Современные подходы к охлаждению ЦОД

Часто даже в одном зале ЦОД одной системы охлаждения оказывается недостаточно и приходится параллельно использовать несколько различных методов. На рынке представлено бесчисленное множество разнообразных решений, и правильный выбор можно сделать, лишь имея представление о принципах работы каждой технологии. Для этого нужно ознакомиться с устройством различных систем охлаждения, а также с наиболее распространенными методами и тенденциями их развития. Прежде чем отдать предпочтение одному или нескольким способам охлаждения, рекомендуется выяснить, как все это будет работать в отдельно взятой стойке или в масштабе всего ЦОД.

ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА И ПОТРЕБНОСТЬ В ОХЛАЖДЕНИИ

Даже сейчас многие ЦОД рассчитаны на тепловую нагрузку не более 5 кВт на одну стойку. И это несмотря на обширный ассортимент современных решений в области климатизации — конструкторы проделали немалую работу по совершенствованию принципов их действия.

Один из факторов — постоянно растущий рынок услуг по размещению оборудования (сolocation). Даже в случае одного арендатора регулировать потребление энергии оборудованием различной мощности не так-то просто, еще сложнее обстоят дела, когда несколько арендаторов делят одно помещение. Поэтому, чтобы облегчить управление охлаждением в такой динамичной среде, в спецификациях часто задается фиксированное значение показателя потребления электроэнергии.

Вопрос о мощностях системы энергоснабжения достаточно щекотлив — и для провайдера услуг по размещению оборудования, и для энергетической компании. В конечном итоге он сводится к тому, какое количество электроэнергии должно предоставляться энергосетью и может поддерживаться подсистемой электроснабжения в ЦОД.

Помимо этого, имеются и другие весомые факторы, ограничивающие количество активного оборудования в одной стойке. Так, очень важно учитывать весовую нагрузку на фальшпол, поэтому при планировании новой системы охлаждения или дооснащении старой необходимо все тщательно проверить. Ведь, даже если можно обеспечить показатели на уровне 12 кВт на стойку, но весовая нагрузка на фальшпол слишком велика, затраты усилий и ресурсов могут оказаться напрасными.

За последние годы появилось множество альтернативных решений для тех случаев, когда рассеиваемая мощность превышает 5 кВт на стойку. Даже в ЦОД, где имеются традиционные пассивные системы фальшполов, часто требуется улучшить охлаждение отдельных зон (к примеру, в среднем ряду модульных серверов, в высокопроизводительных кластерах — High Performance Cluster, HPC, или при необходимости дополнить пассивный метод организацией зоны с активным охлаждением).

АЛЬТЕРНАТИВЫ ПАССИВНОМУ ОХЛАЖДЕНИЮ

Помимо вышеупомянутого пассивного охлаждения, предлагаются варианты с отводящими трубами (Chimney), которые обеспечивают теплоотвод по 12 кВт на одну стойку. Этот метод аналогичен принципу изоляции горячих коридоров, но реализуется на уровне шкафов. Теплый воздух направляется через отводную трубу к вытяжному отверстию охлаждающих установок.

Следующий возможный вариант — изоляция горячих или холодных коридоров. В первом случае охлаждение отработанного теплого воздуха осуществляется непосредственно в ряду с помощью стоечной системы (Inrow) либо нагретый воздух отводится по специальному воздуховоду. Используемый при этом принцип аналогичен варианту с отводной трубой, разница заключается лишь в том, что в пространство над навесным потолком отводится теплый воздух из всего горячего коридора, а не от каждой отдельной стойки.

Рисунок 1. Если рассеиваемая мощность на стойку высока, то эффективной мерой является установка теплообменников на задней дверце. Они предоставляют дополнительную возможность охлаждения за счет отвода теплого воздуха в непосредственной близости от места его нагрева.

При изоляции холодных коридоров область охлажденного воздуха изолирована таким образом, чтобы воздушные потоки с передней стороны стойки могли подниматься выше. Отработанный горячий воздух вытягивается климатическими установками. Мнения о том, какой из вариантов — изоляция холодных или горячих коридоров — более выгоден, разделились, а сторонники того или иного метода ведут жаркие дискуссии, высказывая противоречивые мнения.

Если рассеиваемая мощность стойки еще выше, то на помощь придут жидкостные теплообменники, размещенные на задней дверце стойки (см. Рисунок 1). Это один из дополнительных доступных способов охлаждения, когда тепло отводится в непосредственной близости от места его возникновения. Задние дверцы стоек могут быть пассивными или активными (дополняться вентилятором). Такие системы способны справляться с нагрузками, превышающими 30 кВт на одну стойку. Различные варианты реализации этого метода отличаются типом используемой жидкости, ее вязкостью, способом и желаемой степенью отвода тепла. К слову, вода отводит тепло в 3400 раз лучше, чем воздух. Там, где невозможно обеспечить снабжение систем холодной водой, применяются другие хладагенты (в частности, гликоль). Принцип их действия аналогичен работе автомобильного радиатора.

ЖИДКОСТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Если в месте выделения тепла возникает чрезвычайно высокая потребность в охлаждении, то можно прибегнуть к жидкостному охлаждению процессора. На первый взгляд мысль о нахождении жидкостей в непосредственной близости от процессора может показаться довольно странной, однако на самом деле это очень старый принцип, который производители вновь взяли на вооружение. Как известно, в начале развития компьютерных технологий охлаждение осуществлялось именно таким способом. Одни системы используют для охлаждения воду, другие — иные хладагенты: например, с недавних пор применяется метод, когда серверы и стойки полностью погружаются в растительное масло.

Те, кто чувствуют себя совершенно неуютно при мысли о текущей воде или других хладоносителях в ЦОД, теперь могут быть уверены в том, что эти решения практически ничем не отличаются от традиционных водных установок. Если работа выполнена тщательно, жидкость не проникнет наружу, разве что какие-либо другие факторы приведут к появлению коррозии. Использование высококачественных деталей и их грамотная установка обеспечат надежную эксплуатацию без протечек. Как правило, обычно речь идет о замкнутых контурах, где используется лишь небольшое количество воды. Кроме того, все подключения тестируются под нагрузкой, многократно превышающей количество вещества, протекающего через них в процессе эксплуатации системы охлаждения.

Еще один альтернативный вариант — так называемое естественное охлаждение (Free Cooling), однако и здесь потребуется оборудование для климатизации и рециркуляции воздушных масс. В те времена года, когда температура наружного воздуха ниже, чем предусмотрено в ЦОД, оно вполне может использоваться для его охлаждения. В водных системах с теплообменниками-экономайзерами применяется аналогичный принцип с той разницей, что в качестве хладагента выбирается вода, которая охлаждается наружным воздухом. Благодаря такой возможности использование воздуха или воды, а также минимальным трудозатратам на перемещение воздушных масс, этот метод обеспечивает снижение затрат и быструю окупаемость инвестиций (Return on Investment, ROI).

БОЛЕЕ ВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ НОВЫХ УСТРОЙСТВ

Оборудование новой конструкции способно работать без сбоев при более высокой температуре подводимого воздуха. Благодаря этому обстоятельству удается повысить плотность размещения устройств, поскольку для обеспечения правильного функционирования систем и предотвращения их аварийного отключения из-за перегрева тщательного охлаждения уже не требуется.

Многим предприятиям технология виртуализации помогла сократить количество используемых серверов, а значит, снизилась потребность в ресурсах охлаждения. Другие приняли решение о переносе части своих серверов в удаленные среды или передали свои серверы специализированным компаниям, осуществляющим их обслуживание. Остается лишь выяснить, какой вариант лучше: компенсировать тепловую нагрузку оборудования за счет охлаждения, уменьшить ее, перенести оборудование в другое место или воспользоваться облачными сервисами.

При выборе того или иного метода охлаждения необходимо рассматривать каждый конкретный случай. Одно можно сказать точно: не существует универсального решения, одинаково хорошо подходящего для всех. Теплообменники-экономайзеры зарекомендовали себя как стабильные и экономически высокоэффективные системы. Пожалуй, это наилучший вариант охлаждения для смешанных сред, которым следует воспользоваться, если условия это позволяют.

ОХЛАЖДЕНИЕ В РАЗЛИЧНЫХ РЕГИОНАХ

Рисунок 2. Прописная истина: продуманная прокладка кабелей тоже может способствовать охлаждению.

В разных регионах мира предпочтение отдается различным методам охлаждения. К примеру, в Европе владельцы ЦОД отдают приоритет методу изоляции холодных коридоров, а их североамериканские коллеги, наоборот, внедряют решения с изоляцией горячих коридоров и системами на базе водных и воздушных теплообменников-экономайзеров везде, где это возможно.

То, кто первым вышел на рынок и подкрепил продвижение своей продукции активными рекламными кампаниями, в значительной мере определяет, какая из новых технологий утвердится в том или ином регионе. С распространением международного опыта одни страны пытаются догнать другие, и в результате инновации, опробованные в одной стране, почти наверняка появятся и на других региональных рынках.

Ответственная за это направление комиссия Евросоюза наверняка хотела бы, чтобы все оборудование в ЦОД работало при температуре +40°C — это позволило бы снять с повестки дня часть обсуждаемых вопросов, однако на практике дело до этого еще не дошло. В глобальных масштабах наибольшее распространение получило традиционное пассивное охлаждение, однако и другие упомянутые концепции постепенно начинают составлять конкуренцию этому методу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чтобы определить, какой метод наиболее подходит для конкретного ЦОД, его владельцу следует подробно расспросить производителей оборудования о всех его особенностях. Детальные рекомендации смогут дать предприятия, которые уже имели дело с выбранной технологией охлаждения. Вместе с тем не следует делать выбор исходя из допущения, что хорошо зарекомендовавшие себя в прошлом концепции и сегодня являются наилучшим вариантом, ведь рынок систем охлаждения активно развивается.

Кэрри Хигби — глобальный директор по решениям для ЦОД в компании Siemon.