Optimiziranje učinkovitosti podatkovnog centra: Duboko poniranje u tehnike slobodnog hlađenja

U prethodnom smo članku raspravljali o brzom širenju infrastrukture podatkovnog centra i povećanju potrošnje električne energije do kojeg je došlo. Kako poslužitelji pretvaraju električnu energiju u toplinu tijekom rada, upravljanje visokim temperaturama i hlađenje objekata i opreme podatkovnog centra postaje problem broj 1 za DC timove.

Dok tradicionalne metode hlađenja, uključujući klima uređaje i rashladne uređaje, učinkovito hlade prostorije podatkovnih centara i poslužitelje, njihova skupoća ostaje značajan nedostatak. Free cooling za razliku od tradicionalnih metoda ne zahtijeva značajna ulaganja, ali nudi istu razinu učinkovitosti i pouzdanosti. U ovom ću članku napraviti detaljan pregled tehnologije slobodnog hlađenja, ističući njezine prednosti, ograničenja i zahtjeve za uspješnu implementaciju.

Fizika slobodnog hlađenja

Da bismo razumjeli fiziku koja stoji iza slobodnog hlađenja, morat ćemo ponovno pregledati formulu toplinske energije:

Q = mcΔT

Ovdje 'Q' predstavlja količinu dobivene ili izgubljene topline, 'm' označava masu uzorka (u našem slučaju, masu zraka u podatkovnom centru), 'c' označava specifični toplinski kapacitet zraka, a ΔT označava temperaturnu razliku.

U podatkovnom centru primarni izvor topline je CPU. Obično postoje 2 do 4 CPU-a, a svaki radi na približno 200 W. Kao što je ranije spomenuto, sva električna energija koju potroše CPU pretvara se u toplinu. Stoga, s 2 CPU-a, na primjer, proizvodimo 400 vata topline koju je potrebno raspršiti. Sada je naš cilj odrediti količinu zraka potrebnu za tu svrhu.

Parametar ΔT, ili temperaturna razlika, pokazuje da što je niža vanjska temperatura zraka, to je manje zračne mase potrebno za hlađenje CPU-a. Na primjer, ako je ulazna temperatura zraka 0°C, a izlazna temperatura 35°C, ΔT bi bio samo 35, označavajući prilično niže zahtjeve za zračnom masom. Međutim, tijekom ljetne sezone hlađenje postaje izazovnije zbog porasta temperature okoline. Što je viša vanjska temperatura, to će veća količina zraka biti potrebna za hlađenje poslužitelja.

Ograničenja temperature poslužitelja i mrežnih komponenti

Iako slobodno hlađenje može biti učinkovito za umjerenu i hladnu klimu, još uvijek ima ograničenja zbog temperaturnih ograničenja komponenti poslužitelja. Kritične komponente u IT i mrežnoj opremi, kao što su procesori, RAM, HDD-ovi, SSD-ovi i NVMe diskovi, imaju zahtjeve za radnom temperaturom:

• Procesori: max 89°C
• RAM: max 75°C
• HDD: max 50°C
• SSD i NVMe diskovi: max 47-48°C

Ova ograničenja izravno utječu na prikladnost vanjskih temperatura zraka za hlađenje. Slobodno hlađenje ne bi bilo održivo u regijama gdje vanjske temperature prelaze ove pragove ili im se čak približavaju, jer bi moglo oštetiti sustav zbog pregrijavanja. Regionalna ograničenja

Kao što smo već objasnili, vanjske temperature moraju stalno ostati niže od maksimalnih radnih temperatura IT opreme da bi slobodno hlađenje bilo učinkovito. Ovo zahtijeva pažljivo razmatranje klimatskih uvjeta lokacije DC. Organizacije moraju analizirati dugoročne vremenske prognoze kako bi osigurale da temperature ne prijeđu tražene pragove, čak ni na određene dane ili sate. Osim toga, s obzirom na dug životni vijek podatkovnih centara (obično 10-15 godina), učinke globalnog zatopljenja također treba uzeti u obzir pri odabiru lokacije.

Zahtjevi za arhitekturu poslužiteljskog čvora

U kontekstu fizike, postizanje učinkovitog hlađenja u poslužiteljima oslanja se na osiguravanje dovoljnog protoka zraka kroz sustav. Arhitektura poslužitelja igra važnu ulogu u ovom procesu.

Suprotno tome, poslužitelji koji nemaju odgovarajuće značajke dizajna, kao što su perforacije ili otvori, mogu ometati protok zraka, potencijalno ugrožavajući ukupnu učinkovitost mehanizma slobodnog hlađenja.

Kontrola vlažnosti

Razina vlažnosti još je jedan kritičan faktor kada je u pitanju slobodno hlađenje. Budući da nemamo kontrolu nad uvjetima vanjske vlažnosti, javljaju se dva bitna pitanja: prvo, rješavanje razina vlažnosti koje se približavaju ili prelaze 100% unutar podatkovnog centra (DC); drugo, rješavanje scenarija vrlo niske vlažnosti zraka, kao što je tijekom mraznog dana u veljači s vanjskom temperaturom od -30°C i relativnom vlagom u rasponu od 2% do 5%. Idemo sustavno ispitati ove situacije.

U uvjetima povišene vlažnosti postoji zajednička zabrinutost u vezi s mogućom pojavom kondenzacije i njezinim štetnim učincima na funkcionalnost opreme. Suprotno ovoj zabrinutosti, unutar zona ponovnog hlađenja DC-a, gdje se odvija proces hlađenja, kondenzacija je onemogućena. To je zbog principa da dolazi do kondenzacije kada topao, vlažan zrak dođe u dodir s hladnijim površinama. Međutim, unutar sustava slobodnog hlađenja DC-a, nijedan element nije hladniji od okolnog zraka. Posljedično, kondenzacija je inherentno onemogućena, eliminirajući potrebu za proaktivnim mjerama.

Nasuprot tome, kada se radi o niskoj vlažnosti, bojazan se pomiče prema stvaranju statičkog elektriciteta, što predstavlja prijetnju stabilnosti opreme. Ovaj problem nije povezan s kondenzacijom, ali zahtijeva posebno rješenje. Ublažavanje uključuje postupke uzemljenja i primjenu specijaliziranog podnog premaza. Ove mjere usklađene su s utvrđenim metodama za zaštitu unutarnje opreme od statičkog elektriciteta. Uzemljenjem građevinskih elemenata, regala i informatičke opreme, statički naboj se bezopasno raspršuje na tlo, čuvajući cjelovitost opreme.

U prirodnoj klimi slučajevi ekstremno visoke ili niske vlažnosti su rijetki. Značajne iznimke uključuju rijetke događaje kao što je grmljavinska oluja koja postiže 100% vlažnosti u srpnju ili jak mraz koji uzrokuje vrlo nisku vlažnost. Međutim, većinu vremena razine vlažnosti ostaju unutar prihvatljivih raspona koji ne predstavljaju nikakvu štetu opremi, čak i bez aktivnih intervencija.

Količina i brzina zraka

Kao što smo već spomenuli, za učinkovito hlađenje potrebna nam je znatna količina vanjskog zraka. Istovremeno se pojavljuje naizgled kontraintuitivan zahtjev – održavanje niskog protoka zraka unutar zgrade. Ovaj prividni paradoks ukorijenjen je u izazovima koje postavljaju brza zračna strujanja koja kruže unutra.

Da pojednostavimo, zamislite veliku brzinu kao snažan tok iz cijevi koji stvara vrtloge i turbulencije oko IT opreme. Ova turbulencija potencijalno dovodi do nepravilnog kretanja zraka i lokalnog pregrijavanja. Kako bismo to riješili, strateški ciljamo na ukupnu nisku brzinu zraka od 1-2 metra u sekundi u cijelom prostoru.

Održavanje ove kontrolirane brzine zraka omogućuje nam uklanjanje turbulencije. Veća brzina bi predstavljala opasnost od nepravilnosti u kretanju zraka. Pridržavajući se raspona od 1-2 metra u sekundi, potičemo glatko, ravnomjerno strujanje zraka, izbjegavajući lokalno pregrijavanje. Ova delikatna ravnoteža osigurava optimalno hlađenje IT opreme zaobilazeći zamke povezane sa strujanjem zraka velike brzine.

Kao što se može vidjeti, pristup slobodnog hlađenja vrti se oko učinkovite upotrebe vanjskog zraka dok prioritet daje kontroliranoj niskoj unutarnjoj brzini zraka. Ova promišljena strategija pomaže u održavanju laminarnog i jednolikog protoka zraka, osiguravajući učinkovitost hlađenja IT opreme.

Koncept zgrade

U paradigmi slobodnog hlađenja, tradicionalni zračni kanali ne koriste se unutar strukture zgrade. Za razliku od konvencionalnih postavki s određenim zračnim kanalima u zidovima, stropovima ili određenim područjima, centri za obradu podataka usvajaju nekonvencionalan pristup. Sama zgrada zamišljena je kao zračni kanal, čime su tradicionalni klimatizacijski uređaji zastarjeli. Sama veličina ovih zračnih kanala pretvara ih u sastavne dijelove prostorija i podova.

Proces strujanja zraka započinje kada vanjski zrak ulazi u zgradu, prolazeći kroz dvije vrste filtera – grube filtere i fine filtere. Nakon što zrak prođe proces čišćenja, ventilatori ga tjeraju u prostrane građevinske volumene, približno jednake visini četiri kata. Ovaj znatan volumen služi vlastitoj svrsi: usporiti protok zraka, smanjujući njegovu brzinu na traženi raspon od 1-2 metra u sekundi. Nakon toga, zrak se spušta u strojarnicu.

Nakon prolaska kroz strojarnicu, zrak nastavlja svoje putovanje kroz IT police, napredujući u vrući prolaz. Odatle ulazi u kolektor toplog zraka prije nego što bude izbačen van kroz ispušne ventilatore. Ovaj strukturirani put protoka zraka osigurava učinkovit proces hlađenja uz održavanje kontrolirane brzine zraka.

Brzina i volumen

Namjeran odabir dizajna korištenja ekspanzivnih volumena zgrade ima dvostruku svrhu. Prvo i najvažnije, omogućuje postupno smanjenje brzine zraka, osiguravajući da protok zraka postigne željenu brzinu od 1-2 metra u sekundi. Ova kontrolirana brzina zraka ključna je za sprječavanje turbulencije i održavanje laminarnog strujanja, osobito važno dok zrak prolazi kroz osjetljivu IT opremu. Drugo, značajan volumen prilagođava potreban volumen zraka za učinkovito raspršivanje generirane topline. Sinkronizirana interakcija brzine i volumena pridonosi ukupnom uspjehu sustava.

Diferencijalni tlak kao jedini pokretač upravljanja

U postavkama slobodnog hlađenja nemamo kontrolu nad vanjskom temperaturom zraka, što dovodi do varijacija u temperaturi zraka koji ulazi u podatkovni centar (DC). Unatoč tome, procjena potrebnog protoka zraka za hlađenje opreme je ključna. Kako bismo to riješili, oslanjamo se na metodu diferencijalnog tlaka.

Unutar svakog IT stalka, poslužitelji s unutarnjim ventilatorima rade različitim brzinama, zajedno stvarajući razliku tlaka između prednje i stražnje strane stalka. S brojnim poslužiteljima, od kojih svaki pridonosi ukupnom protoku zraka, ta se razlika u tlaku postupno stvara između hladnih i toplih prolaza. Koristeći senzore tlaka u oba prolaza i izvan zgrade DC, možemo izmjeriti ovaj diferencijalni tlak.

Izračun uključuje oduzimanje podataka senzora tlaka u toplom prolazu od atmosferskog tlaka i oduzimanje podataka senzora tlaka u hladnom prolazu od atmosferskog tlaka. Dakle, kao u donjem primjeru:

Primjer iz stvarnog svijeta

Dobivene vrijednosti zatim nas vode u određivanju potrebnog dovoda zraka u DC i potrebnog ispuha za kompenzaciju rada ventilatora poslužitelja. Jednostavnije rečeno, mjerimo naše potrebe za protokom zraka na temelju razlika tlaka, što nam omogućuje učinkovito upravljanje procesom hlađenja unutar DC-a.

Komora za grijanje i miješanje

Tradicionalni sustavi grijanja obično se ne implementiraju u podatkovnim centrima s besplatnim hlađenjem. Korištenje vode smatra se neracionalnim zbog troškova i mogućih rizika za opremu. To predstavlja izazov tijekom ekstremnih hladnoća, koje vani dosežu -20–30 stupnjeva. Dok oprema to dobro podnosi, inženjeri traže nježniji pristup. Najelegantnije i najlogičnije rješenje ovdje je ponovno korištenje vrućeg zraka koji stvara IT oprema. Usmjeravajući vrući zrak iz servera u komoru za miješanje, a dio vraćajući u glavnu zračnu struju, sustav održava toplinu prostorija zimi i omogućuje uštedu troškova grijanja.

Jednostavnost i pouzdanost

Ključna teza u teoriji pouzdanosti tvrdi da jednostavnost rađa pouzdanost. Ovo vrijedi za sustav slobodnog hlađenja koji je izuzetno jednostavan koncept. Sustav funkcionira kao barikada, propušta zrak izvana kroz filtre, prolazi kroz IT opremu, a zatim ga samo izbacuje.

Odsutnost složenih sustava povećava pouzdanost, a samo ventilatori predstavljaju ranjivost po vrućem vremenu. Pristup slobodnog hlađenja primjer je radikalnog pojednostavljenja sustava, znatno poboljšavajući pouzdanost smanjenjem broja elemenata.

DC fanovi protiv server fanova

Hijerarhijski autoritet ventilatora još je jedno temeljno pitanje u dinamici protoka zraka unutar DC-a. Kao što smo spomenuli, postoje fanovi velikih razmjera na razini DC-a i oni na razini poslužitelja. Pitanje je: dovode li ventilatori podatkovnog centra samo zrak, ostavljajući ventilatorima poslužitelja da troše onoliko koliko je potrebno? Ili potražnja potječe od obožavatelja poslužitelja, tjerajući obožavatelje DC-a da ispune svoje zahtjeve?

Mehanizam je sljedeći: dominantnu ulogu u tom procesu imaju ventilatori poslužitelja koji određuju potreban protok zraka. Nakon toga, DC ventilatori reagiraju isporukom potrebne količine zraka. Postaje očito da ako kumulativni zahtjev svih poslužitelja premašuje kapacitet opskrbe DC ventilatora, to može dovesti do potencijalnog pregrijavanja.

Dakle, odgovor je da fanovi poslužitelja imaju primat u ovoj dinamici. Oni upravljaju protokom zraka, određujući potrebnu količinu zraka.

Učinkovitost i izračun PUE

Za procjenu učinkovitosti DC projekta tradicionalno se koristi izračun učinkovitosti korištenja energije (PUE). Formula za PUE je omjer ukupne snage objekta i snage IT opreme:

PUE = Ukupna snaga objekta / Snaga IT opreme

U idealnom slučaju, jednak je 1, što znači da je sva energija usmjerena na IT opremu bez ikakvog rasipanja. Međutim, postizanje ovog savršenog scenarija rijetko je u stvarnim projektima.

Drugi problem se javlja kada pokušavamo uspostaviti jasnu metodologiju za izračunavanje učinkovitosti korištenja energije (PUE). Tako, na primjer, u našem sustavu imamo metriku koja pokazuje trenutnu potrošnju energije u vatima, što omogućava izračunavanje PUE u stvarnom vremenu.

Štoviše, možemo izvesti prosječni PUE tijekom godišnjeg razdoblja, što nudi sveobuhvatniju procjenu s obzirom na sezonske fluktuacije. Ovo je posebno važno s obzirom na razlike u potrošnji energije između godišnjih doba; na primjer, razlike u zahtjevima za hlađenjem između ljetnih i zimskih mjeseci. To znači da ako želimo imati pouzdaniju procjenu, moramo dati prioritet godišnjem prosjeku koji daje uravnoteženiju i sveobuhvatniju ocjenu.

Također je važno istražiti PUE ne samo u smislu energije nego i novčanih jedinica, čime se uključuju sezonske fluktuacije cijena električne energije. Ocjenjivanje PUE-a u monetarnom smislu daje holističkiju perspektivu operativne učinkovitosti.

Osim toga, ovaj pristup otkriva mogućnosti postizanja PUE vrijednosti manje od 1 kada se mjeri u dolarima. To postaje moguće, primjerice, kada otpadnu toplinu koristimo za grijanje vode i prodajemo je dalje u obližnje gradove. Zanimljivi primjeri, kao što je Googleov podatkovni centar u SAD-u i Yandexov pogon u Finskoj, pokazuju održivost takve prakse, posebno u regijama koje karakteriziraju visoki troškovi energije.

Učinkovitost nasuprot pouzdanosti

Zabrinutost oko smanjenja troškova i povećanja učinkovitosti često postavlja pitanja o mogućim negativnim utjecajima na pouzdanost. Međutim, želio bih naglasiti da kod slobodnog hlađenja težnja za učinkovitošću ne ugrožava pouzdanost. Umjesto toga, njegove tehnološke nuspojave mogu čak povećati učinkovitost. Na primjer, kao što smo već spomenuli, preusmjeravanje viška topline na dizalice topline za dodatne pogodnosti, kao što je proizvodnja tople vode za obližnje gradove, postaje financijski povoljna praksa bez žrtvovanja pouzdanosti.

Budućnost slobodnog hlađenja

Unatoč svim prednostima koje besplatno hlađenje nudi, industrija podatkovnih centara i dalje je vođena konzervativnim pristupom i zahtijeva dokazanu pouzdanost, s tendencijom otpora inovativnim rješenjima. Oslanjanje na certifikate tijela poput Uptime institut za marketing predstavlja još jednu prepreku za rješenja besplatnog hlađenja, nedostatak uspostavljenog certifikata, zbog čega ih komercijalni pružatelji gledaju sa skepsom.

Ipak, postoji trend među korporativnim hiper-skalerima da usvoje slobodno hlađenje kao glavno rješenje za svoje DC uređaje. Uz rastući broj tvrtki koje priznaju isplativost i operativne prednosti ove tehnologije, očekujemo da će se u sljedećih 10-20 godina pojaviti više podatkovnih centara bez korporativnog hlađenja.