Охлаждение центра обработки данных: Управление теплом для повышения производительности сервера

Предисловие: Процветающий рынок решений для охлаждения центров обработки данных

Мировой рынок систем охлаждения центров обработки данных развивается быстрыми темпами. Рост этого рынка объясняется высоким спросом на усовершенствованные решения по терморегулированию. Потребление энергии в центрах обработки данных очень велико, и охлаждение составляет значительную его часть. Поэтому инновационные и устойчивые решения для охлаждения центров обработки данных стали важны как никогда раньше. Таким образом, по данным Grand View Research, мировой рынок систем охлаждения центров обработки данных к 2028 году может составить 25,5 миллиарда долларов США, что соответствует темпам роста в 14,1% в период с 2021 по 2028 год.

Технологии облачных вычислений, искусственного интеллекта и IoT стремительно развиваются. Это приводит к увеличению объема генерируемых и обрабатываемых данных. Производительность центров обработки данных должна поддерживаться даже при более высоких затратах на электроэнергию. Это привело к росту использования передовых систем охлаждения центров обработки данных. Эти системы должны эффективно отводить тепло, сохраняя при этом надежность и минимизируя воздействие на окружающую среду. Таким образом, новейшие технологии охлаждения центров обработки данных востребованы операторами, которые хотят улучшить свою инфраструктуру и сохранить конкурентоспособность.

Как охлаждаются центры обработки данных?

Почему охлаждение имеет решающее значение для центров обработки данных?

Центры обработки данных составляют основу современного цифрового мира. В них находятся серверы, подсистемы хранения данных и сетевое оборудование, с помощью которых мы работаем в Интернете. Однако эти машины выделяют много тепла, поскольку неустанно обрабатывают и хранят данные. Это тепло может быстро накапливаться, если его не охлаждать должным образом, что приводит к снижению производительности, отказу оборудования и даже катастрофическому простою.

Эффективное охлаждение необходимо для оптимальной работы сервера и предотвращения дорогостоящих сбоев. При перегреве компоненты могут замедлить работу, что приведет к снижению скорости обработки данных и общей эффективности. В некоторых случаях повышенная температура может необратимо разрушить хрупкие электронные устройства, что приведет к потере данных и дорогостоящему ремонту. Недавнее исследование, проведенное Uptime Institute, показало, что более 90% операторов центров обработки данных сталкивались с перебоями в работе в течение последних трех лет, и многие из них были вызваны плохими системами охлаждения.

Понимание тепловыделения в центрах обработки данных

При управлении теплом в центре обработки данных важно знать, откуда оно берется и куда поступает. Как правило, основными источниками тепла в центре обработки данных являются серверы, устройства хранения данных и сетевое оборудование. Эти элементы потребляют электроэнергию во время работы и выделяют тепло в качестве отходов.

Количество тепла, выделяемого ИТ-оборудованием, зависит от таких факторов, как тип оборудования, интенсивность рабочей нагрузки и даже температура окружающей среды. Например, серверы высокопроизводительных вычислений (HPC), а также графические процессоры (GPU) выделяют больше тепла по сравнению со стандартными серверами, поскольку они обладают большей производительностью для выполнения сложных вычислений. Кроме того, потепление климата может привести к увеличению трудностей с охлаждением в центрах обработки данных из-за повышения температуры входящего воздуха.

Плотность мощности используется руководителями объектов для измерения тепловыделения в помещениях: она измеряет количество потребляемой мощности по отношению к площади; обычно измеряется в ваттах на квадратный фут или киловаттах на стойку. Согласно отчету AFCOM, средняя плотность мощности в центрах обработки данных выросла с 4-5 кВт на стойку в 2010 году до 7-10 кВт на стойку в 2020 году. Некоторые центры с высокой плотностью развертывания даже достигают 50 кВт на стойку.

Эффективные методы управления тепловым режимом в центрах обработки данных

Сегодня управление тепловыделением является одной из важнейших обязанностей в центрах обработки данных. Оно предполагает использование различных методов для повышения производительности и надежности ИТ-оборудования. Выбор метода охлаждения зависит от некоторых аспектов, включая размер серверной комнаты, уровень энергопотребления, измеряемый в тепловых единицах в час, а также от того, что хочет получить пользователь.

Охлаждение воздуха

Кондиционеры по-прежнему являются наиболее распространенным способом охлаждения и вентиляции в центрах обработки данных: более 80% систем охлаждения прибегают к этому способу. Такие системы обычно включают в себя вентиляционные установки, охлаждающие змеевики, а также различные типы вентиляторов, которые работают в тандеме для управления воздушным потоком и температурой внутри блока. Охлаждающие вентиляторы являются центральными компонентами таких систем на разных уровнях, будь то вентиляторы на уровне сервера, установленные внутри оборудования, вентиляторы для шкафов в стойках или вентиляторы системы охлаждения на уровне помещения. Эти вентиляторы обеспечивают оптимальную работу каждого сервера в сети и исключают образование горячих точек.

В типичных центрах обработки данных с воздушным охлаждением охлажденный воздух подается через фальшполы или подвесные потолки и движется в направлении вверх к передней стороне серверных стоек. Проходя мимо серверных модулей, холодный воздух охлаждает их и выводится в виде горячего воздуха через окружающие их серверные вентиляторы с помощью вентиляционных шкафов. Затем этот горячий воздух выводится из модулей через заднюю сторону стоек, чему способствуют панели, а также направляется обратно в систему охлаждения для охлаждения. Во многих современных центрах обработки данных используются передовые интеллектуальные системы вентиляторов, которые динамически регулируют скорость вращения вентиляторов для улучшения воздушного потока и энергосбережения.

Существует несколько методов, которые можно использовать для повышения эффективности воздушного охлаждения. К ним относятся охлаждение с помощью фальшпола, охлаждение в ряду и верхнее охлаждение, в зависимости от конфигурации вентиляторов. Ограждение проходов - это еще одна система, которая широко применяется для устранения смешивания подаваемого холодного и отводимого горячего воздуха путем создания физического барьера между ними, что повышает эффективность охлаждения. Такая конфигурация не отменяет необходимости в стратегически расположенных вентиляторах, которые могут поддерживать схемы воздушных потоков, необходимые для предотвращения образования горячих точек в центре обработки данных, тем самым повышая эффективность охлаждения.

Жидкостное охлаждение

Жидкостное охлаждение получило широкое распространение в системах высокой плотности и высокопроизводительных вычислениях благодаря своим преимуществам. В процессе жидкостного охлаждения жидкий теплоноситель, например вода или диэлектрическая жидкость, напрямую отводит тепло от компонентов сервера. Однако, несмотря на то что они не являются основными компонентами, отвечающими за жидкостное охлаждение, в отличие от вентиляторов, которые способствуют правильной циркуляции и теплообмену.

Существует две основные категории жидкостного охлаждения: прямое охлаждение процессора и погружное охлаждение. Прямое охлаждение процессора подразумевает прикрепление пластины к процессору или другим частям, выделяющим тепло, через которую проходит жидкая охлаждающая жидкость, поглощающая тепло, а нагретая жидкость затем поступает в теплообменник для охлаждения перед подачей обратно в сервер. Иногда вентиляторы работают в паре с кулерами, чтобы улучшить теплообмен и тем самым повысить эффективность охлаждения.

При иммерсионном охлаждении весь сервер погружается в ванну с диэлектрической жидкостью. Жидкость поглощает тепло, выделяемое компонентами сервера, и отводит его от них. Горячая жидкость проходит через теплообменник, где она охлаждается, прежде чем снова попасть в ванну погружения. В некоторых системах охлаждения, основанных на погружении, это возможно благодаря вентиляторам, которые способствуют движению потока и увеличению теплообмена.

охлаждение стоек центров обработки данных

Факторы, которые необходимо учитывать при выборе решения для охлаждения центра обработки данных

Тепловая нагрузка

Если вы хотите принять правильное решение о проектировании системы охлаждения центра обработки данных, вам следует учитывать тепловую нагрузку, создаваемую ИТ-оборудованием. Тепловая нагрузка определяет, какая мощность охлаждения необходима для поддержания оптимальной рабочей температуры и предотвращения перегрева.

Чтобы определить тепловую нагрузку, необходимо проанализировать серверы с точки зрения потребляемой мощности, включая устройства хранения данных и сетевое оборудование. Это дает возможность рассчитать размер системы охлаждения таким образом, чтобы она могла выдержать такое количество накопленного тепла.

Тепловая нагрузка может меняться со временем из-за добавления нового оборудования или изменений в существующих компонентах. Поэтому важно выбрать систему охлаждения, способную учитывать будущий рост с точки зрения увеличения количества оборудования, а также изменения профилей, связанных с нагревом центра обработки данных.

Энергоэффективность

Еще одним важным фактором при выборе решения для охлаждения центра обработки данных является его энергоэффективность. Охлаждение занимает значительный процент от общего потребления энергии в любом центре обработки данных. Неадекватные системы охлаждения приводят к высоким эксплуатационным расходам и увеличению количества выбросов углекислого газа.

При оценке энергоэффективности очень важны такие аспекты, как коэффициент производительности (COP) и эффективность использования энергии (PUE). COP измеряет эффективность охлаждения, сравнивая ее с потребляемой мощностью; более высокие значения означают лучшие результаты. PUE, в свою очередь, оценивает общее энергопотребление центра обработки данных по отношению к энергии, потребляемой только ИТ-оборудованием, при этом 1 означает максимальную эффективность.

Центры обработки данных также могут повысить уровень или степень энергоэффективности с помощью таких механизмов, как оптимизация, например, когда они охлаждают определенные зоны в здании только при необходимости, а не все сразу, что позволяет избежать переохлаждения, которое потребляет больше электроэнергии, чем требуется для нормальной работы. Другие экономически эффективные варианты включают в себя использование приводов с переменной скоростью на чиллерах, экономайзеров на системах кондиционирования воздуха для естественного охлаждения и высокотехнологичных систем управления, которые способствуют мониторингу и оптимизации в режиме реального времени.

Требования к ИТ-оборудованию

Требования к ИТ-инструментам - еще один важный момент, который необходимо учитывать. Для различных типов оборудования требуются разные решения для охлаждения, основанные на таких аспектах, как плотность мощности, диапазон рабочих температур и воздушный поток.

Например, серверы высокопроизводительных вычислений (HPC) вместе с графическими процессорами выделяют гораздо больше тепла по сравнению с обычными серверами, поэтому в таких случаях может потребоваться использование системы охлаждения непосредственно на кристалле или погружной системы охлаждения вместо обычного воздушного механизма охлаждения.

Кроме того, некоторые ИТ-инструменты могут предъявлять особые требования к охлаждению, например, к направлению воздушного потока спереди назад или сбоку на бок. Хорошая система охлаждения должна удовлетворять таким требованиям и обеспечивать правильную циркуляцию воздуха во всех серверных стойках.

Масштабируемость и будущий рост

Центры обработки данных - это динамичные среды, которые развиваются с течением времени, в них добавляется новое оборудование, а другое выводится из эксплуатации. Масштабируемость и гибкость должны учитываться при выборе методов охлаждения центров обработки данных, чтобы предвидеть будущие темпы роста или изменения в данном центре обработки данных.

Масштабируемое решение для охлаждения способно выдерживать повышенные тепловые нагрузки и плотность мощности, не требуя при этом значительных изменений в инфраструктуре и простоев. Это может быть достигнуто за счет использования модульных конструкций, когда даже после проектирования можно легко расширять систему шаг за шагом, например, добавляя дополнительное количество охладителей или повышая эффективность уже существующих систем.

Что еще более важно, решение для охлаждения должно быть достаточно гибким для работы с различными типами ИТ-оборудования и конфигурациями с широким диапазоном плотности стоек, схем воздушных потоков и требований к охлаждению, чтобы операторы центров обработки данных могли внедрять новые технологии или бизнес-модели, не беспокоясь об имеющейся инфраструктуре охлаждения.

Фактор	Метрика	Соображения
Тепловая нагрузка	Плотность мощности (ватты на квадратный фут или киловатты на стойку)	- Потребляемая мощность ИТ-системы- Желаемый температурный диапазон- Будущий рост и тепловые изменения
Энергоэффективность	- Коэффициент производительности (COP)- Эффективность использования мощности (PUE)	- Эффективность системы охлаждения - стратегии энергосбережения (например, естественное охлаждение, приводы с переменной скоростью)
Требования к ИТ-оборудованию	- Плотность мощности- Диапазон рабочих температур- Требования к воздушному потоку	- Потребности в охлаждении конкретного оборудования (например, серверов HPC, графических процессоров) - схемы воздушных потоков (спереди назад, сбоку вбок)
Масштабируемость и будущий рост	- Модульная конструкция - гибкость для размещения различных типов оборудования и расположения	-Способность справляться с высокими тепловыми нагрузками и повышенной плотностью мощности, а также с колебаниями технологических тенденций и требований бизнеса.

Компактные вентиляторы: универсальное решение для охлаждения центров обработки данных

Чтобы справиться с жарой, в центрах обработки данных используются ротационные системы кондиционирования, жидкостные змеевики, погружные и испарительные системы охлаждения. В зависимости от структуры, легко понять, что вентиляторы охлаждения на объекте являются критически важной инфраструктурой охлаждения ЦОД во многих из этих стратегий. Дополняя системы кондиционирования воздуха, помогая рассеивать тепло для компонентов с жидкостным охлаждением или способствуя воздушному потоку в гибридных системах, вентиляторы охлаждения являются вездесущими и действительно необходимыми в управлении тепловым режимом центра обработки данных.

Преимущества компактных охлаждающих вентиляторов

Компактные охлаждающие вентиляторы, такие как муфельные вентиляторы и другие вентиляторы и воздуходувки, являются универсальным и экономически эффективным решением для охлаждения центров обработки данных. Эти вентиляторы предназначены для целенаправленного охлаждения определенных компонентов или зон в центре обработки данных, дополняя основную систему охлаждения.

Гибкость компактных охлаждающих вентиляторов - одно из их главных достоинств. Их можно устанавливать в различных местах, например в серверных стойках, хот-спотах или там, где пространство ограничено. Это позволяет руководителям центров обработки данных сосредоточиться на конкретных зонах с высокими температурными требованиями и оптимизировать воздушный поток.

Еще один плюс этих компактных охлаждающих вентиляторов - низкое энергопотребление. Следовательно, поскольку они охлаждают только определенные точки, локализация работы, которую выполняла центральная система кондиционирования, приводит к снижению энергопотребления в целом при использовании этого метода. Среди современных вентиляторов также есть варианты с регуляторами скорости и интеллектуальным управлением мощностью, которые регулируют их производительность в зависимости от температуры и скорости воздушного потока в реальном времени.

Применение охлаждающих вентиляторов в центрах обработки данных

В зависимости от потребностей в охлаждении центров обработки данных отдельных компаний и особенностей их инфраструктуры, в различных областях применения требуются компактные охлаждающие вентиляторы. К числу наиболее распространенных вариантов использования относятся:

Охлаждение на уровне стоек: Улучшить поток воздуха через стойки можно, установив на них вентиляторы, которые эффективнее удаляют горячий воздух, чтобы тепло не концентрировалось в определенных местах, создавая холодные зоны, в то время как другие остаются нагретыми.

Устранение горячих точек: области, склонные к большому накоплению тепла, например, рядом с плотно расположенными серверами или в помещениях с недостаточной циркуляцией воздуха; в них специально устанавливаются компактные вентиляторы, чтобы предотвратить перегрев.

Избыточность и резервное копирование: В случае любых возможных обстоятельств, таких как техническое обслуживание или выход из строя основных систем, требуется дополнительная охлаждающая жидкость, поэтому эти электронные устройства должны иметь дополнительные охлаждающие устройства, встроенные в них в качестве резервных мер.

Оптимизация воздушного потока: Размещая мощные регулируемые осевые вентиляторы в стратегически важных местах центров обработки данных, можно добиться идеальной схемы воздушного потока и устранить все "мертвые зоны". Таким образом, холодный воздух распределяется более равномерно, а горячий воздух быстро удаляется.

Ожидается, что будущее компактных охлаждающих вентиляторов при проектировании систем охлаждения и питания центров обработки данных будет расширяться по мере того, как центры обработки данных будут меняться, а требования к электропитанию и охлаждению в них будут становиться все более разнообразными. Эти устройства обеспечивают направленный энергоэффективный гибкий ответ на такие разнообразные требования, позволяя реализовать оптимальные стратегии терморегулирования, разработанные такими серверными организациями, которые гарантируют надежную высокопроизводительную работу.

Индивидуальные решения по охлаждению: Удовлетворение уникальных потребностей центров обработки данных

Учитывая разнообразие и сложность сред центров обработки данных, большинство универсальных стратегий охлаждения вряд ли можно назвать достаточными. В настоящее время большинство производителей холодильного оборудования предлагают решения, созданные специально для конкретного центра обработки данных. Такие решения включают в себя комбинации типов и размеров вентиляторов, а также систем управления для удовлетворения определенных специальных требований к охлаждению.

Некоторые компании, например, выпускают широкую линейку осевых вентиляторов для эффективного охлаждения центров обработки данных. ACDCFAN предлагает широкий ассортимент осевых вентиляторов, предназначенных для эффективного охлаждения в центрах обработки данных, таких как вентиляторы переменного тока, постоянного тока и EC. Они предлагают продукцию, подходящую для различных применений, включая охлаждение на уровне стойки или оптимизацию воздушного потока внутри серверных шкафов. Чтобы помочь им поддерживать оптимальный уровень температуры и достичь надежности в работе, мы адаптируем наши услуги OEM/ODM/OBM в соответствии с местными условиями, с которыми сталкиваются различные глобальные центры обработки данных.

Экологически чистое охлаждение центров обработки данных

Заключение

Для обеспечения превосходного качества обслуживания, надежности и минимизации потерь электроэнергии в современных центрах обработки данных необходимо уделять особое внимание тепловыделению, поскольку потребность в вычислительной мощности растет на фоне снижения затрат на охрану окружающей среды, что делает инновационные устойчивые решения для охлаждения центров обработки данных неизбежными.

Операторы, которые понимают основы охлаждения центров обработки данных, такие как источники тепла и различные способы сохранения прохлады, выберут наиболее практичные подходы к поддержанию нужной температуры в этих помещениях, снижая уровень потребления энергии в жаркие и холодные сезоны в зависимости от географического положения на поверхности Земли, который в противном случае может увеличиваться в зависимости от количества используемых источников питания, оптимального использования площади и т. д.. Варианты включают в себя передовые технологии кондиционирования воздуха для внутренних блоков (AC IDU), жидкостные технологии охлаждения, компактные вентиляторные охладители и другие типы, как некоторые конкретные типы, включая упомянутые выше, однако существует и несколько других, каждый из которых отвечает определенным требованиям и бюджетам центров обработки данных.

Рынок систем охлаждения центров обработки данных постоянно меняется. Чтобы оставаться компетентными в индустрии центров обработки данных, операторам необходимо следить за последними тенденциями и инновациями в области проектирования и технологий охлаждения центров обработки данных. Инвестируя в правильные решения для охлаждения и используя эффективные стратегии терморегулирования, центры обработки данных могут повысить производительность, сократить потребление энергии и работать надежно и устойчиво в течение многих лет.

Вопросы и ответы

Как часто следует обслуживать системы охлаждения?

Регулярное техническое обслуживание имеет решающее значение для оптимальной работы и эффективности систем охлаждения центров обработки данных. Частота технического обслуживания зависит от типа системы охлаждения, условий эксплуатации и рекомендаций производителя. Однако вот некоторые общие рекомендации для операторов центров обработки данных:

Ежемесячно:

Осмотрите и очистите воздушные фильтры.
Проверьте, нет ли утечек или необычных звуков.
Убедитесь, что температура и влажность находятся в допустимых пределах.

Квартал:

Проведите тщательный осмотр холодильного оборудования, включая вентиляторы, змеевики и конденсаторы.
Проверьте, нет ли признаков износа или повреждений.
При необходимости смазывайте движущиеся части.

Ежегодно:

Проведите комплексное техническое обслуживание.
Очистите и откалибруйте датчики.
Испытайте системы управления.
Оцените общую производительность и эффективность системы охлаждения.

Соблюдая регулярный график технического обслуживания и оперативно устраняя любые неполадки, операторы центров обработки данных могут свести к минимуму риск сбоев в работе системы охлаждения. Это продлевает срок службы оборудования и обеспечивает оптимальную работу системы терморегулирования.

Может ли искусственный интеллект повысить эффективность охлаждения центров обработки данных?

Да, технологии искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МЛ) могут значительно повысить эффективность управления тепловым режимом в центрах обработки данных. Благодаря использованию передовой аналитики и мониторинга в режиме реального времени решения для охлаждения на базе ИИ могут оптимизировать управление тепловым режимом, снизить энергопотребление и повысить общую производительность ЦОД.

Основные способы повышения эффективности охлаждения центров обработки данных с помощью искусственного интеллекта:

Предиктивное обслуживание:

Алгоритмы искусственного интеллекта могут анализировать данные датчиков и показатели производительности оборудования.

Они предсказывают, когда компоненты системы охлаждения могут выйти из строя, что позволяет проводить профилактическое обслуживание и сокращать время непредвиденных простоев.

Динамическая оптимизация охлаждения:

Системы управления на базе искусственного интеллекта могут непрерывно отслеживать состояние центров обработки данных.

Они регулируют параметры охлаждения в режиме реального времени, обеспечивая соответствие мощности охлаждения фактическим тепловым нагрузкам и минимизируя потери энергии.

Интеллектуальное размещение рабочей нагрузки:

Алгоритмы искусственного интеллекта могут анализировать характеристики рабочей нагрузки и тепловые профили.

Они оптимизируют размещение ИТ-оборудования в центре обработки данных, сводя к минимуму "горячие точки" и повышая общую эффективность охлаждения.

Улучшенное прогнозирование энергопотребления:

Модели искусственного интеллекта могут предсказывать будущие потребности в энергии для охлаждения на основе исторических данных и внешних факторов, таких как погодные условия.

Это позволяет операторам центров обработки данных оптимизировать стратегии закупок и управления энергопотреблением.

По мере развития технологий ИИ и ОД, их применение в охлаждении центров обработки данных будет становиться все более сложным и распространенным. Применяя эти инновационные решения, центры обработки данных смогут достичь новых уровней эффективности, устойчивости и производительности в своих стратегиях управления тепловым режимом.

Как центры обработки данных могут снизить воздействие на окружающую среду с помощью методов охлаждения?

Воздействие центров обработки данных на окружающую среду можно свести к минимуму с помощью нескольких эффективных методов охлаждения. Изначально замена блоков HVAC на более энергоэффективные модели также поможет снизить количество потребляемой энергии.

Приподнятые полы и оптимизация управления воздушными потоками могут помочь улучшить вентиляцию и тем самым предотвратить появление горячих точек, а также повысить эффективность охлаждения. Тем не менее, следует предусмотреть меры по ограничению горячих и холодных проходов, чтобы холодный воздух направлялся в определенные зоны, тем самым минимизируя нагрузку на системы охлаждения.

Энергопотребление может значительно снизиться, если использовать методы естественного охлаждения, такие как использование наружного воздуха, когда это позволяют условия. Кроме того, своевременное техническое обслуживание помогает поддерживать охлаждающее оборудование в рабочем состоянии, обеспечивая оптимальную производительность и энергоэффективность.

Эти методы способствуют устойчивому развитию центров обработки данных, сокращая общее энергопотребление и выбросы углекислого газа.