Pag-optimize sa Kahusayan ng Data Center: Isang Malalim na Pagsusuri sa Mga Teknik sa Freecooling

Sa nakaraang artikulo , tinalakay namin ang mabilis na pagpapalawak ng imprastraktura ng data center at ang pagtaas ng konsumo ng kuryente na nagresulta dito. Habang ginagawang init ng mga server ang kuryente sa panahon ng operasyon, ang pamamahala sa mataas na temperatura at paglamig sa parehong mga pasilidad at kagamitan ng data center ay nagiging numero 1 na problema para sa mga koponan ng DC.

Bagama't ang mga tradisyunal na paraan ng pagpapalamig, kabilang ang mga air conditioner at chiller ay epektibong nagpapalamig sa mga lugar at server ng data center, nananatiling malaking disbentaha ang kanilang pagiging mahal. Ang libreng paglamig sa kaibahan sa mga tradisyonal na pamamaraan ay hindi nangangailangan ng malaking pamumuhunan ngunit nag-aalok ng parehong antas ng kahusayan at pagiging maaasahan. Sa artikulong ito, gagawa ako ng detalyadong pangkalahatang-ideya ng libreng teknolohiya sa paglamig, na itinatampok ang mga benepisyo nito, mga limitasyon, at ang mga kinakailangan para sa matagumpay na pagpapatupad.

Physics ng Libreng Paglamig

Upang maunawaan ang physics sa likod ng libreng paglamig, kakailanganin nating muling bisitahin ang formula ng enerhiya ng init:

Q = mcΔT

Dito, ang 'Q' ay kumakatawan sa dami ng init na nakuha o nawala, ang 'm' ay kumakatawan sa masa ng sample (sa aming kaso, ang masa ng hangin sa data center), ang 'c' ay tumutukoy sa tiyak na kapasidad ng init ng hangin, at ang ΔT ay nagpapahiwatig ng pagkakaiba ng temperatura.

Sa isang data center, ang pangunahing pinagmumulan ng init ay ang CPU. Karaniwan, mayroong 2 hanggang 4 na CPU, bawat isa ay tumatakbo sa humigit-kumulang 200 watts. Tulad ng napag-usapan kanina, ang lahat ng elektrikal na enerhiya na natupok ng mga CPU ay na-convert sa init. Samakatuwid, sa 2 CPU, halimbawa, bumubuo kami ng 400 watts ng init na kailangang mawala. Ngayon ang aming layunin ay upang matukoy ang dami ng hangin na kinakailangan para sa layuning ito.

Ang parameter na ΔT, o temperature differential, ay nagpapahiwatig na mas mababa ang panlabas na temperatura ng hangin, mas kaunting air mass ang kinakailangan upang palamig ang mga CPU. Halimbawa, kung ang temperatura ng pumapasok na hangin ay 0°C at ang temperatura ng labasan ay 35°C, ang ΔT ay magiging 35 lamang, na nagpapahiwatig ng mas mababang pangangailangan para sa masa ng hangin. Gayunpaman, sa panahon ng tag-araw, nagiging mas mahirap ang paglamig dahil sa tumataas na temperatura sa paligid. Kung mas mataas ang temperatura sa labas, mas malaki ang dami ng hangin na kakailanganin para sa paglamig ng mga server.

Mga Limitasyon sa Temperatura ng Mga Bahagi ng Server at Network

Kahit na ang libreng paglamig ay maaaring mahusay para sa katamtaman at malamig na klima, mayroon pa rin itong mga limitasyon dahil sa mga hadlang sa temperatura sa mga bahagi ng server. Ang mga kritikal na bahagi sa IT at network equipment, tulad ng mga processor, RAM, HDD, SSD, at NVMe drive, ay may mga kinakailangan sa temperatura ng pagpapatakbo:

• Mga processor: max 89°C
• RAM: max 75°C
• Mga HDD: max 50°C
• Mga SSD at NVMe drive: max 47-48°C

Ang mga limitasyong ito ay direktang nakakaapekto sa pagiging angkop ng mga panlabas na temperatura ng hangin para sa paglamig. Ang libreng paglamig ay hindi mabubuhay sa mga rehiyon kung saan ang mga panlabas na temperatura ay lumampas sa mga threshold na ito o maging malapit sa kanila, dahil maaari itong makapinsala sa system dahil sa sobrang pag-init. Mga Limitasyon sa Rehiyon

Gaya ng ipinaliwanag na namin, ang mga panlabas na temperatura ay dapat na patuloy na manatiling mas mababa kaysa sa pinakamataas na temperatura ng pagpapatakbo ng IT equipment para maging epektibo ang libreng paglamig. Nangangailangan ito ng maingat na pagsasaalang-alang sa mga kondisyon ng klima ng lokasyon ng DC. Dapat suriin ng mga organisasyon ang mga pangmatagalang pagtataya ng lagay ng panahon upang matiyak na ang mga temperatura ay hindi lalampas sa mga kinakailangang threshold, kahit na sa mga partikular na araw o oras. Bukod pa rito, kung isasaalang-alang ang mahabang buhay ng mga data center (karaniwang 10-15 taon), ang mga epekto ng global warming ay dapat ding isama sa mga desisyon sa lokasyon.

Mga Kinakailangan sa Arkitektura ng Server Node

Sa konteksto ng physics, ang pagkamit ng mahusay na paglamig sa mga server ay umaasa sa pagtiyak ng sapat na daloy ng hangin sa system. Ang arkitektura ng server ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa prosesong ito.

Sa kabaligtaran, ang mga server na walang naaangkop na mga tampok ng disenyo, tulad ng mga butas o pagbukas, ay maaaring makahadlang sa daloy ng hangin, na posibleng makompromiso ang pangkalahatang kahusayan ng libreng mekanismo ng paglamig.

Kontrol ng Halumigmig

Ang antas ng halumigmig ay isa pang kritikal na pagsasaalang-alang pagdating sa libreng paglamig. Dahil kulang tayo sa kontrol sa mga kondisyon ng panlabas na halumigmig, dalawang mahalagang katanungan ang lumitaw: una, ang pagtugon sa mga antas ng halumigmig na malapit o lumampas sa 100% sa loob ng data center (DC); pangalawa, ang pagtugon sa mga sitwasyon ng napakababang halumigmig ng hangin, tulad ng sa panahon ng nagyeyelong araw ng Pebrero na may temperatura sa labas na -30°C at kamag-anak na halumigmig mula 2% hanggang 5%. Sistematikong suriin natin ang mga sitwasyong ito.

Sa mga kondisyon ng mataas na kahalumigmigan, mayroong isang karaniwang alalahanin tungkol sa potensyal na paglitaw ng condensation at ang mga masamang epekto nito sa paggana ng kagamitan. Taliwas sa pag-aalala na ito, sa loob ng mga recooling zone ng DC, kung saan nangyayari ang proseso ng paglamig, ang condensation ay pinipigilan. Ito ay dahil sa prinsipyo na ang condensation ay lumilitaw kapag ang mainit, basa-basa na hangin ay dumarating sa mas malamig na ibabaw. Gayunpaman, sa loob ng libreng sistema ng paglamig ng DC, walang elementong mas malamig kaysa sa nakapaligid na hangin. Dahil dito, ang condensation ay likas na nahahadlangan, na inaalis ang pangangailangan para sa mga proactive na hakbang.

Sa kabaligtaran, kapag nakikitungo sa mababang halumigmig, ang pangamba ay lumilipat patungo sa pagbuo ng static na kuryente, na nagdudulot ng banta sa katatagan ng kagamitan. Ang isyung ito ay hindi nauugnay sa condensation ngunit nangangailangan ng isang natatanging resolusyon. Ang pagpapagaan ay nagsasangkot ng mga pamamaraan ng saligan at ang paggamit ng isang espesyal na patong sa sahig. Ang mga hakbang na ito ay umaayon sa mga itinatag na pamamaraan para sa pag-iingat ng panloob na kagamitan laban sa static na kuryente. Sa pamamagitan ng paglalagay ng mga elemento sa pagtatayo, rack, at kagamitan sa IT, ang isang static na singil ay hindi nakakapinsala sa lupa, na pinapanatili ang integridad ng kagamitan.

Sa natural na klima, bihira ang mga pagkakataon ng sobrang mataas o mababang kahalumigmigan. Kabilang sa mga kapansin-pansing pagbubukod ang mga bihirang kaganapan tulad ng isang bagyong may pagkulog na nakakamit ng 100% halumigmig noong Hulyo o isang matinding hamog na nagyelo na nagdudulot ng napakababang halumigmig. Gayunpaman, para sa karamihan ng oras ang mga antas ng halumigmig ay nananatiling maayos sa loob ng mga katanggap-tanggap na saklaw na hindi nagdudulot ng anumang pinsala sa kagamitan, kahit na walang mga aktibong interbensyon.

Dami at Bilis ng Hangin

Tulad ng napag-usapan na natin, upang mapadali ang epektibong paglamig kailangan natin ng malaking dami ng panlabas na hangin. Kasabay nito, lumilitaw ang isang tila counterintuitive na kinakailangan - pagpapanatili ng mababang daloy ng hangin sa loob ng gusali. Ang maliwanag na kabalintunaan na ito ay nag-ugat sa mga hamon na dulot ng high-speed air currents na umiikot sa loob.

Upang pasimplehin, isipin ang mataas na airspeed bilang isang matatag na stream mula sa isang tube, na lumilikha ng mga pag-ikot at kaguluhan sa paligid ng IT equipment. Ang turbulence na ito ay maaaring humantong sa hindi regular na paggalaw ng hangin at lokal na sobrang init. Upang matugunan ito, madiskarteng layunin namin ang pangkalahatang mababang bilis ng hangin na 1-2 metro bawat segundo sa buong espasyo.

Ang pagpapanatili ng kontroladong airspeed na ito ay nagbibigay-daan sa amin na maalis ang kaguluhan. Ang isang mas mataas na bilis ay nanganganib sa mga iregularidad sa paggalaw ng hangin. Sa pamamagitan ng pagsunod sa hanay na 1-2 metro bawat segundo, pinalalakas namin ang maayos at pare-parehong daloy ng hangin, na iniiwasan ang lokal na sobrang init. Tinitiyak ng maselang balanseng ito ang pinakamainam na paglamig ng IT equipment sa pamamagitan ng pag-iwas sa mga pitfalls na nauugnay sa mga high-speed air currents.

Tulad ng makikita, ang libreng diskarte sa paglamig ay umiikot sa mahusay na paggamit ng panlabas na hangin habang inuuna ang isang kinokontrol na mababang panloob na bilis ng hangin. Ang sinasadyang diskarte na ito ay tumutulong na mapanatili ang isang laminar at pare-parehong daloy ng hangin, na tinitiyak ang pagiging epektibo ng paglamig ng kagamitan sa IT.

Konsepto ng Pagbuo

Sa paradigm ng libreng paglamig, ang mga tradisyonal na air duct ay hindi ginagamit sa loob ng istraktura ng gusali. Hindi tulad ng mga nakasanayang setup na may mga nakatalagang air duct sa mga dingding, kisame, o mga partikular na lugar, ang mga sentro ng pagpoproseso ng data ay gumagamit ng hindi kinaugalian na diskarte. Ang gusali mismo ay inisip bilang isang air duct, na ginagawang hindi na ginagamit ang mga tradisyonal na air-conditioning unit. Ang manipis na sukat ng mga air duct na ito ay nagpapalit ng mga ito sa mga mahalagang bahagi ng mga silid at sahig.

Nagsisimula ang proseso ng daloy ng hangin habang pumapasok ang panlabas na hangin sa gusali, na dumadaan sa dalawang uri ng mga filter – mga magaspang na filter at mga pinong filter. Kapag ang hangin ay sumailalim sa proseso ng paglilinis, ito ay itinutulak ng mga tagahanga sa malawak na dami ng gusali, humigit-kumulang katumbas ng apat na palapag ang taas. Ang malaking volume na ito ay nagsisilbi sa sarili nitong layunin: upang pabagalin ang daloy ng hangin, binabawasan ang bilis nito sa kinakailangang hanay na 1-2 metro bawat segundo. Kasunod nito, ang hangin ay bumababa sa silid ng makinarya.

Pagkatapos traversing sa machinery room, ang hangin ay nagpapatuloy sa paglalakbay nito sa pamamagitan ng mga IT rack, na umuusad sa mainit na pasilyo. Mula roon, pumapasok ito sa hot air collector bago pinalabas sa labas sa pamamagitan ng exhaust fan. Tinitiyak ng structured airflow path na ito ang isang mahusay na proseso ng paglamig habang pinapanatili ang kontroladong airspeed.

Bilis ng hangin at Dami

Ang sinasadyang pagpili ng disenyo ng paggamit ng malalawak na dami ng gusali ay nagsisilbi ng dalawahang layunin. Una at pangunahin, pinapayagan nito ang unti-unting pagbawas sa bilis ng hangin, na tinitiyak na ang daloy ng hangin ay nakakamit ang nais na bilis na 1-2 metro bawat segundo. Ang kinokontrol na bilis ng hangin na ito ay mahalaga upang maiwasan ang kaguluhan at mapanatili ang isang laminar flow, partikular na mahalaga habang ang hangin ay umuusad sa pamamagitan ng sensitibong kagamitan sa IT. Pangalawa, ang makabuluhang volume ay tumanggap ng kinakailangang dami ng hangin upang maalis ang nabuong init nang mahusay. Ang naka-synchronize na interplay ng airspeed at volume ay nakakatulong sa pangkalahatang tagumpay ng system.

Differential Pressure bilang Sole Management Driver

Sa isang libreng pag-setup ng paglamig, wala kaming kontrol sa panlabas na temperatura ng hangin, na humahantong sa mga pagkakaiba-iba sa temperatura ng hangin na pumapasok sa Data Center (DC). Sa kabila nito, mahalaga ang pagtantya sa kinakailangang daloy ng hangin para sa paglamig ng kagamitan. Upang matugunan ito, umaasa kami sa paraan ng differential pressure.

Sa loob ng bawat IT rack, gumagana ang mga server na may panloob na fan sa iba't ibang bilis, na sama-samang lumilikha ng differential pressure sa pagitan ng harap at likod ng rack. Sa maraming mga server, bawat isa ay nag-aambag sa pangkalahatang daloy ng hangin, ang pagkakaiba sa presyon na ito ay unti-unting nabubuo sa pagitan ng malamig at mainit na mga pasilyo. Gamit ang mga pressure sensor sa parehong mga pasilyo at sa labas ng gusali ng DC, masusukat natin ang differential pressure na ito.

Kasama sa pagkalkula ang pagbabawas ng data ng sensor ng presyon sa mainit na pasilyo mula sa presyon ng atmospera at pagbabawas ng data ng sensor ng presyon sa malamig na pasilyo mula sa presyon ng atmospera. Kaya tulad ng sa halimbawa sa ibaba:

Halimbawa ng Tunay na Daigdig

Ang mga resultang halaga ay gagabay sa amin sa pagtukoy ng kinakailangang suplay ng hangin sa DC at ang kinakailangang tambutso upang mabawi ang operasyon ng mga tagahanga ng server. Sa mas simpleng mga termino, sinusukat namin ang aming mga pangangailangan sa daloy ng hangin batay sa mga pagkakaiba sa presyon, na nagpapahintulot sa amin na pamahalaan ang proseso ng paglamig sa loob ng DC nang mahusay.

Heating at Mixing Chamber

Ang mga tradisyonal na sistema ng pag-init ay karaniwang hindi ipinapatupad sa mga Data Center na may libreng paglamig. Ang paggamit ng tubig ay itinuturing na hindi makatwiran dahil sa gastos at mga potensyal na panganib sa kagamitan. Nagdudulot ito ng hamon sa panahon ng matinding sipon, na umaabot sa -20–30 degrees sa labas. Bagama't maayos itong pinangangasiwaan ng kagamitan, ang mga inhinyero ay naghahanap ng mas malumanay na diskarte. Ang pinaka-eleganteng at lohikal na solusyon dito ay ang muling paggamit ng mainit na hangin na nabuo ng mga kagamitan sa IT. Ang pagdidirekta ng mainit na hangin mula sa mga server patungo sa isang mixing chamber, at ibinabalik ang bahagi nito sa pangunahing air current, pinapanatili ng system na mainit ang lugar sa taglamig at nagbibigay-daan upang makatipid ng mga gastos sa pagpainit.

Ang pagiging simple at pagiging maaasahan

Ang isang pangunahing tesis sa teorya ng pagiging maaasahan ay nagsasaad na ang pagiging simple ay nagdudulot ng pagiging maaasahan. Ito ay para sa libreng sistema ng paglamig na nakatayo bilang isang napakasimpleng konsepto. Ang sistema ay gumaganap bilang isang barikada, na naghahatid ng hangin mula sa labas sa pamamagitan ng mga filter, ipinapasa ito sa pamamagitan ng mga kagamitan sa IT, at pagkatapos ay pinalalabas lamang ito.

Ang kawalan ng mga kumplikadong sistema ay nagpapataas ng pagiging maaasahan, na ang mga tagahanga lamang ang nagpapakita ng kahinaan sa mainit na panahon. Ang diskarte sa free-cooling ay nagpapakita ng radikal na pagpapasimple ng system, na lubos na nagpapahusay sa pagiging maaasahan sa pamamagitan ng pagbawas sa bilang ng mga elemento.

Mga Tagahanga ng DC kumpara sa Mga Tagahanga ng Server

Ang hierarchical na awtoridad ng mga tagahanga ay isa pang pangunahing tanong sa dynamics ng airflow sa loob ng DCs. Tulad ng napag-usapan natin, may malalaking tagahanga sa antas ng DC at sa antas ng server. Ang tanong ay: ang mga tagahanga ng data center ba ay nagbibigay lamang ng hangin, na iniiwan ang mga tagahanga ng server na kumonsumo hangga't kinakailangan? O nagmumula ba ang demand sa mga tagahanga ng server, na nag-uudyok sa mga tagahanga ng DC na tuparin ang kanilang mga kinakailangan?

Ang mekanismo ay ang mga sumusunod: ang mga tagahanga ng server ay may nangingibabaw na papel sa prosesong ito, na tinutukoy ang kinakailangang daloy ng hangin. Kasunod nito, tumutugon ang mga tagahanga ng DC sa pamamagitan ng paghahatid ng kinakailangang dami ng hangin. Ito ay nagiging maliwanag na kung ang pinagsama-samang demand mula sa lahat ng mga server ay lumampas sa kapasidad ng supply ng DC fan, maaari itong humantong sa potensyal na overheating.

Kaya ang sagot ay ang mga tagahanga ng server ang may kaunahan sa dinamikong ito. Inayos nila ang daloy ng hangin, na tinutukoy ang kinakailangang dami ng hangin.

Kahusayan at Pagkalkula ng PUE

Upang suriin ang kahusayan ng isang proyekto ng DC, tradisyonal na ginagamit ang pagkalkula ng Power Usage Effectiveness (PUE). Ang formula para sa PUE ay ang ratio ng Total Facility Power sa IT Equipment Power:

PUE = Kabuuang Lakas ng Pasilidad / Lakas ng IT Equipment

Sa isip, ito ay katumbas ng 1, na nagpapahiwatig na ang lahat ng enerhiya ay nakadirekta sa IT equipment nang walang anumang pag-aaksaya. Gayunpaman, ang pagkamit ng perpektong senaryo na ito ay bihira sa mga real-world na proyekto.

Ang isa pang isyu ay lumitaw kapag sinubukan naming magtatag ng isang malinaw na pamamaraan para sa pag-compute ng Power Usage Effectiveness (PUE). Kaya, halimbawa, sa aming system, nagtataglay kami ng isang sukatan na nagsasaad ng agarang paggamit ng kuryente sa watts, na ginagawang posible na kalkulahin ang PUE sa real time.

Bukod dito, maaari tayong makakuha ng isang average na PUE sa isang taunang panahon, na nag-aalok ng mas komprehensibong pagtatasa na isinasaalang-alang ang mga pana-panahong pagbabago. Ito ay partikular na nauugnay dahil sa pagkakaiba sa paggamit ng enerhiya sa pagitan ng mga panahon; halimbawa, ang pagkakaiba sa mga kinakailangan sa pagpapalamig sa pagitan ng mga buwan ng tag-init at taglamig. Nangangahulugan ito na kung gusto nating magkaroon ng mas maaasahang pagsusuri, kailangan nating unahin ang taunang average na nagbibigay ng mas balanse at komprehensibong pagtatasa.

Mahalaga rin na galugarin ang PUE hindi lamang sa mga tuntunin ng enerhiya kundi pati na rin sa mga yunit ng pananalapi, at sa gayon ay isinasama ang mga pana-panahong pagbabagu-bago ng mga presyo ng kuryente. Ang pagsusuri sa PUE sa mga tuntunin sa pananalapi ay nagbibigay ng mas holistic na pananaw sa kahusayan sa pagpapatakbo.

Bukod pa rito, ang diskarteng ito ay nagbubunyag ng mga posibilidad na makamit ang halaga ng PUE na mas mababa sa 1 kapag sinusukat sa dolyar. Nagiging posible, halimbawa, kapag gumagamit tayo ng basurang init para sa pagpainit ng tubig at ibinenta pa ito sa mga kalapit na lungsod. Ang mga kapansin-pansing halimbawa, gaya ng data center ng Google sa USA at pasilidad ng Yandex sa Finland, ay nagpapakita ng posibilidad na mabuhay ng mga ganoong kasanayan, partikular sa mga rehiyong nailalarawan ng mataas na gastos sa enerhiya.

Kahusayan kumpara sa pagiging maaasahan

Ang mga alalahanin tungkol sa pagbabawas ng mga gastos at pagtaas ng kahusayan ay kadalasang naglalabas ng mga tanong tungkol sa mga potensyal na negatibong epekto sa pagiging maaasahan. Gayunpaman, nais kong bigyang-diin na sa libreng paglamig ang pagtugis ng kahusayan ay hindi nakompromiso ang pagiging maaasahan. Sa halip, ang mga teknolohikal na epekto nito ay maaari pang mapahusay ang kahusayan. Halimbawa, tulad ng napag-usapan na natin, ang pag-redirect ng sobrang init sa mga heat pump para sa mga karagdagang benepisyo, tulad ng pagbuo ng mainit na tubig para sa mga kalapit na lungsod, ay nagiging isang praktikal na kapaki-pakinabang na pananalapi nang hindi sinasakripisyo ang pagiging maaasahan.

Hinaharap ng Libreng Paglamig

Sa kabila ng lahat ng mga pakinabang na alok ng libreng pagpapalamig, ang industriya ng data center ay hinihimok pa rin ng isang konserbatibong diskarte at hinihingi ang napatunayang pagiging maaasahan, na may posibilidad na labanan ang mga makabagong solusyon. Ang pag-asa sa mga sertipikasyon mula sa mga katawan tulad ng Uptime Institute para sa pagmemerkado ay nagdudulot ng isa pang hadlang para sa mga libreng solusyon sa pagpapalamig, na walang itinatag na sertipikasyon, na humahantong sa mga komersyal na tagapagkaloob upang tingnan ang mga ito nang may pag-aalinlangan.

Gayunpaman, may uso sa mga corporate hyper-scaler na gumamit ng libreng paglamig bilang pangunahing solusyon para sa kanilang mga DC. Sa dumaraming bilang ng mga kumpanyang kumikilala sa pagiging epektibo sa gastos at mga benepisyo sa pagpapatakbo ng teknolohiyang ito, inaasahan namin na mas maraming corporate-free cooling data center ang lalabas sa susunod na 10-20 taon.