Як модульні центри обробки даних використовують масштабоване охолодження
Модульні центри обробки даних змінюють принципи роботи систем охолодження, надаючи пріоритет масштабованості та ефективності. На відміну від традиційних систем, ці центри уникають надмірних, простоїв охолоджувальних потужностей, впроваджуючи ""оплата в міру зростання"" модель. Такий підхід зменшує споживання енергії та витрати, при цьому на охолодження припадає 25–40% від загального споживання енергії.
Ключові стратегії включають:
- Модульна конструкція охолодженняПочніть з малого та розширюйте за потреби, уникаючи марнування ресурсів.
- Компоненти зі змінною швидкістюКомпресори та вентилятори регулюють потужність відповідно до потреб у режимі реального часу, знижуючи ефективність використання енергії (PUE).
- Удосконалені методи охолодженняТакі опції, як системи охолодженої води, пряме рідинне охолодження та занурювальне охолодження, задовольняють високі робочі навантаження.
Наприклад:
- Прецизійне повітряне охолодження відповідає помірним потребам з PUE 1,3–1,5.
- Занурювальне охолодження підтримує екстремальну щільність (100 кВт+ на стійку) з коефіцієнтом PUE до 1,02.
Ці системи також інтегруються відновлювана енергія і зонне охолодження для підвищення ефективності, забезпечення швидкого розгортання та економії енергії. Незалежно від того, чи йдеться про роботу зі штучним інтелектом, чи про периферійні обчислення, модульні конфігурації забезпечують індивідуальні рішення для охолодження, одночасно знижуючи витрати та споживання енергії.
Модульне, гнучке, масштабоване повітряне та рідинне охолодження для сучасних центрів обробки даних | Vertiv™ CoolPhase
Основні принципи проектування модульного охолодження
Масштабоване охолодження в модульних центрах обробки даних побудовано на двох ключових ідеях: модульна конструкція і коригування виводу на льоту. Разом ці принципи допомагають скоротити втрати та підвищити ефективність.
Модульна конструкція для розширення
Уявіть собі модульну конструкцію як підхід "будівельного блоку". Оператори можуть почати саме з того, що їм потрібно, і розширюватися в міру зростання потреб ІТ. Замість встановлення масивної системи охолодження на початку, яка недовикористовується, модульні системи дозволяють додавати пристрої за потреби. Це дозволяє уникнути проблеми простою обладнання, яке споживає енергію без мети.
Візьмемо, наприклад, систему AIRSYS Optima2™. Вона дозволяє до 16 одиниць функціонувати як незалежно, так і як цілісну систему. Коли попит зростає, оператори можуть безперешкодно додавати більше модулів за допомогою стандартизованих з'єднань. Білл Косік, інженер з енергетики центрів обробки даних, зазначає, що хоча додавання резервування до кожного модуля може збільшити складність, переваги очевидні: взаємопов'язані модулі можуть спільно використовувати резервну потужність, забезпечуючи безперебійну роботу без необхідності використання великої резервної центральної установки.
Такий модульний підхід також вирішує ще одну проблему: нестачу робочої сили. Постачаються холодильні установки заводського виробництва. попередньо випробувані та введені в експлуатацію, що скорочує затримки та потенційні помилки під час будівництва на місці. Для віддалених районів з обмеженим доступом до кваліфікованих техніків це рішення «підключи та працюй» часто є найпрактичнішим вибором.
Але фізична модульність – це лише половина рівняння. Ефективність також залежить від компонентів, які можуть адаптуватися в режимі реального часу.
Компоненти зі змінною швидкістю для регулювання навантаження
Компресори, вентилятори та насоси зі змінною швидкістю є основою масштабованих систем охолодження. На відміну від блоків з фіксованою швидкістю, які працюють за принципом «все або нічого» – витрачаючи енергію та зношуючи обладнання, – компоненти зі змінною швидкістю постійно регулюють свою потужність, щоб відповідати поточним тепловим навантаженням. Коли ІТ-обладнання працює нижче температури, ці компоненти зменшують потужність. Коли робочі навантаження зростають, вони відповідно збільшуються.
"Компресори та вентилятори зі змінною швидкістю є ключовими компонентами масштабованих систем охолодження. На відміну від традиційних агрегатів з фіксованою швидкістю, компресори та вентилятори зі змінною швидкістю можуть регулювати свою потужність залежно від потреб в охолодженні в режимі реального часу, забезпечуючи точний контроль температури". – AIRSYS
Ця адаптивність у режимі реального часу підтримує Ефективність енергоспоживання (PUE) низький, навіть коли центр обробки даних не працює на повну потужність. У модульних схемах N+2 кожен блок ефективно працює при часткових навантаженнях, перевершуючи традиційні системи з одним чилером. Завдяки постійному підбору потужності відповідно до потреб, компоненти зі змінною швидкістю допомагають знизити показник PUE, зменшити експлуатаційні витрати, подовжити термін служби обладнання та захистити ІТ-обладнання від шкідливих коливань температури.
Ключові технології для масштабованого охолодження
Модульні технології охолодження центрів обробки даних: порівняння ефективності та щільності
Модульні центри обробки даних використовують індивідуальні рішення для охолодження, які відповідають різній щільності та попиту, що полегшує операторам вибір найкращого варіанту для їхніх потреб.
Прецизійне повітряне охолодження часто є відправною точкою. Наприклад, AIRSYS Optima2™ забезпечує PUE (ефективність використання енергії) 1,3–1,5, що робить його придатним для стійок з низькою та середньою щільністю. Він забезпечує надійну продуктивність за різних робочих навантажень. Однак, хоча повітряне охолодження є ефективним, воно поступається системам з високою щільністю в умовах високої щільності порівняно з рідинними системами.
Системи охолодження води стають дедалі популярнішими для систем з високою щільністю. Ці системи виносять компоненти охолодження за межі серверного простору, зменшуючи такі ризики, як витік холодоагенту, та забезпечуючи гнучкі конфігурації трубопроводів. Хорхе Агілар з Vertiv підкреслює їхню зростаючу привабливість, стверджуючи: "Охолоджена вода стає кращим методом охолодження для великомасштабних та високопродуктивних обчислювальних застосувань". З частковим PUE менше 1,1 ці системи добре працюють у відкритих поверхах, що робить їх ідеальними для модульного розширення. Коли вимоги до щільності зростають, рішення на основі рідин стають необхідними.
Для надзвичайно щільних робочих навантажень, таких як штучний інтелект та високопродуктивні обчислення, пряме рідинне охолодження і охолодження зануренням займають центральне місце. Системи прямого охолодження на кристалах використовують холодні пластини зі спеціалізованими рідинними каналами для відведення тепла безпосередньо біля його джерела. Наприклад, проект HoMEDUCS розроблений для використання менше 5% загальної потужності для охолодження, не споживаючи при цьому води. Імерсійне охолодження йде ще далі, занурюючи цілі сервери в діелектричну рідину. Це усуває потребу у вентиляторах та радіаторах. Яскравим прикладом є розгортання KDDI Corporation разом з GIGABYTE у 2022-2023 роках, яке досягло показника PUE на рівні 1,02, підтримуючи щільність до 100 кВт на стійку. Цей метод не тільки подовжив термін служби обладнання на 30%, але й знизив рівень відмов на 60% завдяки відсутності вібрації та коливань температури.
| Технологія | Ефективність (PUE) | Підтримка щільності | Ключова функція масштабованості |
|---|---|---|---|
| Прецизійне повітряне охолодження | 1,3–1,5 | Від низького до помірного | Модульні блоки, що додаються в міру зростання |
| Системи охолодження води | <1,1 pPUE | Від середнього до високого | Централізовані зовнішні блоки; гнучкі трубопроводи |
| Пряме рідинне охолодження | <1,05 | Високий | Пряме відведення тепла з рівня чіпа |
| Охолодження зануренням | ~1.02 | Дуже високий (100 кВт+) | Безвентиляторна конструкція; збільшення щільності вузлів у 2 рази |
Окрім цих усталених методів, радіаційне охолодження пропонує екологічно чисту альтернативу, особливо в районах з обмеженими водними ресурсами. Панелі радіаційного охолодження можуть знижувати температуру рідини нижче рівня навколишнього середовища – навіть під прямими сонячними променями – шляхом випромінювання тепла в космос без потреби в електроенергії. Проект HoMEDUCS передбачає встановлення панелей радіаційного охолодження Skycool на дахах модулів, що забезпечує екологічну перевагу для модульних установок у регіонах з дефіцитом води.
sbb-itb-59e1987
Стратегії впровадження в модульних системах
Стандартизовані інтерфейси для живлення та охолодження
Однією з видатних переваг модульних центрів обробки даних є їхня конструкція «підключи та працюй». Ці модулі, зібрані на заводі, постачаються зі стандартизованими, попередньо перевіреними інтерфейсами, а це означає, що на місці потрібні лише основні підключення для живлення та мережі. Такий спрощений підхід усуває необхідність у складних електромонтажних та трубопровідних роботах на місці, які часто потребують спеціалізованої робочої сили.
"Використання підходу до збірного будівництва заздалегідь визначає проект, що виключає необхідність внесення змін до замовлень". – PCX Corp
Стандартизовані інтерфейси також дозволяють вам ефективно масштабувати охолоджувальну потужність, що дозволяє швидше та економічно ефективніше розгортання. Завдяки спільним інтерфейсам модулі можуть безперешкодно з'єднуватися між собою, розподіляючи резервну потужність по всьому об'єкту. Це забезпечує високу надійність, уникаючи необхідності резервного обладнання.
Стратегія "модуль у модулі" найкраще працює, коли модулі живлення та охолодження побудовані з використанням компонентів однакового розміру. Така однорідність не лише спрощує майбутнє розширення, але й робить навчання вашої команди з технічного обслуговування більш простим. Після стандартизації інтерфейсів наступним кроком є проведення точного аналізу повітряного потоку для подальшого вдосконалення вашої модульної конфігурації.
Обчислювальна гідродинаміка для оптимізації повітряних потоків
Після встановлення стандартизованого розгортання, моделювання обчислювальної гідродинаміки (CFD) стає важливим інструментом для оптимізації повітряного потоку в модульних системах. CFD дозволяє аналізувати рух повітря. раніше розгортання фізичного обладнання, що допомагає визначити дві поширені проблеми: коротке замикання (коли холодне повітря обходить сервери та повертається невикористаним) та рециркуляція гарячого повітря, яка може призвести до утворення точок перегріву на серверах.
У модульних середовищах CFD діє як захист від неефективності та ризиків. Ви можете моделювати різні операційні сценарії та віртуально тестувати альтернативні схеми розташування елементів, що особливо корисно під час планування ситуацій, коли одна система охолодження може вийти з ладу.
"Коли ці сценарії будуть змодельовані та проаналізовані, результати зроблять стратегії оптимізації зрозумілішими та дозволять подальші технічні та фінансові вправи". – Білл Косік, інженер з енергетики центрів обробки даних
Використовуючи дані CFD, ви можете точно налаштувати ключові елементи, такі як розміщення перфорованої плитки для підлоги, та виявити перешкоди для потоку повітря, спричинені кабелями, дротами або трубами у фальшпідлогах або стельових просторах. Крім того, коригування заданих значень клапанів охолодженої води CRAC/CRAH на основі фактичної температури впускного отвору стійки забезпечує більшу точність. Поєднання цього підходу з вентиляторами зі змінною швидкістю, які динамічно регулюються відповідно до прогнозованого попиту, може допомогти досягти часткових значень PUE нижче 1,1, що значно підвищує ефективність.
Переваги та оптимізація для операцій
Досягнення нижчого показника PUE завдяки інтеграції відновлюваних джерел енергії
На системи охолодження припадає 25–40% споживання енергії центром обробки даних. Поєднуючи масштабовані рішення для охолодження з відновлюваними джерелами енергії, такими як сонячна або вітрова енергія, оператори можуть значно зменшити непряме використання води та експлуатаційні витрати. На відміну від вугільних електростанцій, які потребують великої кількості води, сонячна та вітрова енергія цього не потребують.
Проект HoMEDUCS в Каліфорнійському університеті в Девісі продемонстрував, як інтеграція панелей Skycool з полімерними теплообмінниками та холодильними пластинами може знизити споживання енергії на охолодження до менш ніж 5% загальної потужності, і все це при нульовому використанні води. Доктор Нараянан пояснив наукову основу цього процесу:
"Якщо у вас є комп’ютерний чіп, температура якого становить 80 градусів Цельсія, навіть якщо температура на вулиці становить 40 градусів Цельсія… цю [різницю температур] можна використовувати для відведення тепла від чіпа"."
Ці конструкції, що працюють на відновлюваних джерелах енергії, відкривають шлях до вдосконалених конфігурацій охолодження. Яскравим прикладом є SmartMod Max від Vertiv, який використовує холодоагенти на основі суміші HFO та централізовані зовнішні компоненти для досягнення часткового коефіцієнта енергоспоживання (PUE) менше 1,1, навіть за умов високої щільності робочих навантажень штучного інтелекту. Завдяки узгодженню заводських компонентів з прогнозованими навантаженнями, ця система усуває втрату потужності. Додаткова оптимізація, така як використання теплових акумулюючих баків, може змістити потреби в охолодженні на години поза піковими навантаженнями, коли відновлюваної енергії більше або температура на вулиці нижча.
Зонне охолодження для різної щільності стійок
Налаштування стратегій охолодження відповідно до щільності робочого навантаження – це ще один спосіб оптимізації операцій. Зонне охолодження забезпечує ефективне використання енергії, узгоджуючи методи охолодження з конкретними тепловими навантаженнями. Наприклад:
- Внутрішньорядне охолодження добре працює для стійок, що генерують 10–20 кВт тепла.
- Пасивні теплообмінники задніх дверей витримувати навантаження 20–30 кВт.
- Рідинне занурення в охолодження ідеально підходить для стійок потужністю понад 50 кВт.
Крім того, ізоляція гарячих і холодних проходів може зменшити споживання енергії чилером до 20%. Для максимізації ефективності встановлюйте перфоровану плитку для підлоги в холодних проходах і підлаштовуйте швидкість потоку повітря під конкретні потреби обладнання. Використовуйте датчики на вхідних отворах стійок для точного вимірювання температури, а не покладайтеся на загальну температуру в приміщенні, і обладнайте вентилятори охолодження частотними приводами для динамічного регулювання на основі найвищої температури на вході, зафіксованої в кожній зоні.
The Національна лабораторія Скелястих гір є переконливим прикладом дії цих стратегій. Використовуючи гібридну систему, яка поєднує пряме рідинне охолодження з повітряним охолодженням та відкритою градирнею, вони досягли вражаючого показника PUE (коефіцієнта корисної дії енергії). 1.06 та ефективність використання води 0.7. Це ілюструє, як індивідуальні, зонально-орієнтовані рішення для охолодження можуть забезпечити як енергоефективність, так і економію води, якщо їх розробити з урахуванням конкретного профілю щільності забудови об'єкта.
Висновок
Масштабоване охолодження змінює те, як модульні центри обробки даних досягають ефективності та розвиваються. Адаптуючи потужність охолодження до реальних ІТ-навантажень, оператори можуть уникнути марнування ресурсів, типових для традиційних систем, що дозволяє швидше розгортати та зменшувати початкові витрати.
Для високощільних робочих навантажень штучного інтелекту рідинне та імерсійне охолодження є революційними. Ці методи справляються з інтенсивним нагріванням, з яким повітряні системи важко справляються. Зокрема, імерсійне охолодження може досягти вражаючого показника PUE, що дорівнює 1,02, а також скоротити експлуатаційні витрати та подовжити термін служби обладнання. Хоча це вимагає вищих початкових інвестицій, довгострокові переваги роблять його розумним вибором.
Ще однією ключовою перевагою є сталий розвиток. Передові системи, такі як панелі радіаційного охолодження та теплообмінники із замкнутим циклом, усувають потребу у воді, обходячи екологічні проблеми, пов'язані з випарними методами, що особливо важливо в районах, що постраждали від посухи. У поєднанні з відновлюваною енергією ці рішення можуть знизити споживання енергії на охолодження до менш ніж 51 TP3T, що є значним зниженням порівняно зі звичайними 25–401 TP3T. Такий рівень ефективності не тільки корисний для навколишнього середовища, але й підвищує експлуатаційну гнучкість.
Модульна конструкція масштабованих систем охолодження ще більше підвищує адаптивність. Блоки охолодження можна додавати, замінювати або обслуговувати без перебоїв, що спрощує налаштування відповідно до змін вимог ІТ. З огляду на те, що глобальні потреби в охолодженні, як очікується, зростуть на 451 т/3 т до 2050 року, ця гнучкість більше не є необов'язковою – це необхідність для того, щоб залишатися на крок попереду.
Вибір масштабованих рішень для охолодження сьогодні гарантує, що центри обробки даних залишатимуться ефективними та готовими до майбутнього. Чи то внутрішньорядне охолодження для помірних робочих навантажень, чи то імерсійні системи для високопродуктивних обчислень, ці рішення правильного розміру забезпечують негайні переваги без необхідності дорогої модернізації.
Serionion інтегрує ці передові стратегії охолодження у свої модульні центри обробки даних, забезпечуючи як ефективність, так і сталий розвиток. Щоб дізнатися більше, відвідайте Serionion.
поширені запитання
Які переваги масштабованих систем охолодження в модульних центрах обробки даних?
Масштабовані системи охолодження дозволяють модульним центрам обробки даних ефективно відповідати змінним вимогам до обчислювальних ресурсів, узгоджуючи потужність охолодження з поточними робочими навантаженнями. Побудовані з модульних та резервних компонентів, ці системи дозволяють операторам розширювати або налаштовувати інфраструктуру, таку як чилери або вентиляційні установки, без необхідності заміни існуючого обладнання. Такий підхід забезпечує пікову продуктивність сьогодні, водночас залишаючи можливості для майбутнього зростання.
Однією з найбільших переваг масштабованого охолодження є його здатність скорочувати споживання енергії, що безпосередньо знижує витрати на електроенергію та зменшує викиди вуглецю. Враховуючи, що охолодження може споживати до 40% потужності центру обробки даних, це кардинально змінює правила гри. Окрім економії енергії, високоефективні системи, такі як контури охолодженої води, також зменшують споживання води – особливо важлива функція в районах з дефіцитом води, таких як південний захід США. Модульні конструкції додатково допомагають уникнути надмірного виділення ресурсів, дозволяючи організаціям поступово масштабувати потужності для задоволення потреб робочих навантажень з високою щільністю, забезпечуючи при цьому надійність. Serverion інтегрує ці передові технології охолодження у свої модульні центри обробки даних, надаючи енергоефективні та високопродуктивні послуги хостингу по всій території Сполучених Штатів.
Які переваги використання компонентів зі змінною швидкістю в модульному охолодженні центрів обробки даних?
Компоненти зі змінною швидкістю, такі як вентилятори, насоси та компресори, дають модульним центрам обробки даних можливість динамічно регулювати потужність охолодження залежно від фактичного навантаження на ІТ-систему. Замість того, щоб працювати з постійною потужністю, ці компоненти можуть збільшувати або зменшувати її за потреби. Результат? Менші втрати енергії, покращена... Ефективність енергоспоживання (PUE), зменшення рахунків за електроенергію та менший вплив на навколишнє середовище завдяки скороченню споживання води та викидів вуглецю.
Окрім економії енергії, ці системи пропонують точний контроль температури, що допомагає запобігти переохолодженню або утворенню гарячих точок, які можуть пошкодити обладнання. Крім того, завдяки меншому механічному навантаженню ці компоненти, як правило, служать довше та потребують менше обслуговування. Зі зростанням потреб центрів обробки даних системи зі змінною швидкістю можуть адаптуватися, просто регулюючи швидкість компонентів, уникаючи необхідності дорогої модернізації.
Що робить імерсійне охолодження ідеальним для робочих навантажень з високою щільністю?
Імерсійне охолодження чудово підходить для робочих навантажень з високою щільністю, оскільки воно ефективно відводить тепло від компонентів сервера, занурюючи їх у непровідну рідину. Таким чином, усувається потреба в традиційних засобах охолодження, таких як вентилятори та радіатори, що дозволяє зосередити більшу обчислювальну потужність у кожній стійці.
Більше того, такий підхід дозволяє серверам працювати за підвищених температур без шкоди для енергоефективності. Це не тільки підвищує продуктивність процесора, але й робить імерсійне охолодження чудовим вибором для задоволення суворих вимог сучасних високопродуктивних центрів обробки даних.
