Как модульные центры обработки данных используют масштабируемое охлаждение
Модульные центры обработки данных Эти центры меняют принципы работы систем охлаждения, отдавая приоритет масштабируемости и эффективности. В отличие от традиционных систем, они избегают избыточных, простаивающих мощностей охлаждения, внедряя "плати по мере роста" модель. Такой подход снижает энергопотребление и затраты, при этом на охлаждение приходится 25–401 тонно-3 тонны от общего потребления энергии.
Ключевые стратегии включают в себя:
- Модульная конструкция системы охлажденияНачните с малого и расширяйтесь по мере необходимости, избегая нерационального использования ресурсов.
- Компоненты с регулируемой скоростьюКомпрессоры и вентиляторы регулируют мощность в соответствии с текущим спросом, что снижает эффективность использования электроэнергии (PUE).
- Передовые методы охлажденияТакие варианты, как системы охлаждения с использованием охлажденной воды, прямое жидкостное охлаждение и иммерсионное охлаждение, подходят для работы с высокой плотностью нагрузок.
Например:
- Прецизионное воздушное охлаждение Подходит для людей со средними потребностями, показатель PUE составляет 1,3–1,5.
- Погружное охлаждение Поддерживает экстремально высокую плотность размещения (более 100 кВт на стойку) с показателем PUE всего 1,02.
Эти системы также интегрируют возобновляемая энергия а также зональное охлаждение для повышения эффективности, обеспечения быстрого развертывания и экономии энергии. Независимо от того, обрабатываете ли вы задачи искусственного интеллекта или выполняете граничные вычисления, модульные системы обеспечивают индивидуальные решения для охлаждения, одновременно снижая затраты и энергопотребление.
Модульные, гибкие, масштабируемые системы воздушного и жидкостного охлаждения для современных центров обработки данных | Vertiv™ CoolPhase
Основные принципы модульного проектирования систем охлаждения
Масштабируемая система охлаждения в модульных центрах обработки данных основана на двух ключевых идеях: модульное строительство а также регулировка выходного сигнала в режиме реального времени. Вместе эти принципы помогают сократить потери и повысить эффективность.
Модульная конструкция для расширения
Модульная конструкция — это подход "строительных блоков". Операторы могут начать с того, что им нужно, и расширять систему по мере роста потребностей в ИТ. Вместо установки громоздкой системы охлаждения, которая простаивает без дела, модульные системы позволяют добавлять блоки по мере необходимости. Это позволяет избежать проблемы простаивающего оборудования, потребляющего энергию без всякой цели.
Возьмем, к примеру, систему AIRSYS Optima2™. Она позволяет достичь следующих показателей: 16 единиц Они могут функционировать как независимо, так и в составе единой системы. При росте спроса операторы могут беспрепятственно добавлять новые модули через стандартизированные соединения. Билл Косик, инженер по энергетике центров обработки данных, отмечает, что, хотя добавление резервирования к каждому модулю может увеличить сложность, преимущества очевидны: взаимосвязанные модули могут совместно использовать резервную мощность, обеспечивая бесперебойную работу без необходимости в крупной, резервной центральной электростанции.
Такой модульный подход также решает еще одну проблему: нехватку рабочей силы. Холодильные установки заводской сборки поставляются прямо на место. предварительно протестировано и введено в эксплуатацию, Это позволяет избежать задержек и потенциальных ошибок, связанных со строительством на месте. Для отдаленных районов с ограниченным доступом к квалифицированным специалистам это готовое к использованию решение часто является наиболее практичным выбором.
Однако физическая модульность — это лишь половина дела. Эффективность также зависит от компонентов, способных адаптироваться в режиме реального времени.
Компоненты с регулируемой скоростью для регулирования спроса
Компрессоры, вентиляторы и насосы с регулируемой скоростью являются основой масштабируемых систем охлаждения. В отличие от устройств с фиксированной скоростью, работающих по принципу «всё или ничего» — что приводит к потере энергии и износу оборудования, — компоненты с регулируемой скоростью непрерывно регулируют свою мощность в соответствии с текущей тепловой нагрузкой. Когда ИТ-оборудование работает с меньшим нагревом, мощность этих компонентов снижается. Когда нагрузка возрастает, мощность соответственно увеличивается.
"Компрессоры и вентиляторы с регулируемой скоростью вращения являются важнейшими компонентами масштабируемых систем охлаждения. В отличие от традиционных агрегатов с фиксированной скоростью, компрессоры и вентиляторы с регулируемой скоростью могут изменять свою производительность в зависимости от потребностей в охлаждении в режиме реального времени, обеспечивая точный контроль температуры". – AIRSYS
Эта адаптивность в режиме реального времени обеспечивает Эффективность использования энергии (PUE) Низкий уровень энергопотребления даже при работе центра обработки данных не на полную мощность. В модульных конфигурациях N+2 каждый блок эффективно работает при частичной нагрузке, превосходя традиционные системы с одним чиллером. Благодаря непрерывному согласованию выходной мощности с потребностью, компоненты с регулируемой скоростью помогают снизить показатель PUE, сократить эксплуатационные расходы, продлить срок службы оборудования и защитить ИТ-оборудование от вредных перепадов температуры.
Ключевые технологии для масштабируемого охлаждения
Модульные технологии охлаждения центров обработки данных: сравнение эффективности и плотности размещения оборудования.
Модульные центры обработки данных полагаются на индивидуально разработанные решения по охлаждению, которые соответствуют различной плотности размещения оборудования и потребностям, что упрощает операторам выбор оптимального варианта для своих нужд.
Прецизионное воздушное охлаждение Часто именно с воздушного охлаждения начинают отталкиваться. Например, AIRSYS Optima2™ обеспечивает показатель PUE (эффективность использования энергии) 1,3–1,5, что делает его подходящим для низкой и средней плотности размещения оборудования в стойках. Он обеспечивает надежную работу при различных нагрузках. Однако, хотя воздушное охлаждение эффективно, в сценариях с высокой плотностью размещения оно уступает жидкостным системам.
Системы охлажденной воды Системы охлаждения становятся все более популярными для конфигураций с высокой плотностью размещения оборудования. В таких системах компоненты охлаждения выносятся за пределы серверного пространства, что снижает риски, такие как утечки хладагента, и позволяет гибко настраивать трубопроводы. Хорхе Агилар из Vertiv подчеркивает их растущую популярность, заявляя: "Охлажденная вода становится предпочтительным методом охлаждения для крупномасштабных и высокопроизводительных вычислительных приложений". Благодаря частичному показателю PUE менее 1,1, эти системы хорошо работают в открытых помещениях, что делает их идеальными для модульного расширения. Когда требования к плотности размещения оборудования возрастают, решения на основе жидких охлаждающих жидкостей становятся необходимыми.
Для задач с экстремально высокой плотностью нагрузки, таких как искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления, прямое жидкостное охлаждение а также иммерсионное охлаждение В центре внимания оказываются системы прямого охлаждения на чипе. В них используются охлаждающие пластины со специальными жидкостными каналами для отвода тепла непосредственно от источника. Например, проект HoMEDUCS разработан таким образом, чтобы потреблять менее 51 тонны общей мощности на охлаждение, не используя при этом воду. Иммерсионное охлаждение идет еще дальше, погружая целые серверы в диэлектрическую жидкость. Это исключает необходимость в вентиляторах и радиаторах. Ярким примером является развертывание системы компанией KDDI Corporation совместно с GIGABYTE в 2022-2023 годах, в результате которого был достигнут показатель PUE всего 1,02 при поддержке плотности размещения до 100 кВт на стойку. Этот метод не только увеличил срок службы оборудования на 301 тонну, но и снизил частоту отказов на 601 тонну благодаря отсутствию вибрации и колебаний температуры.
| Технологии | КПД (PUE) | Поддержка плотности | Ключевая функция масштабируемости |
|---|---|---|---|
| Прецизионное воздушное охлаждение | 1.3–1.5 | От низкого до среднего | Модульные блоки, которые можно добавлять по мере роста. |
| Системы охлажденной воды | <1.1 pPUE | Умеренный до высокого | Централизованные наружные блоки; гибкие трубопроводы |
| Прямое жидкостное охлаждение | <1.05 | Высокий | Прямой отвод тепла на уровне микросхемы. |
| Охлаждение погружением | ~1.02 | Очень высокая мощность (100 кВт+) | Безвентиляторная конструкция; двукратное увеличение плотности узлов. |
В дополнение к этим устоявшимся методам, радиационное охлаждение Предлагает устойчивую альтернативу, особенно в районах с ограниченными водными ресурсами. Панели радиационного охлаждения могут снижать температуру жидкости ниже температуры окружающей среды – даже под прямыми солнечными лучами – за счет излучения тепла в пространство без использования электроэнергии. В проекте HoMEDUCS используются панели радиационного охлаждения Skycool на крышах модулей, что обеспечивает экологически безопасное решение для модульных систем в регионах с дефицитом воды.
sbb-itb-59e1987
Стратегии внедрения в модульных системах
Стандартизированные интерфейсы для питания и охлаждения
Одним из главных преимуществ модульных центров обработки данных являются их конструкция «включай и работай». Эти модули заводской сборки поставляются со стандартизированными, предварительно протестированными интерфейсами, а это значит, что на месте требуется лишь базовое подключение к электросети и сети. Такой упрощенный подход исключает необходимость сложных электромонтажных и трубопроводных работ на месте, которые часто требуют привлечения специалистов.
"Использование подхода к сборному строительству позволяет заранее определить проектную документацию, что исключает необходимость внесения изменений в проект". – PCX Corp.
Стандартизированные интерфейсы также позволяют вам эффективно масштабировать мощность охлаждения, Это позволяет осуществлять более быстрое и экономичное развертывание. Благодаря общим интерфейсам модули могут беспрепятственно соединяться между собой, распределяя резервную мощность по всему объекту. Это обеспечивает высокую надежность и исключает необходимость в резервном оборудовании.
Стратегия "модуль в модуле" наиболее эффективна, когда модули питания и охлаждения создаются из компонентов одинакового размера. Такая единообразие не только упрощает будущие расширения, но и облегчает обучение персонала техническому обслуживанию. После стандартизации интерфейсов следующим шагом является проведение точного анализа воздушных потоков для дальнейшего совершенствования модульной системы.
Вычислительная гидродинамика для оптимизации воздушного потока
После внедрения стандартизированных методов развертывания моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) становится незаменимым инструментом для оптимизации воздушного потока в модульных системах. CFD позволяет анализировать движение воздуха. до Развертывание физического оборудования помогает выявить две распространенные проблемы: короткое замыкание (когда холодный воздух обходит серверы и возвращается неиспользованным) и рециркуляцию горячего воздуха, которая может привести к перегреву серверов.
В модульных средах CFD выступает в качестве защита от неэффективности и рисков. Вы можете моделировать различные сценарии работы и виртуально тестировать альтернативные варианты компоновки, что особенно полезно при планировании ситуаций, когда одна из систем охлаждения может выйти из строя.
"После моделирования и анализа этих сценариев результаты позволят более четко определить стратегии оптимизации и дадут возможность для последующих технических и финансовых исследований". – Билл Косик, инженер по энергетике центров обработки данных.
Используя данные CFD, можно точно настроить ключевые элементы, такие как расположение перфорированной напольной плитки, и выявить препятствия для воздушного потока, вызванные кабелями, проводами или трубами в фальшполах или потолочных пространствах. Кроме того, корректировка заданных значений клапанов охлажденной воды CRAC/CRAH на основе фактической температуры на входе в стойку позволяет добиться большей точности. Сочетание этого подхода с вентиляторами с регулируемой скоростью, динамически адаптирующимися к прогнозируемой потребности, может помочь достичь значений частичного PUE ниже 1,1, что значительно повысит эффективность.
Преимущества и оптимизация операций
Достижение более низкого показателя PUE за счет интеграции возобновляемых источников энергии.
Системы охлаждения составляют 25–401 тонну/3 тонны энергопотребления центра обработки данных. Сочетая масштабируемые решения для охлаждения с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная или ветровая энергия, операторы могут значительно сократить косвенное потребление воды и эксплуатационные расходы. В отличие от угольных электростанций, которые требуют больших объемов воды, солнечная и ветровая энергия не требуют её вовсе.
В рамках проекта HoMEDUCS в Калифорнийском университете в Дейвисе было продемонстрировано, как интеграция панелей Skycool с полимерными теплообменниками и охлаждающими пластинами позволяет снизить потребление энергии на охлаждение до менее чем 51 тонны на 3 тонны общей мощности, при этом не используя воду. Доктор Нараянан объяснил научное обоснование этого явления:
"Если температура компьютерного чипа достигает 80 градусов Цельсия, даже если температура окружающей среды составляет 40 градусов Цельсия… эта [разница температур] может быть использована для отвода тепла от чипа"."
Эти конструкции, работающие на возобновляемых источниках энергии, открывают возможности для создания передовых систем охлаждения. Ярким примером является система SmartMod Max от Vertiv, которая использует хладагенты на основе смеси HFO и централизованные наружные компоненты для достижения частичного коэффициента эффективности использования энергии (PUE) менее 1,1 даже при высокой плотности нагрузки. Благодаря согласованию компонентов заводской сборки с прогнозируемыми нагрузками, эта система исключает неэффективное использование мощности. Дополнительные оптимизации, такие как термоаккумуляторы, могут переносить потребность в охлаждении на периоды низкой нагрузки, когда возобновляемой энергии больше или температура наружного воздуха ниже.
Зональное охлаждение для различной плотности размещения оборудования в стеллажах.
Еще один способ оптимизации работы — это настройка стратегий охлаждения в соответствии с плотностью рабочей нагрузки. Зональное охлаждение обеспечивает эффективное использование энергии за счет согласования методов охлаждения с конкретными тепловыми нагрузками. Например:
- Внутрирядное охлаждение Хорошо подходит для стеллажей, выделяющих 10–20 кВт тепла.
- Пассивные теплообменники задней двери Выдерживать нагрузку 20–30 кВт.
- Жидкостное иммерсионное охлаждение Идеально подходит для стоек мощностью более 50 кВт.
Кроме того, разделение горячих и холодных коридоров может снизить энергопотребление чиллеров до 201 тонны на 3 тонны. Для максимальной эффективности установите перфорированную напольную плитку в холодных коридорах и согласуйте скорость воздушного потока с конкретными потребностями оборудования. Используйте датчики на входах в стойки для точного измерения температуры вместо того, чтобы полагаться на общую температуру в помещении, и оснастите вентиляторы охлаждения частотно-регулируемыми приводами для динамической регулировки в зависимости от самой высокой зарегистрированной температуры на входе в каждой зоне.
The Национальная лаборатория Скалистых гор Это наглядный пример применения этих стратегий на практике. Используя гибридную систему, сочетающую прямое жидкостное охлаждение с воздушным отводом тепла и открытой градирней, они достигли впечатляющего показателя PUE (эффективность использования энергии). 1.06 и эффективность использования воды 0.7. Это демонстрирует, как индивидуально разработанные, зонально-ориентированные решения по охлаждению могут обеспечить как энергоэффективность, так и экономию воды, если они спроектированы с учетом конкретной плотности застройки объекта.
Заключение
Масштабируемая система охлаждения меняет подход к повышению эффективности и масштабированию модульных центров обработки данных. Адаптируя мощность системы охлаждения к реальным ИТ-нагрузкам, операторы могут избежать неэффективного использования ресурсов, характерного для традиционных систем, что позволяет ускорить развертывание и снизить первоначальные затраты.
Для высокопроизводительных задач искусственного интеллекта жидкостное и иммерсионное охлаждение являются настоящим прорывом. Эти методы справляются с интенсивным нагревом, с которым с трудом справляются воздушные системы. В частности, иммерсионное охлаждение позволяет достичь впечатляюще низкого показателя PUE — всего 1,02, одновременно снижая эксплуатационные расходы и продлевая срок службы оборудования. Хотя оно требует больших первоначальных инвестиций, долгосрочные преимущества делают его разумным выбором.
Экологичность — еще одно ключевое преимущество. Передовые системы, такие как панели радиационного охлаждения и теплообменники замкнутого цикла, исключают необходимость использования воды, обходя экологические проблемы, связанные с испарительными методами, что особенно важно в засушливых районах. В сочетании с возобновляемой энергией эти решения позволяют сократить потребление электроэнергии на охлаждение до менее чем 51 тонны на 3 тонны, что значительно ниже обычных 25–401 тонны на 3 тонны. Такой уровень эффективности не только приносит пользу окружающей среде, но и повышает гибкость эксплуатации.
Модульная конструкция масштабируемых систем охлаждения еще больше повышает адаптивность. Блоки охлаждения можно добавлять, заменять или обслуживать без каких-либо сбоев, что упрощает адаптацию к меняющимся потребностям ИТ-инфраструктуры. Учитывая, что к 2050 году глобальные потребности в охлаждении, как ожидается, вырастут на 451 тыс. тонн, такая гибкость перестала быть просто желательным качеством – она стала необходимостью для сохранения лидерства.
Выбор масштабируемых решений для охлаждения уже сегодня гарантирует эффективность и готовность центров обработки данных к будущим вызовам. Будь то внутрирядное охлаждение для умеренных нагрузок или иммерсионные системы для высокопроизводительных вычислений, эти решения оптимального размера обеспечивают немедленные преимущества без необходимости дорогостоящей модернизации.
Serverion Компания интегрирует эти передовые стратегии охлаждения в свои модульные центры обработки данных, обеспечивая как эффективность, так и экологичность. Для получения дополнительной информации посетите сайт. Serverion.
Часто задаваемые вопросы
В чём преимущества масштабируемых систем охлаждения в модульных центрах обработки данных?
Масштабируемые системы охлаждения позволяют модульным центрам обработки данных эффективно справляться с меняющимися вычислительными потребностями, согласовывая мощность охлаждения с текущими рабочими нагрузками. Созданные на основе модульных и резервных компонентов, эти системы позволяют операторам расширять или корректировать инфраструктуру — например, чиллеры или воздухообрабатывающие установки — без необходимости замены существующего оборудования. Такой подход обеспечивает максимальную производительность сегодня, оставляя при этом возможности для будущего роста.
Одним из главных преимуществ масштабируемых систем охлаждения является возможность сокращения энергопотребления, что напрямую снижает затраты на электроэнергию и уменьшает выбросы углекислого газа. Учитывая, что охлаждение может потреблять до 401 тонны/3 тонны электроэнергии центра обработки данных, это кардинально меняет ситуацию. Помимо экономии энергии, высокоэффективные системы, такие как контуры охлажденной воды, также сокращают потребление воды — особенно важная особенность в регионах с дефицитом воды, таких как юго-запад США. Модульные конструкции дополнительно помогают избежать избыточного резервирования, позволяя организациям постепенно наращивать мощности для удовлетворения потребностей в высоконагруженных рабочих нагрузках, обеспечивая при этом надежность. Компания Serverion внедряет эти передовые технологии охлаждения в свои модульные центры обработки данных, предоставляя энергоэффективные и высокопроизводительные услуги хостинга по всей территории Соединенных Штатов.
Каковы преимущества использования компонентов с регулируемой скоростью вращения в модульных системах охлаждения центров обработки данных?
Компоненты с регулируемой скоростью вращения – такие как вентиляторы, насосы и компрессоры – позволяют модульным центрам обработки данных динамически регулировать мощность охлаждения в зависимости от фактической нагрузки на ИТ-инфраструктуру. Вместо работы на постоянной мощности эти компоненты могут увеличивать или уменьшать её по мере необходимости. Результат? Снижение энергопотребления, улучшение... Эффективность использования энергии (PUE), снижение счетов за электроэнергию и уменьшение воздействия на окружающую среду за счет сокращения потребления воды и выбросов углекислого газа.
Помимо экономии энергии, эти системы обеспечивают точный контроль температуры, помогая предотвратить переохлаждение или перегрев отдельных участков оборудования. Кроме того, благодаря меньшей механической нагрузке, эти компоненты, как правило, служат дольше и требуют меньше технического обслуживания. По мере роста требований центров обработки данных системы с регулируемой скоростью могут адаптироваться путем простой регулировки скорости компонентов, что позволяет избежать дорогостоящих модернизаций.
Почему иммерсионное охлаждение идеально подходит для рабочих нагрузок с высокой плотностью?
Иммерсионное охлаждение отлично подходит для рабочих нагрузок с высокой плотностью, поскольку оно эффективно отводит тепло от компонентов сервера, погружая их в непроводящую жидкость. Таким образом, оно устраняет необходимость в традиционных средствах охлаждения, таких как вентиляторы и радиаторы, позволяя сконцентрировать вычислительную мощность в каждой стойке.
Более того, такой подход позволяет серверам работать при повышенных температурах без ущерба для энергоэффективности. Это не только повышает производительность процессора, но и делает иммерсионное охлаждение отличным выбором для удовлетворения жестких требований современных высокопроизводительных центров обработки данных.
