Hoe modulaire datacenters schaalbare koeling gebruiken
Modulaire datacenters Ze hervormen de werking van koelsystemen door prioriteit te geven aan schaalbaarheid en efficiëntie. In tegenstelling tot traditionele opstellingen vermijden deze centra overgedimensioneerde, ongebruikte koelcapaciteit door een aanpak te implementeren die gericht is op efficiëntie. ""Betalen naarmate je groeit"" model. Deze aanpak verlaagt het energieverbruik en de kosten, waarbij koeling 25–40% van het totale energieverbruik uitmaakt.
De belangrijkste strategieën omvatten:
- Modulair koelsysteemBegin klein en breid uit naar behoefte, om verspilling van middelen te voorkomen.
- Componenten met variabele snelheidCompressoren en ventilatoren passen hun vermogen aan de realtime vraag aan, waardoor het energieverbruik (PUE) daalt.
- Geavanceerde koelmethodenOpties zoals koelwatersystemen, directe vloeistofkoeling en dompelkoeling zijn geschikt voor werkzaamheden met een hoge dichtheid.
Bijvoorbeeld:
- Nauwkeurige luchtkoeling Geschikt voor gemiddelde behoeften met een PUE van 1,3–1,5.
- Dompelkoeling Ondersteunt extreem hoge vermogensdichtheden (100 kW+ per rack) met een PUE van slechts 1,02.
Deze systemen integreren ook hernieuwbare energie en zonegebaseerde koeling Voor nog meer efficiëntie, snelle implementatie en energiebesparing. Of het nu gaat om AI-workloads of edge computing, modulaire opstellingen bieden koeloplossingen op maat, terwijl de kosten en het energieverbruik worden verlaagd.
Modulaire, flexibele en schaalbare lucht- en vloeistofkoeling voor moderne datacenters | Vertiv™ CoolPhase
Kernprincipes van modulair koelontwerp
Schaalbare koeling in modulaire datacenters is gebaseerd op twee kernideeën: modulaire constructie en on-the-fly outputaanpassingen. Gezamenlijk helpen deze principes om verspilling te verminderen en de efficiëntie te verbeteren.
Modulair ontwerp voor uitbreiding
Zie modulair ontwerp als een "bouwsteen"-aanpak. Gebruikers kunnen beginnen met precies wat ze nodig hebben en uitbreiden naarmate de IT-behoeften toenemen. In plaats van in één keer een enorm koelsysteem te installeren dat vervolgens ongebruikt blijft, kunt u met modulaire systemen naar behoefte extra modules toevoegen. Dit voorkomt het probleem van apparatuur die onnodig energie verbruikt.
Neem bijvoorbeeld het AIRSYS Optima2™-systeem. Dat biedt de mogelijkheid tot maximaal... 16 eenheden Om zowel onafhankelijk als als een samenhangend systeem te functioneren. Wanneer de vraag toeneemt, kunnen beheerders naadloos meer modules toevoegen via gestandaardiseerde verbindingen. Bill Kosik, een energie-ingenieur voor datacenters, wijst erop dat hoewel het toevoegen van redundantie aan elke module de complexiteit kan verhogen, de voordelen duidelijk zijn: onderling verbonden modules kunnen reservecapaciteit delen, waardoor de uptime gegarandeerd is zonder dat een grote, redundante centrale installatie nodig is.
Deze modulaire aanpak pakt ook een andere uitdaging aan: het tekort aan arbeidskrachten. In de fabriek geasfalteerde koelunits worden aangeleverd. vooraf getest en in bedrijf gesteld, waardoor vertragingen en mogelijke fouten bij bouwwerkzaamheden op locatie worden voorkomen. Voor afgelegen gebieden met beperkte toegang tot gekwalificeerde technici is deze plug-and-play-oplossing vaak de meest praktische keuze.
Maar fysieke modulariteit is slechts de helft van het verhaal. Efficiëntie hangt ook af van componenten die zich in realtime kunnen aanpassen.
Variabele-snelheidscomponenten voor vraagsturing
Compressoren, ventilatoren en pompen met variabele snelheid vormen de ruggengraat van schaalbare koelsystemen. In tegenstelling tot units met een vaste snelheid die op een alles-of-niets-manier werken – wat energieverspilling en slijtage van apparatuur veroorzaakt – passen componenten met variabele snelheid hun vermogen continu aan de actuele warmtebelasting aan. Wanneer IT-apparatuur koeler draait, schakelen deze componenten terug. Wanneer de werkbelasting toeneemt, schakelen ze dienovereenkomstig op.
""Compressoren en ventilatoren met variabele snelheid zijn cruciale onderdelen van schaalbare koelsystemen. In tegenstelling tot traditionele units met een vaste snelheid, kunnen compressoren en ventilatoren met variabele snelheid hun vermogen aanpassen aan de realtime koelbehoefte, waardoor een nauwkeurige temperatuurregeling mogelijk is." – AIRSYS
Deze realtime aanpasbaarheid zorgt ervoor dat Energieverbruikseffectiviteit (PUE) laag, zelfs wanneer het datacenter niet op volle capaciteit draait. In N+2 modulaire opstellingen werkt elke unit efficiënt bij deellast, waardoor ze beter presteren dan traditionele systemen met één koeler. Door de output continu aan te passen aan de vraag, helpen componenten met variabele snelheid de PUE te verlagen, de operationele kosten te reduceren, de levensduur van apparatuur te verlengen en IT-hardware te beschermen tegen schadelijke temperatuurschommelingen.
Sleuteltechnologieën voor schaalbare koeling
Modulaire koeltechnologieën voor datacenters: vergelijking van efficiëntie en dichtheid
Modulaire datacenters maken gebruik van op maat gemaakte koeloplossingen om te voldoen aan de uiteenlopende dichtheid en vraag, waardoor het voor beheerders gemakkelijker wordt om de beste optie voor hun behoeften te kiezen.
Nauwkeurige luchtkoeling is vaak het eerste waar men naar kijkt. De AIRSYS Optima2™ heeft bijvoorbeeld een PUE (Power Usage Effectiveness) van 1,3–1,5, waardoor deze geschikt is voor racks met een lage tot gemiddelde dichtheid. Het levert betrouwbare prestaties bij verschillende workloads. Hoewel luchtkoeling efficiënt is, schiet het bij een hoge dichtheid tekort in vergelijking met vloeistofkoelingssystemen.
Koelwatersystemen Deze systemen worden steeds populairder voor configuraties met een hoge dichtheid. Door de koelingscomponenten buiten de serverruimte te plaatsen, worden risico's zoals lekkage van koelmiddel verminderd en zijn flexibele leidingconfiguraties mogelijk. Jorge Aguilar van Vertiv benadrukt de groeiende aantrekkingskracht: "Gekoeld water wordt de voorkeursmethode voor grootschalige en krachtige computertoepassingen." Met een gedeeltelijke PUE van minder dan 1,1 presteren deze systemen goed in open ruimtes, waardoor ze ideaal zijn voor modulaire uitbreidingen. Wanneer de eisen aan de dichtheid toenemen, worden vloeistofgebaseerde oplossingen essentieel.
Voor workloads met een extreem hoge dichtheid, zoals AI en high-performance computing, directe vloeistofkoeling en onderdompelingskoeling De focus komt te liggen op direct-to-chip-systemen. Deze systemen gebruiken koelplaten met speciale vloeistofkanalen om warmte direct bij de bron af te voeren. Het HoMEDUCS-project is bijvoorbeeld ontworpen om minder dan 51 TP3T aan totaal vermogen te gebruiken voor koeling, zonder water te verbruiken. Immersion cooling gaat nog een stap verder door complete servers onder te dompelen in een diëlektrische vloeistof. Dit maakt ventilatoren en koelplaten overbodig. Een opmerkelijk voorbeeld is de implementatie door KDDI Corporation bij GIGABYTE in 2022-2023, waarbij een PUE van slechts 1,02 werd behaald met ondersteuning voor dichtheden tot 100 kW per rack. Deze methode verlengde niet alleen de levensduur van de hardware met 301 TP3T, maar verminderde ook het aantal storingen met 601 TP3T, dankzij de afwezigheid van trillingen en temperatuurschommelingen.
| Technologie | Efficiëntie (PUE) | Dichtheidsondersteuning | Belangrijkste schaalbaarheidsfunctie |
|---|---|---|---|
| Nauwkeurige luchtkoeling | 1.3–1.5 | Laag tot matig | Modulaire "uitbreidingseenheden" |
| Koelwatersystemen | <1,1 pPUE | Matig tot hoog | Centrale buitenunits; flexibele leidingen |
| Directe vloeistofkoeling | <1.05 | Hoog | Directe warmteafvoer op chipniveau |
| Onderdompelingskoeling | ~1.02 | Zeer hoog (100 kW+) | Ventilatorloos ontwerp; 2x hogere knoopdichtheid |
Naast deze gevestigde methoden, stralingskoeling Het biedt een duurzaam alternatief, met name in gebieden met beperkte watervoorraden. Stralingskoelingspanelen kunnen de temperatuur van vloeistoffen verlagen tot onder het omgevingsniveau – zelfs in direct zonlicht – door warmte de ruimte in te stralen zonder elektriciteit nodig te hebben. Het HoMEDUCS-project integreert Skycool-stralingskoelingspanelen op de daken van de modules, wat een milieuvriendelijk voordeel oplevert voor modulaire opstellingen in waterarme regio's.
sbb-itb-59e1987
Implementatiestrategieën in modulaire opstellingen
Gestandaardiseerde interfaces voor stroomvoorziening en koeling
Een van de belangrijkste voordelen van modulaire datacenters is hun plug-and-play-ontwerp. Deze in de fabriek geassembleerde modules worden geleverd met gestandaardiseerde, vooraf geteste interfaces, wat betekent dat er ter plaatse alleen basisaansluitingen voor stroom en netwerk nodig zijn. Deze gestroomlijnde aanpak elimineert de noodzaak voor complexe elektrische en leidingwerkzaamheden ter plaatse, waarvoor vaak gespecialiseerd personeel nodig is.
""Door te kiezen voor een geprefabriceerde bouwmethode ligt het ontwerp vooraf vast, waardoor wijzigingsopdrachten overbodig zijn." – PCX Corp
Gestandaardiseerde interfaces bieden u ook de mogelijkheid om schaal de koelcapaciteit efficiënt, waardoor snellere en kosteneffectievere implementaties mogelijk zijn. Dankzij gemeenschappelijke interfaces kunnen modules naadloos met elkaar worden verbonden en reservecapaciteit binnen de faciliteit worden gedeeld. Dit garandeert een hoge betrouwbaarheid en voorkomt de noodzaak voor redundante apparatuur.
Een "module-in-een-module"-strategie werkt het beste wanneer de voedings- en koelmodules zijn opgebouwd uit componenten van gelijke grootte. Deze uniformiteit vereenvoudigt niet alleen toekomstige uitbreidingen, maar maakt ook de onderhoudstraining voor uw team eenvoudiger. Zodra de interfaces zijn gestandaardiseerd, is de volgende stap het uitvoeren van een nauwkeurige luchtstroomanalyse om uw modulaire opstelling verder te verfijnen.
Computationele vloeistofdynamica voor luchtstroomoptimalisatie
Na het vaststellen van gestandaardiseerde implementatieprocedures wordt Computational Fluid Dynamics (CFD)-modellering een essentieel hulpmiddel voor het optimaliseren van de luchtstroom in modulaire opstellingen. CFD maakt het mogelijk om luchtbewegingen te analyseren. voordat Door fysieke apparatuur in te zetten, kunnen twee veelvoorkomende problemen worden opgespoord: kortsluiting (waarbij koude lucht servers omzeilt en ongebruikt terugkeert) en gerecirculeerde warme lucht die kan leiden tot hotspots op servers.
In modulaire omgevingen fungeert CFD als een bescherming tegen inefficiënties en risico's. Je kunt verschillende operationele scenario's simuleren en alternatieve lay-outs virtueel testen, wat vooral handig is bij het plannen voor situaties waarin een koelsysteem mogelijk uitvalt.
""Wanneer deze scenario's worden gemodelleerd en geanalyseerd, zullen de resultaten de optimalisatiestrategieën verduidelijken en latere technische en financiële analyses mogelijk maken." – Bill Kosik, energie-ingenieur voor datacenters
Met behulp van CFD-gegevens kunt u belangrijke elementen zoals de plaatsing van geperforeerde vloertegels nauwkeurig afstellen en luchtstroombelemmeringen identificeren die worden veroorzaakt door kabels, draden of leidingen in verhoogde vloeren of plafondruimtes. Bovendien zorgt het aanpassen van de instelpunten van de CRAC/CRAH-koelwaterkleppen op basis van de werkelijke inlaattemperaturen van de racks voor een grotere precisie. Door deze aanpak te combineren met ventilatoren met variabele snelheid die zich dynamisch aanpassen aan de voorspelde vraag, kunnen gedeeltelijke PUE-waarden onder de 1,1 worden bereikt, wat de efficiëntie aanzienlijk verbetert.
Voordelen en optimalisatie voor de bedrijfsvoering
Een lagere PUE bereiken door integratie van hernieuwbare energiebronnen
Koelsystemen zijn verantwoordelijk voor 25–401 TP3T van het energieverbruik van een datacenter. Door schaalbare koeloplossingen te combineren met hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- of windenergie, kunnen beheerders het indirecte waterverbruik en de operationele kosten aanzienlijk verlagen. In tegenstelling tot kolencentrales, die grote hoeveelheden water vereisen, hebben zonne- en windenergie geen water nodig.
Het HoMEDUCS-project aan UC Davis liet zien hoe de integratie van Skycool-panelen met polymeerwarmtewisselaars en koelplaten het energieverbruik voor koeling kan terugbrengen tot minder dan 51 TP3T aan totaal vermogen, en dat alles zonder water te gebruiken. Dr. Narayanan legde de wetenschap hierachter uit:
""Als een computerchip 80 graden Celsius is, zelfs als de buitentemperatuur 40 graden Celsius is... dan kan dat [temperatuurverschil] gebruikt worden om de warmte van de chip af te voeren.""
Deze op hernieuwbare energie gebaseerde ontwerpen openen de deur naar geavanceerde koelconfiguraties. Een goed voorbeeld is Vertiv's SmartMod Max, dat gebruikmaakt van HFO-mengsels als koelmiddel en gecentraliseerde buitencomponenten om een gedeeltelijke PUE van minder dan 1,1 te bereiken, zelfs bij hoge AI-belastingen. Door in de fabriek geassembleerde componenten af te stemmen op de voorspelde belasting, elimineert dit systeem verspilde capaciteit. Verdere optimalisaties, zoals thermische opslagtanks, kunnen de koelbehoefte verschuiven naar daluren, wanneer hernieuwbare energie ruimer beschikbaar is of de buitentemperaturen lager zijn.
Zonegebaseerde koeling voor variërende rackdichtheden
Het aanpassen van koelstrategieën aan de werkbelasting is een andere manier om de bedrijfsvoering te optimaliseren. Zonegebaseerde koeling zorgt voor efficiënt energiegebruik door koelmethoden af te stemmen op specifieke warmtebelastingen. Bijvoorbeeld:
- Koeling binnen de rij Werkt goed voor racks die 10-20 kW aan warmte genereren.
- Passieve warmtewisselaars in de achterdeur Geschikt voor belastingen van 20–30 kW.
- Vloeistofonderdompelingskoeling is ideaal voor racks met een vermogen van meer dan 50 kW.
Bovendien kan het afschermen van warme en koude gangen het energieverbruik van de koelinstallatie met maximaal 201 TP3T verminderen. Om de efficiëntie te maximaliseren, installeert u geperforeerde vloertegels in de koude gangen en stemt u de luchtstroom af op de specifieke behoeften van de apparatuur. Gebruik sensoren bij de inlaat van de racks voor nauwkeurige temperatuurmetingen in plaats van te vertrouwen op de algemene ruimtetemperatuur, en rust de koelventilatoren uit met frequentieomvormers (VFD's) om dynamisch te reageren op de hoogste inlaattemperatuur die in elke zone is gemeten.
De Nationaal laboratorium van de Rocky Mountains Dit biedt een overtuigend voorbeeld van hoe deze strategieën in de praktijk werken. Door gebruik te maken van een hybride systeem dat directe vloeistofkoeling combineert met luchtgekoelde warmteafvoer en een open koeltoren, behaalden ze een indrukwekkende PUE van 1.06 en een watergebruikseffectiviteit van 0.7. Dit illustreert hoe op maat gemaakte, zonespecifieke koeloplossingen zowel energie-efficiëntie als waterbesparing kunnen opleveren wanneer ze zijn ontworpen om te passen bij het specifieke dichtheidsprofiel van een gebouw.
Conclusie
Schaalbare koeling verandert de manier waarop modulaire datacenters efficiënt werken en groeien. Door de koelcapaciteit af te stemmen op de werkelijke IT-belasting, kunnen beheerders de verspilling van middelen die kenmerkend is voor traditionele opstellingen vermijden. Dit maakt snellere implementaties mogelijk en verlaagt de initiële kosten.
Voor AI-workloads met een hoge dichtheid zijn vloeistof- en immersiekoeling baanbrekend. Deze methoden kunnen de intense hitte aan die luchtkoelingssystemen moeilijk aankunnen. Immersiekoeling kan met name een indrukwekkende PUE van slechts 1,02 bereiken, terwijl het ook de operationele kosten verlaagt en de levensduur van de hardware verlengt. Hoewel het een hogere investering vooraf vereist, maken de voordelen op de lange termijn het een slimme keuze.
Duurzaamheid is een ander belangrijk voordeel. Geavanceerde systemen zoals stralingskoelingspanelen en gesloten warmtewisselaars maken water overbodig, waardoor de milieuproblemen die gepaard gaan met verdampingskoeling worden vermeden – vooral belangrijk in gebieden die door droogte worden getroffen. In combinatie met hernieuwbare energie kunnen deze oplossingen het energieverbruik voor koeling terugbrengen tot minder dan 51 ton, een aanzienlijke daling ten opzichte van de gebruikelijke 25-40 ton. Dit efficiëntieniveau is niet alleen gunstig voor het milieu, maar verhoogt ook de operationele flexibiliteit.
Het modulaire ontwerp van schaalbare koelsystemen verbetert de aanpasbaarheid nog verder. Koelunits kunnen zonder onderbrekingen worden toegevoegd, vervangen of onderhouden, waardoor het eenvoudig is om in te spelen op veranderende IT-behoeften. Aangezien de wereldwijde koelbehoefte naar verwachting met 451 TP3T zal toenemen tegen 2050, is deze flexibiliteit niet langer een optie, maar een noodzaak om de concurrentie voor te blijven.
Door vandaag te kiezen voor schaalbare koeloplossingen zorgt u ervoor dat datacenters efficiënt en toekomstbestendig blijven. Of het nu gaat om in-row koeling voor gemiddelde workloads of immersiesystemen voor high-performance computing, deze oplossingen op maat bieden direct voordelen zonder dat dure upgrades nodig zijn.
Serverion integreert deze geavanceerde koelstrategieën in hun modulaire datacenters, waardoor zowel efficiëntie als duurzaamheid worden gewaarborgd. Ga voor meer informatie naar Serverion.
Veelgestelde vragen
Wat zijn de voordelen van schaalbare koelsystemen in modulaire datacenters?
Schaalbare koelsystemen maken het voor modulaire datacenters mogelijk om efficiënt in te spelen op veranderende rekenbehoeften door de koelcapaciteit af te stemmen op de huidige workloads. Deze systemen, opgebouwd uit modulaire en redundante componenten, stellen beheerders in staat om de infrastructuur – zoals koelinstallaties of luchtbehandelingsunits – uit te breiden of aan te passen zonder bestaande apparatuur te hoeven vervangen. Deze aanpak garandeert optimale prestaties vandaag de dag en biedt tegelijkertijd ruimte voor toekomstige groei.
Een van de grootste voordelen van schaalbare koeling is het vermogen om het energieverbruik te verlagen, wat direct leidt tot lagere elektriciteitskosten en een vermindering van de CO2-uitstoot. Aangezien koeling tot wel 401 TP3T aan stroom kan verbruiken in een datacenter, is dit een baanbrekende ontwikkeling. Naast energiebesparing verminderen hoogefficiënte systemen zoals koelwatercircuits ook het waterverbruik – een bijzonder belangrijk aspect in waterarme gebieden zoals het zuidwesten van de VS. Modulaire ontwerpen dragen hier verder aan bij door overcapaciteit te voorkomen, waardoor organisaties de capaciteit stapsgewijs kunnen opschalen om te voldoen aan de eisen van workloads met een hoge dichtheid, terwijl de betrouwbaarheid gewaarborgd blijft. Serverion integreert deze geavanceerde koeltechnologieën in zijn modulaire datacenters en levert zo energiezuinige en hoogwaardige hostingdiensten in de hele Verenigde Staten.
Wat zijn de voordelen van het gebruik van componenten met variabele snelheid in modulaire koelsystemen voor datacenters?
Componenten met variabele snelheid – zoals ventilatoren, pompen en compressoren – stellen modulaire datacenters in staat om de koelcapaciteit dynamisch aan te passen aan de werkelijke IT-belasting. In plaats van constant te draaien, kunnen deze componenten naar behoefte op- of afschakelen. Het resultaat? Minder energieverspilling en verbeterde prestaties. Energieverbruikseffectiviteit (PUE), lagere elektriciteitsrekeningen en een kleinere ecologische voetafdruk door minder waterverbruik en CO2-uitstoot.
Naast energiebesparing bieden deze systemen nauwkeurige temperatuurregeling, waardoor overkoeling of hotspots die apparatuur kunnen beschadigen, worden voorkomen. Bovendien gaan deze componenten, door de lagere mechanische belasting, langer mee en vereisen ze minder onderhoud. Naarmate de eisen van datacenters toenemen, kunnen systemen met variabele snelheid zich aanpassen door simpelweg de snelheid van de componenten te wijzigen – waardoor kostbare upgrades overbodig worden.
Waarom is immersiekoeling ideaal voor workloads met een hoge dichtheid?
Immersion cooling is uitermate geschikt voor workloads met een hoge dichtheid, omdat het de warmte efficiënt van servercomponenten afvoert door ze onder te dompelen in een niet-geleidende vloeistof. Hierdoor zijn traditionele koelsystemen zoals ventilatoren en koelplaten overbodig, wat een hogere concentratie aan rekenkracht per rack mogelijk maakt.
Bovendien maakt deze aanpak het mogelijk om servers op hogere temperaturen te laten draaien zonder dat dit ten koste gaat van de energie-efficiëntie. Dit verbetert niet alleen de CPU-prestaties, maar maakt immersiekoeling ook een uitstekende keuze om te voldoen aan de strenge eisen van moderne, krachtige datacenters.
