Serverių aušinimo sistemos

Kodėl serveriams reikia aušinimo

Kai pagalvojame apie serverius, dažniausiai įsivaizduojame didžiulius duomenų centrus, kupiną mirguliuojančių lempučių ir besisukančių ventiliatorių. Bet kodėl tie ventiliatoriai apskritai ten yra? Atsakymas paprastas – serveriai gamina šilumą, ir daug šilumos.

Kiekvienas procesorius, kietasis diskas ar atmintis, apdorodami duomenis, paverčia dalį elektros energijos šiluma. Tai fizikos dėsnis, kurio niekaip neapeisite. Kai turite dešimtis ar net šimtus serverių vienoje patalpoje, šilumos kiekis tampa milžiniškas. Be tinkamo aušinimo, įranga greitai perkaistų ir sugriūtų – procesoriai pradeda lėtinti veikimą, komponentai sensta greičiau, o blogiausiu atveju viskas tiesiog išsijungia.

Įdomu tai, kad serverių aušinimas nėra vien techninis reikalas. Tai tapo viena didžiausių išlaidų straipsnių duomenų centrams. Pagal kai kurias apskaitas, iki 40% visos elektros energijos sunaudojama būtent aušinimui, o ne pačių serverių darbui. Todėl efektyvios aušinimo sistemos yra ne tik techninis, bet ir ekonominis klausimas.

Tradicinis oro aušinimas – sena, bet patikima

Pati paprasčiausia ir plačiausiai naudojama aušinimo technologija yra oro aušinimas. Principas čia toks pat kaip ir jūsų kompiuteryje namuose – ventiliatoriai pučia orą per radiatorius, kurie pritvirtinti prie karščiausių komponentų.

Serverių kambariuose šis principas taikomas masiniu mastu. Šaltas oras tiekiamas į patalpą, dažniausiai pro grindų plyšius ar specialias angas priekyje serverių spintų. Oras praeina pro serverius, sugeriant jų išskiriamą šilumą, o tada ištraukiamas iš patalpos per ištraukimo sistemas. Šiltas oras nukreipiamas į kondicionavimo sistemas, kur vėl atvėsinamas ir grąžinamas atgal.

Vienas iš pagrindinių iššūkių – karšto ir šalto oro atskyrimas. Jei šiltas oras iš serverių išėjimo maišosi su šaltu oru prieš patekdamas į serverius, visa sistema tampa neefektyvi. Todėl moderniuose duomenų centruose naudojamos specialios užtvaros, kurios fiziškai atskiria šaltus ir karštuosius koridorius. Kartais net statomos sandariai uždarytos erdvės – tarsi stiklinės kabinos aplink serverių eiles.

Skysčių aušinimas – kai oro nebepakanka

Kai serveriai tampa vis galingesni ir tankiau supakuoti, oro aušinimas pasiekia savo ribas. Čia į pagalbą ateina skysčių aušinimas, kuris gali perduoti šilumą daug efektyviau nei oras.

Yra keletas skysčių aušinimo būdų. Paprasčiausia versija – uždaros kilpos sistema, kur specialus skystis cirkuliuoja vamzdžiais, prijungtais prie serverių komponentų. Skystis sugerbia šilumą, nukeliauja į šilumokaičius, kur atvėsta, ir grįžta atgal. Tai primena automobilio aušinimo sistemą.

Pažangesnis variantas – tiesioginis skysčių aušinimas, kai serverio komponentai tiesiogiai panardinti į specialų neelektrai laidų skystį. Skamba keistai, tiesa? Bet kai kurie duomenų centrai jau naudoja tokias sistemas. Skystis gali būti mineralinė alyva ar specialūs sintetiniai skysčiai, kurie visiškai nesugadina elektronikos.

Dar vienas įdomus metodas – dviejų fazių aušinimas. Čia naudojamas skystis, kuris virsta garais žemoje temperatūroje. Kai jis liečia karštą procesorių, iškart išgaruoja, sugerdamas didžiulį šilumos kiekį. Garai tada kondensuojasi atgal į skystį specialiuose šaldytuvuose. Šis procesas vyksta uždaroje sistemoje ir yra nepaprastai efektyvus.

Laisvasis aušinimas – kai gamta padeda

Ne visada reikia sudėtingų technologijų. Kai kurie duomenų centrai pastatyti vietose, kur klimatas leidžia naudoti išorinį orą aušinimui – tai vadinama laisvojoje aušinimu arba free cooling.

Šiaurės šalyse, pavyzdžiui, Islandijoje, Švedijoje ar Suomijoje, išorės temperatūra didelę metų dalį yra pakankamai žema, kad tiesiogiai aušintų serverius. Oras tiesiog įtraukiamas iš lauko, filtruojamas ir tiekiamas į serverių patalpas. Jokių sudėtingų kondicionierių, jokių didelių elektros sąskaitų už aušinimą.

Žinoma, reikia atsižvelgti į oro drėgmę ir užterštumą. Per drėgnas oras gali sukelti kondensaciją, o dulkės ar kitos dalelės gali užsikimšti ventiliatoriai ir radiatoriai. Todėl net ir naudojant laisvąjį aušinimą, reikalingos filtravimo ir drėgmės kontrolės sistemos.

Kai išorės temperatūra pakyla, paprastai naudojamas hibridinis metodas – dalis aušinimo atliekama laisvu oru, o kai jo nepakanka, įsijungia tradiciniai kondicionieriai. Tai leidžia maksimaliai sutaupyti energijos, bet išlaikyti patikimą aušinimą visais metų laikais.

Kaip matuojamas aušinimo efektyvumas

Duomenų centrų pasaulyje yra specialus rodiklis, vadinamas PUE (Power Usage Effectiveness). Jis parodo, kiek bendrai elektros energijos sunaudojama, palyginti su tuo, kiek eina tiesiogiai IT įrangai. Idealus PUE būtų 1.0, reiškiantis, kad visa energija eina tik serveriams. Bet realybėje toks rezultatas neįmanomas.

Vidutinis duomenų centro PUE yra apie 1.5-1.8, o tai reiškia, kad už kiekvieną kilovatą, kurį sunaudoja serveriai, dar 0.5-0.8 kilovato eina aušinimui, apšvietimui ir kitoms infrastruktūros reikmėms. Geriausi pasaulio duomenų centrai pasiekia PUE apie 1.1-1.2, ir tai laikoma puikiu rezultatu.

Kaip pasiekti geresnį PUE? Visų pirma, efektyvesnis aušinimas. Kuo mažiau energijos reikia aušinimo sistemoms, tuo geriau. Antra, optimalesnis serverių išdėstymas ir oro srautų valdymas. Trečia, išmanus temperatūros valdymas – ne visada reikia aušinti iki 18 laipsnių, dažnai pakanka 24-25 laipsnių.

Ateities technologijos ir eksperimentai

Kai kurios kompanijos eksperimentuoja su tikrai netradiciniais aušinimo metodais. Microsoft keletą metų bandė serverius dėti po vandeniu – tiesiogiai į vandenyną. Projektą pavadino „Project Natick”. Idėja buvo paprasta: vandenyno dugne temperatūra stabili ir žema, o vandens aplink daug. Eksperimentas parodė įdomių rezultatų – serveriai po vandeniu veikė net patikimiau nei sausumoje, nes nebuvo drėgmės svyravimų ir dulkių.

Kita įdomi kryptis – šilumos panaudojimas. Vietoj to, kad tiesiog išmestume šilumą į aplinką, kodėl jos nepanaudoti? Kai kurie duomenų centrai jau šildo gretimus pastatus ar net ištisus kvartalus savo serverių išskiriama šiluma. Helsinkyje, pavyzdžiui, duomenų centras tiekia šilumą miesto centrinio šildymo sistemai.

Yra ir dar drąsesnių idėjų. Viena kompanija kuria serverius, kurie veikia aukštesnėje temperatūroje – apie 40-50 laipsnių. Tai leistų panaudoti paprastesnį ir pigesnį aušinimą, o išskiriamą šilumą būtų lengviau pritaikyti praktiniams tikslams, nes ji būtų aukštesnės temperatūros.

Dirbtinis intelektas ir mašininis mokymasis taip pat keičia aušinimo valdymą. Google naudoja AI sistemas, kurios realiu laiku analizuoja tūkstančius duomenų taškų ir optimizuoja aušinimo parametrus. Rezultatas – iki 40% mažesnis energijos suvartojimas aušinimui.

Praktiniai patarimai mažesniems serverių kambariams

Ne visi turime didžiulius duomenų centrus, bet principai galioja ir mažesniems serverių kambariams įmonėse ar organizacijose.

Pirma, įsitikinkite, kad turite tinkamą oro cirkuliaciją. Serveriai turėtų būti išdėstyti taip, kad šaltas oras patektų į priekį, o šiltas išeitų iš galo. Niekada nestatykite serverių taip, kad jų išėjimai būtų nukreipti į kitų serverių įėjimus.

Antra, naudokite serverių spintų duris su skylutėmis arba net specialias perforuotas duris. Jos leidžia orui laisvai cirkuliuoti. Jei jūsų serverių spintoje yra tuščių vietų tarp serverių, užpildykite jas specialiomis užtvaromis – tai neleis orui „trumpinti kelio” ir priversite jį tekėti per serverius.

Trečia, stebėkite temperatūrą. Įsidiekite kelis temperatūros daviklius skirtingose vietose – priekyje, gale, viršuje ir apačioje. Tai padės pastebėti karštus taškus ir problemas su oro cirkuliacija. Daugelis šiuolaikinių serverių turi integruotus temperatūros daviklius, kurių duomenis galite stebėti nuotoliniu būdu.

Ketvirta, reguliariai valykite filtrus ir patikrinkite ventiliatorius. Užsikimšę filtrai ar sugedę ventiliatoriai gali sukelti rimtų problemų. Nustatykite reguliarią priežiūros tvarkaraštį – bent kartą per ketvirtį.

Kai technologija susitinka su realybe

Serverių aušinimas gali atrodyti kaip grynai techninis klausimas, bet iš tiesų tai sudėtinga pusiausvyra tarp efektyvumo, patikimumo ir ekonomikos. Nėra vieno idealaus sprendimo visiems – tai, kas veikia Islandijos duomenų centre, gali būti visiškai netinkama tropikų klimato šalyje.

Svarbu suprasti, kad aušinimo technologijos nuolat tobulėja. Tai, kas prieš dešimtmetį atrodė kaip fantastika – serveriai po vandeniu ar panardinti į alyvą – šiandien jau realybė. O kas bus po dešimties metų? Galbūt serveriai, kurie visai nereikalauja aktyvaus aušinimo, arba tokios efektyvios sistemos, kad PUE bus artimas 1.0.

Kol kas viena aišku – kuo daugiau duomenų apdorojame, kuo galingesni tampa serveriai, tuo svarbesnė tampa aušinimo problema. Ir jos sprendimas yra ne tik technologijų klausimas, bet ir kūrybiškumo, novatoriškumo bei atsakomybės aplinkai derinys. Geriausios aušinimo sistemos yra tos, kurios ne tik veikia efektyviai, bet ir daro tai aplinkosaugiškai bei ekonomiškai.