Использование вычислительной газодинамики для снижения затрат на охлаждение ЦОД

По мере увеличения плотности размещения серверов растут требования к эффективности работы системы охлаждения. На помощь приходит вычислительная газодинамика.

Первые в мире дата-центры использовались для установки мейнфреймов, которые крайне неэффективно расходовали электроэнергию и излучали огромное количество тепла. В связи с необходимостью поддерживать нормальную работоспособность систем, были разработаны различные методы их охлаждения. Наиболее часто применялось водяное охлаждение, что приводило к неприятным последствиям в случае возникновения протечек, поскольку вода, компьютеры и электричество плохо сочетаются друг с другом.

Появление распределенных вычислительных сетей позволило избавиться от этой проблемы. Каждый сервер теперь размещался в отдельном корпусе, внутри которого устанавливались вентиляторы, охлаждающие критически важные компоненты: процессор и устройства хранения данных. Горячий воздух выводился за пределы корпуса. Рост числа устанавливаемых в ЦОД серверов привел к необходимости снижения рабочей температуры воздуха, для чего стали использоваться воздушные кондиционеры (CRAC) и фальшполы. Возникновение новых серверных форм-факторов, таких, как «blade» и «pizza box», привело к переходу от использования крупных канальных вентиляторов, перемещающих большие объемы воздуха, на более мелкие радиальные вентиляторы.

Тем временем, происходил постоянный рост цен на электроэнергию, что привело к повышенному вниманию к вопросам энергоэффективности серверов. Был разработан коэффициент энергоэффективности PUE, выражающий отношение общего энергопотребления ЦОД к энергопотреблению ИТ-оборудования. Статистика PUE показывает, что в типичном дата-центре на каждый ватт, потребляемый ИТ-оборудованием, приходится более одного ватта, потребляемого системой охлаждения и прочими вспомогательными системами.

Плотность размещения оборудования и стремление к экономии

Энергоэффективность ИТ-оборудования растет быстрыми темпами, однако, увеличение плотности размещения систем зачастую не позволяет оценить, насколько экономично они функционируют.

Существует множество способов организации системы охлаждения ЦОД, к примеру: разделение на горячие и холодные зоны, повышение рабочей температуры в серверном помещении, использование свободного охлаждения. Но есть одна проблема: высокая плотность размещения оборудования приводит к возникновению горячих точек, эффективное охлаждение которых организовать достаточно непросто.

Долгие годы инженерам ЦОД приходилось действовать практически вслепую. Вычислительная газодинамика дает возможность визуализировать тепловую карту помещения, что позволяет протестировать различные сценарии по оптимизации системы. Вычислительная газодинамика давно и успешно зарекомендовала себя в таких областях, как разработка турбин и котлов. Впрочем, в индустрии ЦОД данная технология используется сравнительно редко.

Чтобы понять, почему, нам необходимо изучить историю применения вычислительной газодинамики в отрасли ЦОД. Одной из задач технического персонала дата-центра является обеспечение пожаробезопасности здания. Применение инфракрасных датчиков и датчиков температуры позволяет предотвратить возникновение серьезных проблем. Вычислительная газодинамика дает возможность построить карту нормальных температур в помещениях дата-центра и составить перечень мест, где допустимо возникновение горячих точек, что позволяет снизить число ложных срабатываний датчиков.

Вплоть до настоящего времени, ИТ-специалисты не имели доступа к этим данным. Представители технического персонала считали, что подобная информация будет не слишком полезной для ИТ-специалистов, поскольку датчики и механизмы, использующие эти данные, были предназначены для технических систем (таких, как система информационного моделирования здания). Однако, производители решений DCIM (управление инфраструктурой ЦОД), в число которых входят Eaton, Nlyte Software, Romonet, Intel, Schneider Electric и другие компании, обратили внимание на возможность применения вычислительной газодинамики для визуализации и оценки эффективности различных схем размещения ИТ-оборудования.

В те времена, закупкой DCIM-решений занимался преимущественно технический персонал. В настоящее время, ИТ-специалисты уже осведомлены о потенциальных преимуществах тех или иных DCIM-решений, и выбирают подходящие им системы исходя из этих преимуществ.

Как ИТ-персонал использует вычислительную газодинамику

Во-первых, выполняется расчет базовых показателей в существующем ЦОД, на основе которых определяются потребности в охлаждении определенных участков здания. Выявление горячих точек позволяет применять таргетированное охлаждение, что дает возможность достаточно эффективно удерживать среднюю температуру ЦОД в определенных границах. Многие компании удивляются той степени сокращения затрат, которой удается достигнуть за счет применения таргетированного охлаждения и игнорирования тех участков, которые нормально функционируют в заданном температурном режиме, не требуя охлаждения.

На следующем этапе определяются конкретные шаги для оптимизации ЦОД. К примеру, мощности существующей системы охлаждения может быть недостаточно для эффективного охлаждения стойки, полностью заполненной жесткими дисками. Размещение дискового массива в двух отдельных стойках и установка в свободном пространстве маломощного сетевого оборудования может позволить разгрузить систему охлаждения и избежать дополнительных расходов, связанных с ее модернизацией.

Далее, решается вопрос об установке нового оборудования. В виртуальной среде выполняется моделирование способности системы охлаждения нормально функционировать при вводе в строй дополнительной сотни серверов, или новой системы хранения данных, что позволяет выбрать наиболее эффективное и недорогое решение еще до закупки оборудования.

Наконец, наступает самый важный этап – анализ новых архитектур. Как отразится на работе объекта переход со специализированных стоек на модульные вычислительные платформы, такие, как Dell vStart, IBM PureFlex или Cisco Unified Computing System? Какие изменения системы охлаждения необходимо внедрить в случае организации плоской сети на основе оптоволокна? Каковы будут последствия замены модулей CRAC на свободное охлаждение или другую экономичную схему? На каких участках ЦОД необходимо уделить большее внимание охлаждению, чтобы быть уверенным в непрерывности работы дата-центра?

Вычислительная газодинамика является малоиспользуемой технологией, на которую ИТ-специалистам определенно стоит обратить свое внимание.