ang iba ay nagpapatuloy sa mga kumbensyonal na pamamaraan. Ang sagot dito ay nakasalalay sa isang multifaceted na pagsusuri ng umiiral na dinamika ng industriya.

Diktadurang Industriya

Sa industriya ng data center, kung saan ang pagiging maaasahan ay pangunahing kahalagahan, ang pag-aampon ng mga makabagong solusyon ay kadalasang nahaharap sa pagtutol. Iniuugnay ko ito, una sa lahat, sa konserbatibong kalikasan ng industriya ng DC, kung saan inuuna ng mga gumagawa ng desisyon ang mga napatunayang konsepto kaysa sa mga makabagong solusyon.

Bagama't ang mga bagong teknolohiya tulad ng libreng paglamig ay nangangako ng pagiging epektibo sa gastos at kahusayan, mas gugustuhin ng mga kinatawan ng industriya ang mga tradisyonal ngunit maaasahang diskarte upang matiyak ang tuluy-tuloy na operasyon ng mga server.

Mga hadlang sa marketing

Ang isa pang punto dito ay ang mga komersyal na tagapagbigay ng DC, na bumubuo ng humigit-kumulang 80% ng industriya, ay umaasa sa mga sertipikasyon mula sa mga independiyenteng katawan tulad ng Uptime Institute upang i-market ang kanilang pagiging maaasahan. Gayunpaman, nagdudulot ito ng hamon para sa mga libreng solusyon sa paglamig, dahil wala pang itinatag na sertipikasyon para sa mga ito. Ang sitwasyong ito ay humahantong sa mga komersyal na tagapagkaloob na labanan ang mga alternatibong pamamaraan ng pagpapalamig, na binabanggit ang mga kawalan ng katiyakan sa kanilang pagiging maaasahan at ang kawalan ng isang pamarisan sa sertipikasyon.

Mga Alalahanin sa Global Warming

Ang mga kritiko ay madalas na naglalabas ng mga alalahanin tungkol sa epekto ng global warming sa posibilidad ng libreng paglamig. Gayunpaman, ang argumento ay pinabulaanan sa pamamagitan ng pagkilala sa unti-unting katangian ng global warming, na may tinatayang pagtaas ng 1.5 degrees sa loob ng isang dekada. Ang katamtamang pagbabago ng temperatura na ito ay malamang na hindi makompromiso ang katatagan ng mga libreng solusyon sa paglamig sa malapit na panahon.

"Just in Case" Argument

Ang isa pang karaniwang kasanayan para sa mga kumpanyang pumipili ng DC cooling method ay ang pagsasama ng mga backup na air conditioning unit bilang pag-iingat bilang karagdagan sa libreng paglamig. Ang argumentong "kung sakali" na ito ay nagpapahina sa pangunahing konsepto ng libreng paglamig, na nagpapakilala ng hindi kinakailangang kumplikado at nakompromiso ang kahusayan sa pananalapi at pagpapatakbo.

Kahit na para sa isang maliit na air conditioner, ang pangangailangan upang magbigay ng iba't ibang mga bahagi tulad ng freon, mga wire, likido, mga sistema, at mga kontrol arises. Sa halip na yakapin ang ideya ng pagkakaroon ng backup na air conditioner, dapat tumuon ang industriya sa pag-angkop sa libreng sistema ng paglamig nito sa malawak na hanay ng mga kundisyon nang hindi umaasa sa maling pag-asa.

Mga Tunay na Panganib at Pagsasaalang-alang

Kapag nag-iisip ng isang libreng solusyon sa pagpapalamig, ang ilang mga tiyak na panganib at pagsasaalang-alang ay nangangailangan ng pansin. Ang isang pangunahing pagsasaalang-alang ay ang heograpikal na rehiyon, dahil ang pag-deploy ng libreng paglamig sa isang rehiyon tulad ng Arab Emirates ay maaaring hindi makatwiran.

Ang pagiging naa-access ay isa pang aspeto na dapat tandaan. Ang napiling rehiyon ay dapat magkaroon ng kinakailangang imprastraktura at madaling maabot ng mga dalubhasang tauhan na may katungkulan sa pagpapanatili ng data center. Ang pagkakakonekta, kabilang ang pagkakaroon ng mga optical na linya, ay mahalaga din. Halimbawa, ang pagtatatag ng isang free-cooling data center sa kabila ng Arctic Circle ay nagiging hindi praktikal dahil sa kawalan ng mga linya ng komunikasyon at ang hamon ng pagpapanatili ng isang bihasang manggagawa.

Higit pa sa mga lohikal na pagsasaalang-alang na ito, ang tanging mga paghihigpit para sa libreng paglamig ay tumutukoy sa pinakamataas na temperatura ng rehiyon (app. 38-40 degrees) at kalidad ng hangin. Ang mga lugar na may labis na polusyon, tulad ng mga malapit sa abalang highway o matinding aktibidad sa agrikultura, ay maaaring magdulot ng mga problema. Bagama't walang tahasang pagbabawal, ang mga filter sa naturang mga lokasyon ay mangangailangan ng madalas na pagpapalit. Hindi tulad ng mga nakasanayang naka-air condition na data center na nagpapalipat-lipat ng panloob na hangin, ang mga free-cooling center ay kumukuha ng hangin sa labas, na nangangailangan ng mas masipag na pagpapanatili ng filter. Naaayon ang iba pang mga parameter ng lokasyon sa mga naaangkop sa mga tradisyonal na data center.

Mga Pioneer at Mga Trend sa Hinaharap

Sa kabila ng konserbatibong kalikasan ng industriya, sinusuri ng ilang kumpanyang kumpanyang may pasulong na pag-iisip ang mga nakikitang benepisyo ng mga alternatibo. Kinakalkula ang cost-effectiveness ng libreng paglamig sa pamamagitan ng numerical analysis, napagtanto nila ang potensyal na pagtitipid sa gastos na inaalok nito.

Maraming kilalang kumpanya, gaya ng Facebook (Meta na ngayon), Google, Amazon, Yandex, at Wildberries, ay mga pioneer sa paggamit ng libreng teknolohiya sa pagpapalamig. Ang kanilang trailblazing status ay nagmumula sa kanilang pagpayag na tasahin ang mga panganib at kilalanin ang mga pakinabang sa pananalapi na likas sa teknolohiyang ito. Ang pagpili para sa mga kumpanyang ito ay malinaw - maaaring pumunta para sa mga kumbensyonal na scheme at magkaroon ng mas mataas na gastos o kunin ang mga panganib at benepisyo ng pagiging mga pioneer sa paglamig ng data center.

Ang umuusbong na tanawin ng industriya ay nagpapahiwatig ng lumalaking trend sa mga corporate hyper-scaler patungo sa pagpapatupad ng mga libreng solusyon sa paglamig. Habang kinikilala ng mas maraming kumpanya ang pagiging epektibo sa gastos at mga pakinabang sa pagpapatakbo ng teknolohiyang ito, inaasahan na ang pagtaas ng bilang ng mga sentro ng data ng paglamig na walang korporasyon ay lalabas sa hinaharap.

Kung interesado kang matuto nang higit pa tungkol sa pisika ng libreng paglamig, tuklasin ang paksa sa aking bagong artikulong Libreng Paglamig: Teknolohiya Deep Dive.