Еволюція охолодження центрів обробки даних: від повітряних методів до вільного охолодження

Визначення проблеми

Ескалація інфраструктури центрів обробки даних і одночасне збільшення використання ІТ-обладнання призвели до збільшення споживання електроенергії.

Оскільки сервери, невід’ємні компоненти центрів обробки даних, під час роботи перетворюють електроенергію в тепло, ми стикаємося з проблемою боротьби з високими температурами та прохолодою приміщень і обладнання центрів обробки даних.

Жваво пригадаймо ази шкільної фізики: дотримуючись фундаментальних положень термодинаміки, енергія не зникає, а перетворюється. Таким чином, якщо центр обробки даних споживає 1 МВт електроенергії – весь цей квант енергії перетворюється в еквівалентну кількість тепла. Отже, чим більше електроенергії споживається, тим більшою є проблема управління теплом, що виникає в центрі обробки даних.

Ситуація стає ще складнішою, оскільки ІТ-обладнання може мати різні рівні енергоспоживання, маючи різні фізичні розміри. Наприклад, обладнання з високим споживанням енергії може мати невеликий розмір, що створює проблеми з ефективним охолодженням концентрованого тепла. З іншого боку, більш велике ІТ-обладнання з відносно помірним споживанням електроенергії легше охолодити через його більшу площу поверхні. У центрах обробки даних зазвичай розміщується обладнання різного розміру та рівня споживання, що представляє проблему не лише охолодження різноманітного ІТ-обладнання, але й виконання цього з різною швидкістю, продиктованою температурними вимогами кожного типу обладнання. Зайве говорити, що для охолодження DC нам потрібна значна кількість електроенергії, що збільшує експлуатаційні витрати.

Проблема ефективного використання електроенергії в дата-центрах стає особливо гострою в умовах глобального зростання цін на електроенергію. Відповідно до звіт Statista між 2021 і 2022 роками світові ціни на електроенергію різко зросли до історичного максимуму. Коли криза охорони здоров’я, викликана COVID-19, у другій половині 2021 року вщухла, попит на енергію зріс, і ціни на електроенергію досягли першого рекордного рівня. На початку 2022 року енергетичний ринок знову затягнувся, а енергетична криза посилилася.

Споживання електроенергії центром обробки даних зростає, незважаючи на підвищення продуктивності.

Іншими словами, хоча продуктивність на ват покращується, попит на ресурси зростає ще швидше, тому загальне споживання неминуче зростає, а також витрати. Однак суттєвої економії можна досягти шляхом оптимізації систем охолодження. Це спонукало мене глибше вивчити ефективні методи охолодження загалом і вільне охолодження зокрема.

Оцінка рівня споживання енергії в центрах обробки даних зазвичай базується на показнику ефективності енергоспоживання (PUE). PUE вимірює ефективність центру обробки даних шляхом порівняння загального споживання енергії з тим, що використовується виключно для ІТ-обладнання. Про це ми поговоримо докладніше трохи пізніше. Нам зараз потрібно знати, що нижчий PUE означає більш ефективний центр обробки даних, що вказує на меншу залежність від необчислювальної потужності. З огляду на зростаючу інфраструктуру та зростаюче споживання електроенергії, оптимізація PUE за допомогою більш ефективних систем охолодження забезпечує фінансову обачність та стабільну роботу.

У цій статті ми розглянемо традиційні та інноваційні методи охолодження та з’ясуємо, які з них забезпечують максимальну ефективність.

Огляд методів охолодження

Повітря і не повітря

У спрощеній класифікації методи охолодження можна розділити на дві основні категорії: на основі повітря та методи без нього. Якщо говорити детальніше, то повітряне охолодження охоплює звичайні підходи, тоді як категорія без повітря включає різноманітні методи, що використовують такі речовини, як вода, масло або тверді матеріали. Варто відзначити, що переважна більшість, що становить 99%, методів охолодження потрапляє під парасольку повітряного охолодження.

Кондиціонери

Системи кондиціонування повітря є найпоширенішим засобом охолодження повітря в професійних центрах обробки даних. Їх фундаментальний принцип повторює принцип побутових кондиціонерів: повітря, що проходить через сервери, циркулює через кондиціонер, охолоджується через решітку радіатора, а потім повертається назад у сервери. Цей циклічний процес забезпечує безперервний механізм охолодження.

Чиллери

Чиллери є другою за популярністю системою охолодження після кондиціонерів. На відміну від кондиціонерів, чиллери використовують воду (або розчин на водній основі) для передачі тепла з приміщень, де потрібен клімат-контроль. Хоча кондиціонування повітря є простішим і загалом доступнішим, його висока вартість електроенергії іноді може бути стримуючим фактором для підприємств. З іншого боку, системи з охолодженою водою є більш енергоефективними, але вимагають більше компонентів і ускладнюють їх встановлення та обслуговування.

Адіабатичні камери та мати

Адіабатичне охолодження передбачає використання камер або матів, куди вода заливається та випаровується. Коли вода випаровується, камери та килимки охолоджуються разом із повітрям усередині. Хоча адіабатичне охолодження є третім життєздатним варіантом, воно вважається дещо екзотичним і не так часто використовується в охолодженні центрів обробки даних порівняно з кондиціонерами повітря та чилерами.

Водяне охолодження

У системах водяного охолодження для відведення тепла використовується вода або рідини, що містять воду. Водопровідні труби стратегічно розміщені в серверних кімнатах, причому кожен сервер з’єднаний з двома трубами — однією для відтоку гарячої води, а іншою — для притоку холодної. Радіатори центральних процесорів, графічних процесорів та іншого обладнання підключаються безпосередньо до цієї системи водопостачання. Цей підхід не тільки охолоджує обладнання та приміщення центру обробки даних, але й створює запас теплої води для додаткових потреб.

Теплообмінники

Цей метод підвищує ефективність охолодження за рахунок зовнішнього холодного середовища.

Якщо поблизу є джерело холоду, наприклад озеро, море чи холодна земля, водопровідні труби можна розгорнути прямо в ньому для передачі великої кількості тепла від ІТ-обладнання.

Екзотика

Існують і нетрадиційні методи. Один з них заснований на елементах Пельтьє або термоелектричних охолоджувачах (ТЕО). Цей підхід базується на напівпровідникових ефектах і передбачає подачу електроенергії на спеціальну пластину, яка нагрівається з одного боку та охолоджується з іншого.

Іншим авангардним підходом є розгортання підводних центрів обробки даних. в Проект Microsoft Natick наприклад, навесні 2018 року центр обробки даних був занурений на глибину 117 футів на Північних островах. Протягом наступних двох років команда провела ретельне тестування та моніторинг серверів центру обробки даних. Було підтверджено, що розміщення герметичного контейнера на дні океану може підвищити загальну надійність центру обробки даних шляхом пом’якшення таких проблем, як корозія, коливання температури та фізичні перешкоди, які зазвичай виникають на суші.

Вільне охолодження

Ця техніка особливо спрямована на максимізацію ефективності охолодження. Безкоштовне охолодження оновлює повітря в центрі обробки даних, не покладаючись на традиційні системи охолодження. Він використовує природне зовнішнє повітря. Зазвичай зовнішнє повітря просто піддається контролю вологості, а потім природні термодинамічні процеси регулюють температуру в кімнатах даних.

Цей метод значно знижує споживання електроенергії (на 75-92% менше порівняно з іншими системами CRAH), знижує викиди вуглекислого газу та усуває потребу у воді в системі охолодження.

Вільне охолодження є одним із найбільш екологічних варіантів, який потребує менше енергії. Крім того, це може допомогти заощадити витрати, оскільки 40% електроенергії, що використовується центрами обробки даних, йде на охолодження. Ця система покращує продуктивність усього обладнання з повітряним охолодженням навіть у важких умовах. Ось просте візуальне представлення процесу вільного охолодження:

Як бачите, система працює дуже просто, направляючи зовнішнє повітря через фільтри, ІТ-обладнання та видаляючи його. Це зменшення складності, оскільки лише вентилятори є потенційними вразливими місцями, підвищує загальну надійність постійного струму при вільному охолодженні.

На відміну від систем зі складним обладнанням, відсутність складних компонентів також зменшує як початкові витрати на налаштування, так і витрати на поточне обслуговування. Таким чином, фінансові переваги починаються вже на етапі будівництва, де обтічна конструкція вільного охолодження перетворюється на відчутну економію.

Агонія вибору

Під час конференцій і зустрічей я часто отримую численні запитання, які крутяться навколо парадоксу: якщо вільне охолодження настільки ж вигідно з точки зору економії коштів і простоти, чому воно не прийнято повсюдно в галузі?

Це спонукає до ширшого питання, чому, незважаючи на його переваги, лише обмежена кількість компаній прийняла вільне охолодження, тоді як інші наполегливо використовують звичайні методи. Відповідь на це питання полягає в багатогранному дослідженні переважаючої динаміки галузі.

Диктатура промисловості

У галузі центрів обробки даних, де надійність має першочергове значення, прийняття інноваційних рішень часто стикається з опором. Я пояснюю це, перш за все, консервативним характером індустрії постійного струму, де особи, які приймають рішення, віддають перевагу перевіреним концепціям над інноваційними рішеннями.

У той час як нові технології, такі як вільне охолодження, обіцяють рентабельність і ефективність, представники галузі віддадуть перевагу традиційним, але надійним підходам для забезпечення безперебійної роботи серверів.

Маркетингові перешкоди

Іншим моментом є те, що комерційні постачальники постійного струму, які складають близько 80% галузі, покладаються на сертифікати незалежних органів, таких як Uptime Institute рекламувати свою надійність. Однак це створює проблему для рішень вільного охолодження, оскільки для них ще немає встановленої сертифікації. Ця ситуація змушує комерційних постачальників чинити опір альтернативним методам охолодження, посилаючись на невизначеність щодо їх надійності та відсутність прецеденту сертифікації.

Занепокоєння глобальним потеплінням

Критики часто висловлюють занепокоєння щодо впливу глобального потепління на життєздатність вільного охолодження. Однак цей аргумент розвінчується, визнаючи поступовий характер глобального потепління з приблизним збільшенням на 1,5 градуса протягом десяти років. Ця помірна зміна температури навряд чи вплине на стабільність рішень вільного охолодження в найближчій перспективі.

Аргумент «Про всяк випадок».

Ще однією поширеною практикою для компаній, які обирають метод охолодження постійним струмом, є включення резервних блоків кондиціонування повітря як запобіжний захід на додаток до вільного охолодження. Цей аргумент «про всяк випадок» підриває основну концепцію вільного охолодження, вносячи непотрібну складність і ставлячи під загрозу фінансову та операційну ефективність.

Навіть для невеликого кондиціонера виникає необхідність забезпечити різні компоненти, такі як фреон, дроти, рідини, системи та елементи керування. Замість того, щоб приймати ідею резервного кондиціонера повітря, промисловість повинна зосередитися на адаптації своєї системи вільного охолодження до широкого спектру умов, не покладаючись на помилкові надії.

Реальні ризики та міркування

Розглядаючи рішення щодо вільного охолодження, необхідно звернути увагу на деякі відчутні ризики та міркування. Одним із основних факторів є географічний регіон, оскільки впровадження системи вільного охолодження в такому регіоні, як Арабські Емірати, може бути невиправданим.

Іншим аспектом, про який слід пам’ятати, є доступність. Вибраний регіон повинен мати необхідну інфраструктуру та бути легко доступним для спеціалізованого персоналу, який займається обслуговуванням центру обробки даних. Зв’язок, включаючи наявність оптичних ліній, також важливий. Наприклад, створення центру обробки даних із вільним охолодженням за полярним колом стає непрактичним через відсутність ліній зв’язку та складність утримання кваліфікованої робочої сили.

Крім цих логістичних міркувань, єдині обмеження для вільного охолодження стосуються максимальної температури в регіоні (приблизно 38-40 градусів) і якості повітря. Райони з надмірним забрудненням, наприклад поблизу жвавих автомагістралей або інтенсивної сільськогосподарської діяльності, можуть створювати проблеми. Хоча прямої заборони немає, фільтри в таких місцях потребують частої заміни. На відміну від звичайних центрів обробки даних із кондиціонером, у яких повітря циркулює всередині, центри вільного охолодження втягують зовнішнє повітря, що вимагає більш ретельного обслуговування фільтрів. Інші параметри розташування відповідають тим, що застосовуються до традиційних центрів обробки даних.

Піонери та майбутні тенденції

Незважаючи на консервативний характер галузі, деякі далекоглядні корпоративні компанії оцінюють відчутні переваги альтернатив. Розраховуючи економічну ефективність вільного охолодження за допомогою чисельного аналізу, вони усвідомлюють потенційну економію, яку він пропонує.

Кілька відомих компаній, таких як Facebook (тепер Meta), Google, Amazon, Yandex і Wildberries, є піонерами в застосуванні технології вільного охолодження. Їхній новаторський статус пояснюється їхньою готовністю оцінювати ризики та визнавати фінансові переваги, властиві цій технології. Вибір для цих компаній був очевидним: або вибрати звичайні схеми та понести вищі витрати, або взяти на себе ризики та переваги, ставши піонерами в охолодженні центрів обробки даних.

Розвиток галузі вказує на зростаючу тенденцію серед корпоративних гіпермасштабувальників до впровадження рішень вільного охолодження. Оскільки все більше компаній визнають економічну ефективність і операційні переваги цієї технології, очікується, що в майбутньому з’явиться все більше корпоративних центрів обробки даних без охолодження.

Якщо вам цікаво дізнатися більше про фізику вільного охолодження, вивчіть цю тему в моїй новій статті Free Cooling: Technology Deep Dive.