Енергийноефективно охлаждане на центрове за данни

• Охлаждането на тези мащабни центрове изисква значително ниво на организация и прилагане на усъвършенствани научни концепции
  
  
• Малфункции в охлаждането поради неправилни изчисления могат да доведат до бързо прегряване на оборудването и унищожаване на чувствителните електронни компоненти
  
  
• Течното охлаждане е иновация, която в значителна степен трансформира охладителните системи за центрове за данни, и е сред най-популярните технологии, прилагани за целта днес

Спродължаващия преход към онлайн ресурси е все по-лесно човек да си представи свят без предмети като книги, DVD-та, документи и календари, до които вече получаваме достъп благодарение на устройства, побиращи се в джоба. Още по-удивително е, че повечето от тази информация не съществува дори на тези устройства, а се разчита единствено на връзка с базирани в облак услуги.

Дори и тези предмети да не се виждат обаче, те все пак заемат физическо пространство, макар и в различна форма – шкафове със сървъри, които непрекъснато предават и съхраняват информация. На пръв поглед организирането на един такъв център за данни изглежда просто. Нужно е единствено да се подредят сървърните шкафове, да се инсталира някаква охладителна система и да се свърже компанията към новата мрежа.

Едва когато започне планирането на центъра за данни, се вижда колко комплексна задача е това в действителност. Като всички електронни устройства, сървърите и мрежовото оборудване генерират топлина. За разлика от по-малките електронни устройства обаче, топлината, която отделят сървърите, не може да бъде разсеяна с един прост вентилатор. Охлаждането на тези мащабни центрове изисква значително ниво на организация и прилагане на усъвършенствани научни концепции.

Проектиране за енергийна ефективност

Едно от предизвикателствата при изграждането на център за данни е неговият многостранен характер – капацитет, охлаждане, бюджет, ефективност и захранване са основни фактори, които трябва задължително да бъдат обмислени в етапа на планиране на съоръжението. В противен случаи сървърите са изложени на риск от повреди и откази.

При проектирането на всеки дейта център трябва да се отчетат количествата данни, които ще се съхраняват и обработват. Препоръчително е да се вземат предвид и евентуални бъдещи надграждания. Дори и първоначално да не се инвестира в цялото хардуерно оборудване, което ще е необходимо в някакъв момент, доброто проектиране ще позволи разрастването на центъра, без конфигурацията му да стане странна и объркана.

Тези хранилища за данни генерират огромни количества топлина, чието разсейване изисква успешно проектиране и ресурси. Малфункции в охлаждането поради неправилни изчисления могат да доведат до бързо прегряване на оборудването и унищожаване на чувствителните електронни компоненти. Сред популярните решения са конфигурациите с топли и студени пътеки и техниките с течно охлаждане.

Функционирането на оборудването и на охлаждащата система изисква значителни количества електроенергия. Успешното проектиране на системите за захранване и охлаждане ще спомогне за редуциране на енергопотреблението и намаляване на въглеродния отпечатък на центъра за данни.

Как се охлаждат центровете за данни

Съществуват няколко метода, които могат да бъдат приложени за охлаждането на дейта центрове и предотвратяването на риска от пожар или прегряване на оборудването. Климатиците за сървърни помещения (computer room air conditioner, CRAC) са относително достъпен инструмент, който охлажда като изтегля студен въздух от хладилен агрегат.

Следващият метод включва рециркулиране на въздуха от помещението чрез използване на конфигурация тип гореща пътека/студена пътека за охлаждането му. При тези конфигурации шкафовете се подреждат в редове така, че всеки от тях да е насочен в противоположна посока. По този начин вентилационните отвори за студен и горещ въздух са един срещу друг, което създава редуващи се пътеки с горещ и студен въздух между шкафовете. CRAC системата отвежда горещия въздух от горещите пътеки и изпомпва студения въздух от студените пътеки.

Свободното охлаждане е популярен, разходно ефективен метод за региони със студен климат, тъй като при него горещият въздух се отвежда, а студен въздух в съоръжението постъпва от околната среда.

При директното охлаждане се използва течност, която преминава през серия от тръби, достигайки до пластина, вградена в процесора. Студената пластина разсейва топлината, която трябва да се отстрани, в контур от охладена вода.

Който и метод да се избере за охлаждането на центъра за данни, е важно винаги да се инспектира оборудването за свързано с температурата износване с течение на времето.

Какво е конфигурация гореща пътека/студена пътека

Това е най-популярната конфигурация за охлаждане на дейта центрове. Сървърите са проектирани така, че да изтеглят въздух от помещението от предната си страна, да охлаждат определените компоненти, след което да отделят горещия въздух от задната си страна. Поради този факт лесно може да се види проблемът с разполагането на лицевата част на един сървър към задната страна на друг – вторият сървър ще изтегля вече затопления въздух. По този начин не се осигурява необходимото охлаждане и въздухът в помещението продължава да се загрява.

За да решат проблема, инженерите подреждат редовете от сървъри в горещи и студени пътеки. Два сървъра са разположени лице в лице от двете страни на пътеката, оставяйки пространство само за студения въздух, който те изтеглят. Следователно от задната им страна се получава пътека, от двете страни на която сървърите са обърнати с гръб един към друг, отделяйки топлия въздух в една и съща зона. По този начин хардуерът изтегля само студен въздух от студената пътека, а горещият въздух може да бъде охладен достатъчно, преди да бъде рециркулиран към сървърите.

В някои големи центрове за данни тази отпадна топлина се използва за собствени нужди. Вместо горещият въздух да се смята просто за страничен продукт, чието охлаждане само по себе си изисква още електроенергия, някои центрове го насочват по въздуховоди с цел отопление на други части от сградата. По този начин горещият въздух се охлажда по естествен път, което допринася за допълнителни енергийни спестявания.

Ако топлината не се разпространява из сградата, тя трябва да бъде третирана по някакъв начин преди да постъпи отново в системата. Някои системи използват вентилатори или кондензатори за охлаждането на въздуха преди рециркулирането му. Други работят на геотермален принцип – използвайки факта, че температурата в земята остава относително постоянна, независимо от метеорологичните условия. Изпращайки въздуха в подземни въздуховоди, той се охлажда по естествен начин, като електроенергия е необходима единствено за двигателя на въздуходувката или за вентилатора, който изтегля горещия въздух през системата.

Директно охлаждане

Течното охлаждане е иновация, която в значителна степен трансформира охладителните системи за центрове за данни, и е сред най-популярните технологии, прилагани за целта днес. Съществуват различни видове системи за течно охлаждане, като всяка следваща иновация носи по-голяма ефективност. Директното охлаждане с течност се смята за един от най-ефективните методи за разсейване на топлината в центровете за данни.

Ползите от директното охлаждане са много, като първата е редуциране на енергопотреблението, тъй като течното охлаждане намалява количеството на необходимия въздухообмен с до 90%. Също така, топлопреносният капацитет при течното охлаждане може да бъде до 3500 пъти по-голям, отколкото при традиционното въздушно охлаждане. Друга полза е повишеният изчислителен капацитет, тъй като прецизно насоченото охлаждане дава възможност за реализиране на по-високи плътности на оборудването. Освен това, тъй като охлаждането се осъществява в корпусите на оборудването, не са необходими външни охлаждащи агрегати. Това означава и по-малка вероятност за прегряване на оборудването, което е сред основните причини за престой на центровете за данни.

Охлаждане чрез потапяне

Технологията включва потапяне на електронните компоненти във вана с диелектрична топлопреносна течност. С температура на кипене от 50°C, тази течност е много по-добър проводник на топлина от въздуха, водата или маслото. Парата, която се образува от взаимодействието на течността и генериращите топлина компоненти, пасивно осъществява топлопреноса.

Сред ползите на охлаждането чрез потапяне са по-високата ефективност и енергийните спестявания. Технологията има 90% ефективност в сравнение с въздушното охлаждане. В допълнение, прилагането й осигурява по-висока надеждност, тъй като компонентите не са подложени на температурни изменения. Следователно вероятността за отказ също е по-ниска, защото не са необходими вентилатори, които чрез вибрациите си могат да доведат до проблеми. Изчислителният капацитет също може да бъде повишен, тъй като при охлаждането чрез потапяне няма нужда от използването на радиатори и вентилатори, които заемат сравнително голямо пространство. Оборудването може да бъде разположено по-плътно, което може да увеличи изчислителната мощ с до 10 пъти.

Геотермално охлаждане

Технологията на геотермалното охлаждане съществува от доста отдавна, но не много центрове за данни се възползват от ниските й разходи и въздействия върху околната среда. Тази охлаждаща система наподобява климатик или термопомпа въздух-източник, тъй като топлината се поглъща от вътрешността на дейта центъра и се премества в друга зона. Геотермалните термопомпи обаче използват земята като радиатор, а не изпускат въздуха в околната среда, както климатиците. Системата се внедрява чрез затворена тръбопроводна система, запълнена с вода и/или охлаждащ агент, която преминава през вертикални подземни кладенци, запълнени с топлопреносна среда. Сред компонентите на системата са външен агрегат и подземен тръбопроводен контур, свързан към подземен водоизточник. Тези компоненти се активират, когато водата се изпомпва нагоре, преминава покрай топлообменник и се връща в същия водоизточник.

Геотермалното охлаждане дава възможност за по-ниски експлоатационни разходи, тъй като термопомпените системи не работят на гориво и осигуряват нива на оползотворяване на електроенергията до 5:1. Това ги прави по-екологосъобразни, защото помпите не потребяват гориво и издържат по-дълго, отколкото традиционното ОВК оборудване. В допълнение, геотермалното охлаждане спестява средства в дългосрочен план, защото оперативните разходи са много ниски в сравнение с други системи, изискващи месечно снабдяване с гориво. Разходите за поддръжка също са по-ниски, тъй като честотата й е по-малка, отколкото при конвенционалните ОВК системи.

Микроконвективно течно охлаждане

При тази технология се използват множество малки струи течност в компактни охлаждащи модули. Тя е създадена, за да се подобри ефективността в приложения с много високи изчислителни плътности. Там, където се генерира топлината, има високоефективен турбулентен поток, тъй като технологията осигурява перпендикулярен поток върху устройството. Това повишава коефициента на топлопренос за отстраняване на топлината и следователно елиминира използването на топлопреносни материали.

Микроконвективното течно охлаждане е революционно, защото може да охлади едни от най-мощните процесори. Според проучвания технологията може да спести на центровете за данни до 8% от енергийните им разходи и до 90% от разходите за вода годишно. Тя е разработена в отговор на значителните количества енергия, използвани от центровете за данни – 3% от общото енергопотребление на планетата за една година. От тези 3%, 40% от енергията се консумира от охлаждаща инфраструктура, за да се гарантира ефективността на процесори и друго оборудване. Въпреки че е сравнително нова технология, микроконвективното течно охлаждане се очаква да доведе до големи промени в начина, по който центровете за данни оползотворяват енергията.