Jak funguje free cooling datacenter a proč je geniální
Nejlepší věci v životě jsou zdarma. Za spoustu důležitých záležitostí ale musíme platit. O to bolestivější je, když platíme navíc zbytečně. Free cooling, nebo česky volné chlazení datacenter, je prakticky zdarma. A v porovnání s ním vypadá placení za klasické kompresorové chlazení úplně zbytečně. Ale pěkně popořádku: chlad je klíčový. Bez chlazení by třeba datacentra IBM v severní Itálii byla stejně horká jako trouby na pizzu ve firemní kantýně. Jak ale servery neupéct a zároveň firmu nezruinovat? Právě pomocí technologie free cooling, takzvaného volného chlazení.
- 09. 09. 2015
- 7 min čtení
V podstatě vždy, když mluvíme o počítačích, teplo a vyšší teploty vnímáme negativně. Většina komponent teplo produkuje a potřebuje se ho rychle zbavit, aby neklesl jejich výkon nebo se přímo nepoškodily. Procesory se dokážou vlastním teplem úplně usmažit, čipy v grafických kartách jakbysmet, ideální provozní teplotu mají i pevné disky. Chlazení je v počítačích prostě důležité. To stejné platí pro datacentra, jen ve větším měřítku.
Spousta elektřiny znamená spoustu tepla
Datacentra hýbou internetem, ale za velkou cenu. A to doslova. Jejich provoz je drahý. A to především kvůli nákladům na energii – větší datacentra spotřebují až pětinu produkce velké uhelné elektrárny. Vybavení velkých datacenter se v lecčems tolik podobá tomu u producentů energie, že Google se nedávno rozhodl postavit jedno datacentrum přímo v brzy končící alabamské elektrárně.
Spotřeba energie datacenter v USA neustále roste
Datacentra produkují každý den pořádné horko. Servery jsou vytížené často a vyzařují spoustu tepla, které je nutné odvádět pryč. Chlazení serverů donedávna vládly klasické kompresorové klimatizace. Ty ale spotřebují mnoho energie a jsou tedy dost drahé. Pro velká datacentra už se jedná o nezanedbatelné částky, náklady na energie a chlazení bývají i vyšší než pořizovací cena vybavení, které obstarávají.
Každý technologický postup, který z toho obrovského koláče nákladů na energii trochu ukousne, je vyvažován zlatem. A právě tady vstupuje do hry free cooling.
Když je horko, otevřete okna
Princip fungování free coolingu je geniálně jednoduchý. Stačí porozumět dvěma postupům. U klasického kompresorového chlazení se používá prakticky pořád ten stejný vzduch. K serverům se přivede chladný, tam přijme jejich teplo, pak je odveden ventilátory pryč, kompresory zchlazen a pak se vrátí zase k serverům. A tak pořád dokola.
Free cooling tuhle rovnici trochu překopává. Vzduch se totiž po ohřátí u serverů všechen (nebo alespoň jeho část) vypustí ven, a na jeho místo se vhání chladnější vzduch zvenčí. Venkovní vzduch je totiž v mnoha oblastech světa po velkou část roku přirozeně chladnější než teploty uvnitř datacentra. Není tedy nutné teplý vzduch zchlazovat v kompresorech a z procesu tak odpadá energeticky nejnáročnější část. Proto bere free cooling svět datacenter útokem a vcelku rychle se stává novým standardem chlazení.
Důvod pro změnu? Úspory
Výhody free coolingu jsou jasné. Díky využití venkovního chladu není potřeba vzduch ohřátý od serverů speciálně zchlazovat. Prostě se ho zbavíte. Ušetří se spousta energie a tím pádem i peněz. Úspory šetří prostředky provozovateli datacentra, který pak může nabízet služby svým zákazníkům levněji. Díky nižší energetické náročnosti je volné chlazení také zelenou, ekologičtější volbou.
Free cooling je nutné promyslet
Nižší provozní náklady jsou do jisté míry podmíněné tím, že free cooling je potřeba dobře naplánovat. Jak z hlediska lokace, tak i technického provedení. Volné chlazení například potřebuje volné prostory na střeše. Nejlépe se proto uplatní při stavbách nových datacenter, kde se s takovými požadavky může počítat dopředu.
Ochlaďte se horkým vzduchem
I když se volné chlazení zdá jako spasitel datacenter, ve skutečnosti také není úplně bez komplikací. Problémem je především jeden faktor.
A tím je teplota. Vzduch proudící k hardwaru serverů bývá u kompresorových systémů většinou chlazen na teplotu kolem 20 až 25 stupňů. Tak nízkou teplotu ale na řadě míst světa nejsou free coolingové systémy schopny samy o sobě celoročně zaručit. Působí tedy jen jako pomocníci ke klasickému chlazení. Tím ale pochopitelně klesají energetické a finanční úspory, kterých mohou taková datacentra dosahovat.
Řešením může být zvýšení teploty vzduchu, který chladí servery. A to třeba až na 35 stupňů Celsia.
Pro lidi je to z 20 stupňů pořádný skok v teplotě, serverový hardware to ale podle různých studií dokáže ustát. A bez toho, aby se nějak ohrozila jeho spolehlivost nebo snížila životnost komponent.
Toto téma kvalitně prozkoumali například redaktoři z technického webu AnandTech. Zjistili, že i velmi výkonný dvanáctijádrový procesor se při provozu za vyšších teplot pohyboval v povolených hodnotách. A to dokonce i při vstupní teplotě vzduchu 40 stupňů Celsia. Tedy při dvojnásobku běžné teploty.
Jak testoval AnandTech
Do 2U serveru Supermicro 6027R-73DARF vložili dva procesory Xeon o různých úrovních TDP (což je hodnota maximálního tepla, které vyzáří v běžném zatížení). Konkrétně použili výkonnější (a také „teplejší“, s celkem 130 W TDP) E5-2697 v2 a E5-2650L v2 (který byl „chladnější“, při 70 W TDP). Použitý server byl optimalizovaný pro PUE, což znamená, že byl navržen k vysoké energetické efektivitě. Prakticky má ale jen velmi efektivní zdroj a layout, který nebrání proudění vzduchu ani při zaplnění slotů komponentami. Server vložili do takzvaného „hot boxu“, který zahříval přívodní vzduch na žádanou teplotu a simuloval tak situaci v horkém datacentru.
Výkon se za vyšších teplot prakticky nelišil. Úspory přitom byly značné. Přestože musely větráky u serverů pracovat v teplejším prostředí více (a spotřebovaly tedy o trochu více energie), náklady na kompresorové chlazení vzduchu by pro datacentrum byly mnohem vyšší. Redaktoři AnandTechu odhadli, že zvýšení teploty z 20 na 35 stupňů Celsia téměř nezvýší energetické nároky serveru, ale datacentru by mohlo ušetřit kolem 40 procent nákladů za chlazení a ventilaci.
Odborníci z Intelu byli při podobném pokusu v mnohem větším měřítku – potrápili kolem 900 blade serverů – ještě optimističtější. Podle nich by přechod na free cooling a vyšší provozní teploty ušetřil jejich datacentru až 67 procent nákladů na chlazení, což u 10 MW datacentra ročně činí zhruba 2,87 milionů dolarů, tedy asi 70 milionů korun.
Neutrpí ale vysokými teplotami životnost hardware? Podle výše uvedeného výzkumu Intelu a dalších podobných odpověď zní: nijak zvlášť. Technici Intelu neshledali žádné konsistentní zvýšení selhávání serverů za vyšších teplot.
Jen v USA loni fungovaly 3 milionydatacenter
A co do budoucna?
Free cooling je v chlazení datacenter novinkou posledních let. Velmi rychle se ale v IT zabydluje a největší světoví provozovatelé datacenter jako Google, Facebook nebo Microsoft už staví nová datacentra chlazená výhradně touto technologií. Klasické chlazení oproti volnému není finančně výhodné, takže se dá předpokládat, že ho free cooling kompletně vytlačí během příštích několika let i na našem trhu.
V budoucnu se možná dočkáme chlazení založeného na speciálních materiálech. Loni na podzim třeba vědci z univerzity v americkém Stanfordu přišli s materiálem, který se i na přímém slunci sám ochladí vyzařováním tepelné energie o několik stupňů pod okolní teplotu. A to aniž by spotřeboval jakoukoli elektrickou energii. Letos zase jiná skupina vědců z Lousiany přišla s principem chlazení založeným na magnetickém ovlivňování materiálu. Zatím jsou ale tyto nové postupy pouze ve fázi prototypů, takže na jejich zařazení do vybavení datacenter si ještě dlouho počkáme. Do té doby bude free cooling nepřekonaným králem efektivity a ceny.
My v MasterDC už free cooling používáme. Jak volné chlazení funguje v našem brněnském datacentru vám ukážeme již brzy v dalším článku zde na blogu. Vysvětlíme v něm také rozdíl mezi přímým a nepřímým free coolingem. Přidejte se teď jedním klikem k odběratelům! Upozornění na nové články vám dorazí přímo do emailové schránky a vy se tak nemusíte o víc starat.
