Tehnički izazovi i suvremena rješenja kod hlađenja podatkovnih centara
Zašto je hlađenje temelj pouzdanosti podatkovnog centra?
U eri digitalizacije, umjetne inteligencije, cloud computinga i IoT-a, pouzdani podatkovni centar temelj je svake moderne organizacije. Učinkovito hlađenje osigurava stabilnost IT sustava, sprječava kvarove i produljuje životni vijek opreme.
Zbog sve većih zahtjeva za brzinom obrade i kapacitetom pohrane podataka, globalno tržište podatkovnih centara raste godišnjom stopom većom od 10%. Taj rast sa sobom donosi i značajno povećanje toplinske disipacije, čime raste potreba za naprednim i energetski učinkovitim rashladnim sustavima.
Što hlađenje podatkovnih centara čini kompleksnim?
Hlađenje podatkovnih centara daleko je složenije od pukog snižavanja temperature. Riječ je o precizno kontroliranom procesu koji mora pratiti ekstremne zahtjeve pouzdanosti, energetske učinkovitosti i tehnološke evolucije.
Održavanje stabilne radne temperature i relativne vlažnosti, uz neprekidno hlađenje 24/7 – tijekom cijele godine, temelj je za sprječavanje kvarova i osiguranje kontinuiranog rada sustava.
Takav neprekidan rad često se opisuje pojmom „five 9s“, koji označava godišnju raspoloživost servera od 99,999%. To znači da je dopušteno najviše oko 5 minuta zastoja godišnje, zbog čega je nužno osigurati pouzdano i redundantno hlađenje koje može spriječiti prekide u radu.
Klasične metode hlađenja, poput klimatizacijskih jedinica, sve češće nisu dovoljne, osobito kod visoko disipativne opreme, poput GPU klastera za umjetnu inteligenciju ili računalstvo visokih performansi (HPC). Kao odgovor na to, uvode se nova, tehnološki napredna rješenja, među kojima se ističu:
- Hlađenje tekućinama (liquid cooling), zbog znatno većeg kapaciteta prijenosa topline u odnosu na zrak
- Direktno hlađenje zrakom s optimiziranim protokom
- Free cooling koji koristi vanjski zrak kad god to klimatski uvjeti dopuštaju
- Modularni i podvodni podatkovni centri, kao koncepti budućnosti za ekstremnu učinkovitost i fleksibilnost
Energetska učinkovitost
PUE (Power Usage Effectiveness) je mjera energetske učinkovitosti koja predstavlja omjer ukupne potrošnje energije podatkovnog centra i potrošnje energije same IT opreme. Na taj način jasno se prikazuje koliki se udio ukupne energije koristi izravno za rad IT sustava, a koliki se troši na hlađenje, napajanje i ostalu pomoćnu infrastrukturu.
Idealna vrijednost je 1,0. No prosjek industrije često iznosi 1,4–1,8, budući da rashladni sustavi čine i do 38% ukupne potrošnje energije. Zbog toga se sve više ulaže u automatizirane sustave upravljanja energijom, koji pomoću senzora i umjetne inteligencije u realnom vremenu prilagođavaju rad rashladnih jedinica, smanjujući potrošnju bez ugrožavanja performansi.
Načini i optimizacije hlađenja podatkovnih centara:
Moderni sustavi hlađenja osmišljeni su kako bi osigurali preciznu kontrolu temperature, vlažnosti i protoka zraka uz maksimalnu energetsku učinkovitost. U nastavku predstavljamo najčešće strategije i tehnologije koje se primjenjuju u projektiranju i optimizaciji rashladnih sustava:
Upravljanje zrakom u server sobama
Hlađenje zrakom, odnosno putem klima ormara, omogućuje preciznu kontrolu temperature i vlažnosti.
Unutar klima ormara nalaze se izmjenjivači topline koji preuzimaju topli zrak iz podatkovnog centra i omogućuju učinkovit prijenos topline na rashladne medije poput freona, vode, glikola ili zraka.
Najčešća izvedba podrazumijeva distribuciju hladnog zraka kroz podignuti pod i rešetke ispred serverskih ormara (engl. rack), gdje zrak ulazi u serversku opremu. Pri prolasku kroz opremu, zrak se zagrijava i izlazi na stražnjoj strani rackova, te se zatim vraća natrag u klima ormar na ponovno hlađenje ili se odvodi u okolinu.
Kako bi se povećala energetska učinkovitost i spriječilo miješanje toplog i hladnog zraka, često se primjenjuje koncept „hot aisle/cold aisle“ – fizičko razdvajanje toplih i hladnih zona unutar server sobe. Način takvog razdvajanja prikazan je na donjim ilustracijama.
- Hladni prolazi (cold aisles): prednje strane rackova okrenute su jedna prema drugoj, a između njih se distribuira hladan zrak.
- Topli prolazi (hot aisles): stražnje strane rackova okrenute su jedna prema drugoj, gdje se skuplja topli zrak koji se zatim usisava natrag u rashladni sustav.
Lokalizirano hlađenje označava sustave u kojima je rashladna jedinica smještena u neposrednoj blizini IT opreme kako bi joj izravno dovodila hladan zrak, a razlikuje se prema tome gdje je ta jedinica postavljena:
- In-row hlađenje: Rashladne jedinice postavljene su između poslužiteljskih ormara. Time se skraćuje put hladnog zraka do opreme i smanjuje mogućnost miješanja s toplim zrakom.
- In-rack hlađenje: Rashladne jedinice smještene su unutar samih ormara, omogućujući preciznu kontrolu temperature na razini pojedinog poslužitelja.
Odabir i optimizacija rashladnog izvora
U sustavima hlađenja podatkovnih centara koriste se tri osnovna rashladna medija:
Freon:
Ovakvi sustavi su među prvim korištenim rješenjima za hlađenje IT opreme, zahvaljujući svojoj kompaktnosti, fleksibilnosti i jednostavnoj instalaciji. Pogodni su za manje i srednje server sobe jer zauzimaju malo prostora i ne zahtijevaju složenu infrastrukturu. Međutim, ovi sustavi imaju ograničenja – slabiju energetsku učinkovitost pri većim kapacitetima i nemogućnost korištenja free cooling-a, što ih čini manje pogodnima za velike podatkovne centre.
Zrak:
Zrak se može koristiti kao izvor hlađenja primjenom „economizer“ sustava, koji koristi hladan vanjski zrak za direktno hlađenje prostora bez dodatne obrade. Ova metoda ne koristi vodu, čime se osigurava veća sigurnost za elektroničku opremu.
Međutim, zbog strogo definiranih granica temperature i vlage u server sobama, primjena ove metode ograničena je vremenskim uvjetima i klimatskom zonom.
U toplijim regijama ponekad se primjenjuje adijabatsko hlađenje, pri čemu se topli povratni zrak hladi raspršivanjem vode koja isparavanjem snižava temperaturu i ovlažuje zrak. Ovi sustavi zauzimaju daleko više prostora nego sustavi sa freonom ili vodom što dodatno smanjuje njihovu mogućnost primjene.
Voda:
Voda kao izvor rashlade posebno je pogodna za manje podatkovne centre u kojima već postoji vodeni sustav, kao i za vrlo velike centre u kojima se isplati ulaganje u vodeni rashladni sustav. Prednost vodenog hlađenja je visoka energetska učinkovitost i stabilan rad neovisno o klimatskim uvjetima.
Za dodatnu uštedu energije često se koristi metoda „free cooling“, koja u hladnijim klimama koristi hladan vanjski zrak za hlađenje vode bez dodatnog mehaničkog hlađenja. Na takav način se smanjuju troškovi i utjecaj na okoliš. Zrak za free cooling moguće je pripremiti i dodatno ohladiti adijabatskim hlađenjem.
Također, moguće je primijeniti i „heat recovery“ – sustav kojim se toplina iz zagrijane vode koristi za grijanje drugih prostora kojima je potrebna toplinska energija, čime se dodatno povećava energetska učinkovitost cijelog sustava.
Glavna ograničenja ovog sustava su veća tehnička kompleksnost i održavanje.
Kako rashladne tehnologije nove generacije povezuju tehničku izvrsnost i održivost?
Zbog ograničenja hlađenja klima ormarima, sve se više primjenjuju sustavi hlađenja vodom ili drugim rashladnim tekućinama, koji imaju znatno veći kapacitet prijenosa topline – čak i do 3000 puta učinkovitiji od zraka. Među takvim rješenjima ističu se:
Hlađenje izmjenjivačima topline na vratima rackova / Rear-door heat exchangers
Jedna od primjena nove generacije rashladne tehnologije je integracija izmjenjivača topline na stražnja vrata serverskih ormara. Ova metoda omogućuje direktno hlađenje na izvoru topline, što smanjuje opterećenje centralnog rashladnog sustava i povećava učinkovitost rada.
Izravno hlađenje čipova tekućim medijem / Direct-to-Chip Liquid Cooling
Kod direct-to-chip hlađenja, rashladna tekućina se putem cijevnog sustava dovodi izravno do procesora, GPU-a i drugih ključnih komponenata. Time se omogućuje precizna i lokalizirana regulacija temperature, posebno korisna kod visokih toplinskih opterećenja.
Uranjanje u dielektričnu tekućinu / Immersion Cooling
Najnaprednija tehnologija hlađenja uključuje uranjanje IT opreme u dielektričnu tekućinu. Ova tekućina ne provodi električnu struju, ali učinkovito odvodi toplinu s cijele površine hardverskih komponenti.
Prednosti ovih rješenja uključuju visoku energetsku učinkovitost, preciznu regulaciju temperature i mogućnost hlađenja komponenata s velikim toplinskim opterećenjem. Ipak, nedostaci ovih sustava su veća početna investicija, kompleksnija instalacija te potreba za redovitim tehničkim održavanjem.
Optimizirajte hlađenje. Smanjite troškove. Očuvajte sustav.
U kontekstu ubrzane digitalne transformacije, rastuće potrebe za obradom podataka i sve veće kompleksnosti IT infrastrukture, hlađenje podatkovnih centara postaje jedan od najvažnijih tehničkih i energetskih izazova. Tradicionalni sustavi hlađenja, iako još uvijek prisutni, sve više ustupaju mjesto naprednim tehnologijama koje nude veću učinkovitost, bolju kontrolu i manji utjecaj na okoliš.
S Alfa Thermom birate tehničku izvrsnost, energetsku učinkovitost i rješenja koja traju. Izaberite partnera za pametno i pouzdano hlađenje podatkovnihh centara.
Planirate li izgradnju ili optimizaciju podatkovnog centra? Posjetite naš kontakt obrazac za savjetovanje.
