Computerworld: Jak usprawnić data center
Jak usprawnić data center
Marcin Marciniak
Wzrost zapotrzebowania na moc obliczeniową wymaga rozwoju centrów przetwarzania danych. Poprawę sprawności energetycznej można uzyskać przez lepsze wykorzystanie istniejących rozwiązań.
Ponieważ nigdy 100% dostarczonej energii nie służy celom obliczeniowym, każda poprawa sprawności przekłada się na niższe koszty utrzymania data center. Najpierw należy oszacować zużycie energii w serwerowni. W typowej instalacji w Polsce tylko 30% energii doprowadzonej do data center zużywają serwery – cała reszta wykorzystywana jest na zasilanie i zasilacze bezprzerwowe UPS (18%), dystrybucję energii PDU (5%), przełączniki oraz oświetlenie (2%). Około 45% wiąże się z odprowadzeniem ciepła, tę energię pobierają klimatyzatory, schładzacze i nawilżacze powietrza. Z drugiej strony praktycznie cała energia elektryczna doprowadzona do data center jest ostatecznie zamieniana na wypromieniowane ciepło. Zatem każde usprawnienie data center będzie się przekładać na zmniejszenie narzutu energii, pobieranego przez infrastrukturę, ale nie dostarczanego bezpośrednio do serwerów.
Nie trzeba arktycznego mrozu
Pierwszym krokiem, który należy podjąć, jest podwyższenie temperatury dostarczanego do serwerów powietrza. Większość producentów serwerów podkreśla, że ich sprzęt nie wymaga do pracy bardzo mocno schłodzonego powietrza. Aby obecnie sprzedawane serwery działały poprawnie, wystarczy temperatura ok. 24-25 stopni Celsiusza, pod warunkiem zachowania wymaganej ilości powietrza z tą temperaturą. Dzięki zmniejszeniu wysterowania klimatyzatorów i podwyższeniu temperatury na ich wyjściu w prosty sposób uzyskamy niebagatelne oszczędności energii elektrycznej.
Skierować powietrze tam, gdzie trzeba
Jeśli centrum przetwarzania danych wykorzystuje klasyczne moduły CRAC, a zimne powietrze dostarczane jest do urządzeń poprzez podłogę techniczną, można wykorzystać kilka rozwiązań do poprawy cyrkulacji. Pierwszym sposobem jest wykorzystanie kurtyn powietrznych, które skierują schłodzone powietrze dokładnie tam, gdzie jest potrzebne. Zastosowanie takich kurtyn pod podłogą techniczną umożliwi skierowanie powietrza bezpośrednio do zimnego korytarza, zamiast tłoczenia pod całą powierzchnię pomieszczenia. Dzięki podniesieniu ciśnienia statycznego powietrza w korytarzu chłodzenie będzie bardziej efektywne, a jednocześnie można będzie optymalizować wykorzystanie wymienników CRAC, zależnie od rozłożenia infrastruktury.
Krytycznym miejscem jest przejście, którym schłodzone powietrze spod podłogi technicznej wydostaje się przed szafy rackowe. Na ogół w takich miejscach stosowane są kraty wentylacyjne, lub też mało umiejętnie nawiercone płyty podłogowe. Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie dedykowanych płyt perforowanych z dodatkowym ożebrowaniem, które “wychwytuje” powietrze dostarczane do zimnego korytarza. Użycie płyt pozwoli na dostarczenie schłodzonego powietrza na najwyższe poziomy w szafie rackowej, w odróżnieniu od klasycznych rozwiązań, które mają sprawność średnio o połowę mniejszą. Taka płyta podłogowa umożliwi bardziej równomierne rozmieszczenie powietrza, a zatem zmniejsza prawdopodobieństwo powstawania gorących punktów, z niedostatecznym chłodzeniem.
Wyczyścić bałagan spod podłogi
Budowa korytarza pod podłogą techniczną wiąże się także z dobrym zwyczajem, o którym użytkownicy serwerowni często zapominają – chodzi o zachowanie porządku. Przestrzeń pod podłogą służy do wymiany tak potrzebnego sprzętowi powietrza, ale w wielu firmach jest wykorzystywana jako magazynek albo miejsce do prowadzenia rozbudowanego zasilania. To poważny błąd, gdyż wstawienie przeszkód w zimnym korytarzu radykalnie zmniejsza efektywność chłodzenia całego systemu.
Względy estetyczne i praktyczne wskazują na zalety prowadzenia zasilania pod podłogą, ale system dystrybucji energii nie może stawiać dużych przeszkód na drodze powietrza. Jeśli jest to trudne w realizacji, można zastosować szynoprzewody umieszczone nad szafami. Jest to korzystniejsze, ponieważ przewody zasilające nie muszą być chłodzone zimnym powietrzem w kanale doprowadzającym, a zatem z powodzeniem można je przenieść poza tę strefę. Zastosowanie szynoprzewodów nie ogranicza elastyczności instalacji, gdyż kilku producentów oferuje proste w montażu gniazda przyłączeniowe, dzięki którym można szybko zainstalować przyłącze w wybranym miejscu. Przekroje stosowanych szynoprzewodów umożliwiają obsłużenie nawet dość dużych instalacji.
Uszczelnić przepusty i szafy
Kurtyny powietrzne pod podłogą kierują ruchem zimnego powietrza. Na styku ciepłego korytarza i wyniesionej podłogi w pomieszczeniu występuje różnica ciśnień, zatem każdy nieuszczelniony otwór skutkuje mieszaniem się zimnego i ciepłego powietrza, które w ten sposób omija serwery. Nie można zatem zapominać o uszczelnieniu przepustów, by minimalizować straty – badania przeprowadzone przez znane, światowe instytucje dowodzą, że niezabezpieczone przejścia kablowe przy szafach, przy braku wyizolowanych korytarzy powietrznych, prowadzą do strat prawie 50% użytecznego powietrza pochodzącego z klimatyzatorów. Uszczelnienie można zastosować praktycznie bezinwazyjnie, przy czym na rynku dostępna jest pełna gama przepustów z różnym materiałem wypełniającym.
Niepożądana jest także recyrkulacja powietrza w obrębie samej szafy. Aby zmniejszyć to zjawisko, cała przednia ściana szafy powinna być zapełniona, dzięki czemu można wyeliminować przedostawanie się ogrzanego przez serwery powietrza z tyłu na front szafy. Nie zawsze sprzęt zajmuje całą szafę, zatem niezbędne będą panele uszczelniające. Dostępne są panele o wysokości 1U i 2U, ale także całe panele 27U, które można dociąć na wymiar, do pojedynczej jednostki. Nie warto jednak inwestować w zaślepki metalowe, częstokroć dostarczane przez producentów szaf, gdyż nie zawsze są one wystarczająco szczelne (nawet szczelina o szerokości rzędu pojedynczych milimetrów powoduje niepożądaną recyrkulację powietrza).
Pełna izolacja korytarzy
Kurtyny paskowe chronią przed ucieczką schłodzonego powietrza poza zimny korytarz. Gdy strumień powietrza z klimatyzatorów jest już dobrze ukierunkowany, a wszelkie przejścia uszczelnione, warto rozważyć pełną izolację zimnych lub ciepłych korytarzy. W zależności od potrzeb i przeznaczonych nakładów inwestycyjnych, kwestię można rozwiązać na kilka sposobów. Najpopularniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie termicznych kurtyn paskowych, przymocowanych do sufitu w miejscach okalających zimny korytarz między rzędami szaf. Kurtyny te zapobiegają przedostawaniu się schłodzonego powietrza do przestrzeni serwerowni, dzięki czemu zmniejszy się obciążenie systemu klimatyzacji. Jest to rozwiązanie niskonakładowe, które bardzo dobrze sprawdza się w miejscach rzadko odwiedzanych przez ludzi. To popularny sposób oddzielenia korytarzy, stosowany także w centrach danych firmy Google. Opisana opcja jest godna polecenia, gdy w rzędach są zainstalowane szafy różnych producentów, o różnych rozmiarach. Nie zawsze można taką kotarę zamocować do sufitu, ponieważ niektóre pomieszczenia serwerowni są adaptowane ze zwykłych pokoi biurowych z podwieszanym sufitem albo jest to wydzielona część wysokiej hali. W takim przypadku można zastosować seryjnie produkowane lub wykonane na wymiar zadaszenia z płytami z tworzyw sztucznych (najczęściej z poliwęglanu), które łączy się z kurtynami paskowymi przy wejściach do strefy. Jeśli wszystkie szafy są identyczne, można zastosować dedykowany zestaw modułów zadaszenia oraz hermetyczne drzwi odsuwane z kontrolą dostępu – czyli modułową konstrukcję popularnie nazywaną kioskiem. Jest to regułą w przypadku nowo budowanych centrów przetwarzania danych, ale przy modernizacji można rozważyć stopniową migrację do tego rozwiązania, gdyż oferuje ono elastyczność i łatwość osiągnięcia wysokiej sprawności energetycznej.
Monitoring parametrów
Zasilanie pod sufitem nie koliduje z korytarzami powietrznymi w podłodze. Do utrzymania optymalnych parametrów pracy centrum przetwarzania danych niezbędne są narzędzia monitorowania. System jest złożony z czujników temperatury, wilgotności powietrza oraz zużycia energii elektrycznej. Powinien on analizować informacje pochodzące z różnych źródeł, by reagować na wczesne symptomy awarii. Dzięki niemu można także dokonać optymalizacji rozłożenia urządzeń w szafach. Rozmieszczenie wielu czujników temperatury umożliwia przenoszenie serwerów i macierzy między szafami w taki sposób, by maksymalizować chłodzenie przy jak najmniejszym obciążeniu urządzeń chłodzenia i klimatyzacji precyzyjnej. System powinien być całkowicie oddzielony od istniejącego systemu BMS, zarządzającego parametrami budynku ze względów bezpieczeństwa.
Tekst powstał na podstawie materiałów dostarczonych przez Łukasza Pyrtko, absolwenta Politechniki Wrocławskiej, odpowiedzialnego w DISKUS Polska za tematykę optymalizacji DC.
