Evolucija hlađenja podatkovnog centra: od zračnih metoda do slobodnog hlađenja

Definicija problema

Eskalirajući rast infrastrukture podatkovnih centara i istovremeni skok u korištenju IT opreme doveli su do povećanja potrošnje električne energije.

Budući da poslužitelji, sastavni dijelovi podatkovnih centara, tijekom rada pretvaraju električnu energiju u toplinu, suočavamo se s problemom suočavanja s visokim temperaturama i hlađenjem prostorija i opreme podatkovnog centra.

Živo se prisjetimo osnova školske fizike: slijedeći temeljna načela termodinamike, energija ne nestaje, već se transformira. Dakle, ako podatkovni centar troši 1 MW električne energije – cijeli se taj kvant energije pretvara u ekvivalentnu količinu topline. Posljedično, što se više električne energije troši, to je veći izazov upravljanja rezultirajućom toplinom unutar podatkovnog centra.

Situacija postaje još kompliciranija jer IT oprema može imati različite razine potrošnje energije dok ima različite fizičke veličine. Na primjer, oprema s velikom potrošnjom energije može imati malu veličinu, što predstavlja probleme u učinkovitom hlađenju koncentrirane topline. S druge strane, veću IT opremu s relativno umjerenom potrošnjom električne energije lakše je hladiti zbog veće površine. Podatkovni centri obično sadrže kombinaciju veličina opreme i razina potrošnje, što predstavlja izazov ne samo hlađenja raznolike IT opreme, već i obavljanja toga različitim brzinama, diktiranih temperaturnim zahtjevima svake vrste opreme. Nepotrebno je reći da su nam za hlađenje DC-a potrebne znatne količine električne energije, što povećava operativne troškove.

Problem učinkovitog korištenja energije u podatkovnim centrima postaje posebno akutan globalnim rastom cijena električne energije. Prema izvješće Statista svjetske cijene električne energije naglo su porasle do povijesnog maksimuma između 2021. i 2022. Kada se zdravstvena kriza izazvana COVID-19 smirila u drugoj polovici 2021., potražnja za energijom je porasla, a cijene električne energije dosegnule su prvi rekord. Početkom 2022. energetsko tržište se ponovno zaoštrilo i energetska kriza se pojačala.

Potrošnja električne energije u podatkovnom centru raste unatoč sve većoj učinkovitosti performansi.

Drugim riječima, iako se performanse po vatu poboljšavaju, potražnja za resursima raste još brže, tako da ukupna potrošnja neizbježno raste, kao i troškovi. Međutim, značajne uštede mogu se postići optimizacijom rashladnih sustava. Zbog toga sam poželio dublje proučiti učinkovite metode hlađenja općenito, a posebno slobodno hlađenje.

Procjena razine potrošnje energije u podatkovnim centrima obično se oslanja na metriku učinkovitosti korištenja energije (PUE). PUE mjeri učinkovitost podatkovnog centra procjenom ukupne potrošnje energije u odnosu na onu koja se koristi isključivo za IT opremu. O tome ćemo detaljnije govoriti nešto kasnije. Ono što sada trebamo znati je da niži PUE označava učinkovitiji podatkovni centar, što ukazuje na smanjeno oslanjanje na ne-računalnu snagu. Suočeni s rastućom infrastrukturom i rastućom potrošnjom električne energije, optimizacija PUE s učinkovitijim sustavima hlađenja osigurava financijsku razboritost i održivo poslovanje.

U ovom ćemo članku istražiti tradicionalne i inovativne metode hlađenja i otkriti koje od njih nude maksimalnu učinkovitost.

Pregled metoda hlađenja

Zrak i nezrak

U pojednostavljenoj klasifikaciji, tehnike hlađenja mogu se podijeliti u dvije osnovne kategorije: metode koje se temelje na zraku i metode koje se ne temelje na zraku. Da pojasnimo, hlađenje zrakom obuhvaća konvencionalne pristupe, dok kategorija bez zraka uključuje različite metode koje koriste tvari poput vode, ulja ili krutih materijala. Važno je napomenuti da velika većina, koja čini 99%, metoda hlađenja spada pod kišobran hlađenja zrakom.

Klima uređaji

Sustavi klimatizacije najzastupljeniji su načini hlađenja zraka u postavkama profesionalnih podatkovnih centara. Njihovo temeljno načelo odražava ono kod stambenih klima uređaja: zrak koji teče kroz poslužitelje cirkulira kroz klima uređaj, hladi se preko rešetke hladnjaka, a zatim ponovno cirkulira natrag u poslužitelje. Ovaj ciklički proces osigurava kontinuirani mehanizam hlađenja.

Hladnjaci

Nakon klima uređaja, rashladni uređaji predstavljaju drugi najrasprostranjeniji sustav hlađenja. Za razliku od klima uređaja, rashladni uređaji koriste vodu (ili otopinu na bazi vode) za prijenos topline iz prostora koji zahtijevaju kontrolu klime. Iako je klima uređaj jednostavniji i općenito pristupačniji, viši troškovi energije ponekad mogu biti prepreka za tvrtke. S druge strane, sustavi s hlađenom vodom su energetski učinkovitiji, ali zahtijevaju više komponenti i složenost u njihovoj instalaciji i održavanju.

Adijabatske komore i prostirke

Adijabatsko hlađenje uključuje korištenje komora ili prostirki u koje se voda ulijeva i isparava. Kako voda isparava, komore i prostirke se hlade zajedno sa zrakom unutra. Dok adijabatsko hlađenje predstavlja treću održivu opciju, smatra se donekle egzotičnim i ne koristi se tako često u hlađenju podatkovnih centara u usporedbi s klima uređajima i rashladnim uređajima.

Vodeno hlađenje

U sustavima vodenog hlađenja voda ili tekućine koje sadrže vodu koriste se za odvođenje topline. Vodovodne cijevi strateški su postavljene u poslužiteljskim sobama, pri čemu je svaki poslužitelj spojen na dvije cijevi — jednu za odvod tople vode, a drugu za dovod hladne vode. Radijatori na CPU-u, GPU-u i drugoj opremi izravno su povezani s ovim sustavom vodoopskrbe. Ovaj pristup ne samo da hladi opremu i prostorije podatkovnog centra, već također stvara opskrbu toplom vodom za dodatne potrebe.

Izmjenjivači topline

Ova metoda povećava učinkovitost hlađenja iskorištavanjem vanjskih hladnih okruženja.

Kada je dostupan obližnji izvor hladnoće, poput jezera, mora ili hladnog tla, cijevi za vodu mogu se rasporediti pravo u njega za prijenos velike količine topline iz IT opreme.

Egzotika

Postoje i nekonvencionalne metode. Jedan od njih temelji se na Peltierovim elementima ili termoelektričnim hladnjacima (TEC). Ovaj pristup se oslanja na efekte poluvodiča i uključuje napajanje električne energije posebnoj ploči koja se s jedne strane grije, a s druge hladi.

Još jedan avangardan pristup je postavljanje podvodnih podatkovnih centara. U Microsoftov projekt Natick , na primjer, podatkovni centar potopljen je 117 stopa duboko na Sjevernim otocima u proljeće 2018. Tijekom sljedeće dvije godine, tim je proveo rigorozno testiranje i praćenje poslužitelja podatkovnog centra. Potvrđeno je da postavljanje zapečaćenog spremnika na dno oceana može poboljšati ukupnu pouzdanost podatkovnog centra ublažavanjem problema poput korozije, temperaturnih fluktuacija i fizičkih poremećaja koji se obično javljaju na kopnu.

Slobodno hlađenje

Ova tehnika posebno je usmjerena na maksimiziranje učinkovitosti hlađenja. Besplatno hlađenje osvježava zrak unutar podatkovnog centra bez oslanjanja na tradicionalne sustave hlađenja. Koristi prirodni vanjski zrak takav kakav jest. Obično je vanjski zrak samo podložan kontroli vlažnosti, a zatim prirodni termodinamički procesi reguliraju temperature unutar prostorija s podacima.

Ova metoda značajno smanjuje potrošnju energije (75% do 92% manje u usporedbi s drugim CRAH sustavima), smanjuje emisiju ugljičnog dioksida i eliminira potrebu za vodom u rashladnom sustavu.

Slobodno hlađenje jedan je od ekološki prihvatljivijih izbora koji zahtijeva manje energije. Osim toga, može pomoći u uštedi troškova jer 40% energije koju podatkovni centri koriste odlazi na hlađenje. Ovaj sustav poboljšava performanse sve opreme hlađene zrakom, čak i u teškim uvjetima. Evo jednostavnog vizualnog prikaza procesa slobodnog hlađenja:

Kao što vidite, sustav radi na vrlo jednostavan način, kanalizirajući vanjski zrak kroz filtere, IT opremu i izbacujući ga. Ovo smanjenje složenosti, sa samo ventilatorima kao potencijalnom ranjivošću, pojačava ukupnu pouzdanost DC na slobodnom hlađenju.

Za razliku od sustava sa složenom opremom, nedostatak zamršenih komponenti također smanjuje i početne troškove postavljanja i tekuće troškove održavanja. Dakle, financijske prednosti počinju već u fazi izgradnje, gdje se pojednostavljeni dizajn slobodnog hlađenja pretvara u opipljive uštede.

Agonija izbora

Tijekom konferencija i sastanaka često dobivam brojna pitanja koja se vrte oko paradoksa: ako je slobodno hlađenje jednako povoljno u smislu uštede troškova i jednostavnosti, zašto nije univerzalno prihvaćeno u industriji?

Ovo potiče šire pitanje zašto je, unatoč njegovim prednostima, samo ograničen broj tvrtki prihvatio slobodno hlađenje, dok druge ustraju s konvencionalnim metodama. Odgovor na ovo leži u višestranom ispitivanju prevladavajuće dinamike industrije.

Diktatura industrije

U industriji podatkovnih centara, gdje je pouzdanost od primarne važnosti, usvajanje inovativnih rješenja često nailazi na otpor. Pripisujem to, prije svega, konzervativnoj prirodi DC industrije, gdje donositelji odluka daju prednost dokazanim konceptima nad inovativnim rješenjima.

Dok nove tehnologije poput slobodnog hlađenja obećavaju isplativost i učinkovitost, predstavnici industrije radije bi preferirali tradicionalne, ali pouzdane pristupe kako bi osigurali besprijekoran rad poslužitelja.

Marketinške prepreke

Još jedna stvar ovdje je da se komercijalni DC pružatelji usluga, koji čine oko 80% industrije, oslanjaju na certifikate neovisnih tijela poput Uptime institut na tržište njihove pouzdanosti. Međutim, to predstavlja izazov za rješenja slobodnog hlađenja, budući da za njih još nema uspostavljenog certifikata. Ova situacija navodi komercijalne pružatelje da se opiru alternativnim metodama hlađenja, navodeći nesigurnosti oko njihove pouzdanosti i nepostojanje presedana certificiranja.

Zabrinutost zbog globalnog zatopljenja

Kritičari često izražavaju zabrinutost zbog utjecaja globalnog zatopljenja na održivost slobodnog hlađenja. Međutim, argument je razotkriven prepoznavanjem postupne prirode globalnog zatopljenja, s približnim povećanjem od 1,5 stupnjeva tijekom desetljeća. Ova skromna promjena temperature vjerojatno neće ugroziti stabilnost rješenja slobodnog hlađenja u bliskoj budućnosti.

Argument "za svaki slučaj".

Još jedna uobičajena praksa za tvrtke koje biraju DC metodu hlađenja je uključivanje pomoćnih klimatizacijskih jedinica kao mjera predostrožnosti uz slobodno hlađenje. Ovaj argument "za svaki slučaj" potkopava temeljni koncept slobodnog hlađenja, uvodeći nepotrebnu složenost i ugrožavajući financijsku i operativnu učinkovitost.

Čak i za mali klima uređaj, javlja se potreba da se osiguraju razne komponente kao što su freon, žice, tekućine, sustavi i kontrole. Umjesto prihvaćanja ideje o rezervnom klimatizacijskom uređaju, industrija bi se trebala usredotočiti na prilagodbu svog sustava slobodnog hlađenja širokom rasponu uvjeta bez oslanjanja na lažne nade.

Stvarni rizici i razmatranja

Kada razmišljate o rješenju slobodnog hlađenja, neki opipljivi rizici i razmatranja zahtijevaju pozornost. Jedno od primarnih razmatranja je geografska regija, budući da uvođenje slobodnog hlađenja u regiji poput Arapskih Emirata možda nije opravdano.

Pristupačnost je još jedan aspekt koji treba imati na umu. Odabrana regija mora posjedovati potrebnu infrastrukturu i biti lako dostupna specijaliziranom osoblju zaduženom za održavanje podatkovnog centra. Povezivost, uključujući dostupnost optičkih linija, također je važna. Na primjer, uspostavljanje podatkovnog centra sa slobodnim hlađenjem izvan Arktičkog kruga postaje nepraktično zbog nedostatka komunikacijskih linija i izazova održavanja kvalificirane radne snage.

Osim ovih logističkih razmatranja, jedina ograničenja za slobodno hlađenje odnose se na maksimalnu temperaturu u regiji (oko 38-40 stupnjeva) i kvalitetu zraka. Područja s prekomjernim onečišćenjem, poput onih u blizini prometnih autocesta ili intenzivnih poljoprivrednih aktivnosti, mogu predstavljati probleme. Iako nema izravne zabrane, filtre na takvim mjestima trebat će često mijenjati. Za razliku od konvencionalnih klimatiziranih podatkovnih centara koji cirkuliraju unutarnji zrak, centri za slobodno hlađenje uvlače vanjski zrak, zahtijevajući pažljivije održavanje filtera. Ostali parametri lokacije usklađeni su s onima koji se primjenjuju na tradicionalne podatkovne centre.

Pioniri i budući trendovi

Unatoč konzervativnoj prirodi industrije, neke korporativne tvrtke koje razmišljaju unaprijed procjenjuju opipljive prednosti alternativa. Izračunavajući isplativost slobodnog hlađenja kroz numeričku analizu, shvaćaju potencijalne uštede troškova koje nudi.

Nekoliko istaknutih tvrtki, kao što su Facebook (sada Meta), Google, Amazon, Yandex i Wildberries, pioniri su u usvajanju tehnologije slobodnog hlađenja. Njihov status pionira proizlazi iz njihove spremnosti da procijene rizike i prepoznaju financijske prednosti svojstvene ovoj tehnologiji. Izbor za te tvrtke bio je jasan – ili se odlučiti za konvencionalne sheme i izložiti se većim troškovima ili preuzeti rizike i koristi od toga da postanu pioniri u hlađenju podatkovnih centara.

Razvoj industrije ukazuje na rastući trend među korporativnim hiper-skalerima prema implementaciji rješenja slobodnog hlađenja. Kako sve više tvrtki prepoznaje isplativost i operativne prednosti ove tehnologije, očekuje se da će se u budućnosti pojaviti sve veći broj korporativnih podatkovnih centara bez hlađenja.

Ako ste zainteresirani za učenje više o fizici slobodnog hlađenja, istražite tu temu u mom novom članku Free Cooling: Technology Deep Dive.