Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na serwery i infrastrukturę IT jednym z głównych wyzwań staje się chłodzenie serwerów i środowisk centrów danych. Wydajne chłodzenie centrum danych poprawia wydajność serwerów i usprawnia ogólne procesy operacyjne. Z tego powodu na przestrzeni lat opracowano różne metody chłodzenia.
Dlaczego chłodzenie centrów danych jest ważne?
Centra danych mieszczą dużą liczbę serwerów wykorzystywanych do różnych celów. Wspólną cechą tych serwerów jest duże obciążenie, przez które ich procesory i układy wytwarzają znaczne ilości ciepła.
Aby lepiej to zrozumieć, pomyśl o swoim laptopie lub komputerze osobistym. Gdy zostanie obciążony ponad normę, zwróć uwagę, jak intensywnie pracuje wentylator i ile ciepła wytwarza urządzenie.
Serwery, często nazywane superkomputerami, również generują bardzo dużo ciepła. Jeśli nie zostanie ono odprowadzone, wydajność serwerów będzie stopniowo spadać i nie będą one w stanie działać tak efektywnie jak wcześniej. Dlatego środowisko takie jak centrum danych, w którym znajduje się wiele serwerów, musi być również wyposażone w odpowiedni system chłodzenia.
Obecnie systemy chłodzenia stały się jednym z głównych kryteriów, jakie firmy biorą pod uwagę przy wyborze centrum danych. Ze względu na znaczenie systemów chłodzenia dla wydajności serwerów opracowano wiele metod chłodzenia centrów danych. Niektóre okazały się praktyczne, inne nie. Jedno jest jednak pewne: wraz ze wzrostem wykorzystania serwerów rośnie również zapotrzebowanie na nowe technologie chłodzenia.
Metody chłodzenia centrów danych
Istnieje kilka metod chłodzenia centrów danych, które omówimy w tej sekcji.
Chłodzenie powietrzem
Ta metoda chłodzenia wykorzystuje wentylatory, systemy klimatyzacji, kratki wentylacyjne i inne urządzenia do wytworzenia przepływu powietrza. Chłodzenie powietrzem usuwa gorące powietrze powstające wewnątrz centrum danych i zastępuje je świeżym, chłodnym powietrzem. Jest to jedna z najczęściej stosowanych metod chłodzenia, spotykana w wielu centrach danych.
W przeszłości chłodzenie powietrzem wystarczało do spełnienia wielu wymagań. Obecnie jednak obciążenia wzrosły zarówno pod względem skali, jak i intensywności, co oznacza, że ta metoda może nie być już odpowiednia ani wystarczająco wydajna dla każdego centrum danych.
Chłodzenie powietrzem stosuje się zazwyczaj w szafach rack o gęstości mocy poniżej 20 kW.
Chłodzenie cieczą
W bezpośrednim chłodzeniu cieczą czynnik chłodzący jest doprowadzany siecią rur do podzespołów generujących ciepło, takich jak CPU i GPU. Przepływając przez elementy takie jak płyty chłodzące (cold plates), ciecz pochłania ciepło. Po nagrzaniu wraca do obiegu chłodzącego, gdzie zostaje schłodzona i ponownie wprowadzona do cyrkulacji.
W tej metodzie ciecz ma bezpośredni kontakt z układami lub ich elementami chłodzącymi, ale cały serwer nie jest w niej zanurzony.
Chłodzenie immersyjne
W tej metodzie cały serwer jest zanurzony w cieczy. Można by przypuszczać, że odprowadzając ciepło, ciecz uszkodzi serwer, ale tak się nie dzieje. W chłodzeniu immersyjnym serwer umieszcza się w cieczy nieprzewodzącej prądu, dzięki czemu jego podzespoły nie ulegają uszkodzeniu.
Ciecz pochłania wytwarzane ciepło i zapobiega przegrzewaniu się serwera. Metoda ta jest na tyle skuteczna, że w obiektach pierwotnie zaprojektowanych dla niskiej lub średniej gęstości mocy można instalować sprzęt o bardzo wysokiej gęstości.
Chłodzenie immersyjne można stosować praktycznie w przypadku każdego rodzaju serwera i obciążenia.
Chłodzenie ewaporacyjne
Ponieważ samo chłodzenie powietrzem nie spełnia już wymagań wielu centrów danych, a wymiana całego systemu chłodzenia może być niezwykle kosztowna, chłodzenie ewaporacyjne może być dla takich obiektów najlepszym rozwiązaniem.
Wentylatory wprowadzają do centrum danych powietrze z zewnątrz w celu chłodzenia. Zanim powietrze dotrze do sprzętu, parowanie wody odbiera mu ciepło i obniża jego temperaturę.
Free cooling
Free cooling (chłodzenie swobodne) to metoda, która przy sprzyjających warunkach środowiskowych wykorzystuje dostępne zasoby naturalne do obniżania temperatury w centrum danych, ograniczając potrzebę ciągłej pracy konwencjonalnych urządzeń chłodniczych. W tej metodzie ważną rolę w przekazywaniu ciepła mogą odgrywać powietrze zewnętrzne lub naturalnie chłodne źródła wody.
Do wdrożenia tego systemu chłodzenia można wykorzystać takie technologie jak ekonomizery, pośrednie chłodzenie powietrzem, koła ciepła oraz płytowe wymienniki ciepła.
Możliwość zastosowania tej metody zależy od klimatu i mikroklimatu w lokalizacji centrum danych. Dlatego przed jej wyborem należy dokładnie ocenić warunki środowiskowe w danym miejscu. Przy odpowiednich warunkach free cooling może zmniejszyć zużycie energii i emisję dwutlenku węgla. Może być szczególnie skuteczny w centrach danych obsługujących wymagające obciążenia, takie jak AI i obliczenia wysokiej wydajności (HPC).
Deploy Your VPS in Leading Data Centers
Choose from multiple global locations and launch a powerful virtual server with high-speed connectivity, reliable infrastructure, and flexible resources.
Trendy i przyszłość chłodzenia centrów danych
Jedną z najważniejszych kwestii w chłodzeniu centrów danych jest minimalizacja jego wpływu na środowisko. Niektóre istniejące metody chłodzenia okazały się skuteczne i nadal mogą być powszechnie stosowane. Jednak metody, które prawdopodobnie upowszechnią się w przyszłości, przynoszą większe korzyści dla środowiska i oferują skuteczniejsze sposoby zagospodarowania ciepła odpadowego. Należą do nich:
- Chłodzenie adaptacyjne: W tej metodzie sztuczna inteligencja dostosowuje poziom chłodzenia do bieżącego stanu i obciążenia serwerów. Zapobiega to nadmiernemu chłodzeniu i niepotrzebnemu zużyciu energii.
- Brzegowe centra danych: Coraz szersze wykorzystanie brzegowych centrów danych (edge) pozwala przetwarzać dane bliżej użytkowników. Obiekty te mogą wdrażać nowsze metody chłodzenia, dostosowane do ich specyficznych warunków.
- Zrównoważona energia: Wykorzystanie energii słonecznej i wiatrowej w połączeniu z akumulatorami i systemami magazynowania energii może pomóc centrom danych ograniczyć zużycie energii i ślad węglowy.
Które duże centra danych korzystają z chłodzenia cieczą?
Główni operatorzy centrów danych, tacy jak Google, Amazon i Hetzner, przez wiele lat polegali na chłodzeniu powietrzem. Ich systemy chłodzenia nie zmieniły się w tym czasie znacząco, choć niektórzy wprowadzili również chłodzenie ewaporacyjne. Ponieważ jednak instalacja takich systemów może być kosztowna i budzić obawy środowiskowe, zwłaszcza dotyczące zużycia wody i jej powrotu do środowiska naturalnego, nie są one stosowane wszędzie.
Obecnie nie ma zbyt wielu szczegółowych danych ani informacji na temat metod chłodzenia stosowanych w centrach danych AI. Infrastruktura obsługująca platformy takie jak OpenAI, Claude i Gemini musi jednak korzystać z technologii chłodzenia cieczą, przynajmniej w przypadku serwerów obsługujących wyjątkowo wymagające obciążenia.
W 2018 roku Microsoft umieścił na dnie morza szczelne centrum danych wielkości kontenera, aby przetestować pomysł budowy podwodnych centrów danych. Ponieważ woda morska przewodzi prąd, sprzęt serwerowy nie miał z nią bezpośredniego kontaktu i był chroniony w wodoszczelnej obudowie. Stosunkowo niska i stabilna temperatura otaczającej wody morskiej pomagała chłodzić serwery.
Serwery te pracowały pod wodą przez około dwa lata. Mimo dużego potencjału projektu w zakresie obniżenia kosztów budowy i chłodzenia serwerów żadna firma ani operator centrów danych nie wdrożył od tego czasu tego rozwiązania na dużą skalę.
Budowa centrów danych pod wodą może negatywnie wpływać na życie morskie i w dłuższej perspektywie zaburzać ekosystemy wodne.
Na koniec: jak chłodzenie adaptacyjne poprawia efektywność centrum danych?
Chłodzenie adaptacyjne wykorzystuje sztuczną inteligencję i dane w czasie rzeczywistym do ciągłego dostosowywania poziomu chłodzenia do obciążenia serwerów i warunków środowiskowych. Dostarczając chłodzenie tylko tam i wtedy, gdzie i kiedy jest potrzebne, pozwala uniknąć nadmiernego chłodzenia, zmniejszyć zużycie energii i poprawić ogólną efektywność centrum danych.
FAQ
1. Czy chłodzenie immersyjne można stosować we wszystkich typach serwerów?
Chłodzenie immersyjne można stosować w przypadku szerokiej gamy serwerów i obciążeń, ale nie każdy sprzęt serwerowy jest automatycznie kompatybilny z tą metodą. Podzespoły muszą nadawać się do zanurzenia w nieprzewodzącej cieczy dielektrycznej, a ponadto należy uwzględnić takie czynniki jak kompatybilność sprzętu, wymagania serwisowe i projekt obiektu.
2. Czy chłodzenie cieczą zużywa mniej energii niż chłodzenie powietrzem?
W wielu przypadkach chłodzenie cieczą może zużywać mniej energii niż chłodzenie powietrzem, ponieważ ciecze przekazują ciepło wydajniej niż powietrze. Oznacza to, że systemy chłodzenia mogą potrzebować mniej energii do odprowadzania ciepła z serwerów o wysokiej gęstości. Rzeczywiste oszczędności energii zależą jednak od konstrukcji systemu chłodzenia, obciążenia serwerów i infrastruktury centrum danych.
