Модульные системы климатизации в ЦОД

Увеличение количества серверов приводит к росту энергопотребления и повышает тепловую нагрузку, поэтому расширение ЦОД по принципу простого добавления дополнительных компонентов — это тупиковый путь. Рано или поздно все денежные средства, выделяемые на приобретение новых мощностей, придется направлять на оплату электроэнергии, прежде всего для питания систем охлаждения. Таким образом, из-за повсеместной потребности в высокодоступных системах тема климатизации в ЦОД все чаще становится ключевой для инфраструктуры ИТ, причем заказчикам нужны решения, разработанные с учетом конкретных потребностей.

Исследование, проведенное аналитиками из Borderstep, еще в 2008 году наглядно продемонстрировало, как постоянное увеличение вычислительных мощностей сказывается на общем энергопотреблении предприятия. В связи с непрерывным повышением стоимости электроэнергии такой рост потребления может превратиться в неконтролируемое финансовое бремя, если ответственные лица не предпримут своевременных мер по повышению энергоэффективности ЦОД.

Особое внимание следует уделить вопросам охлаждения. Современные модульные серверы (Blade Server) позволяют реализовать очень высокую плотность монтажа оборудования, что ведет к повышению тепловой нагрузки на один кубический сантиметр воздуха, с которой желательно справляться наименее затратным способом. Поскольку сокращение расхода электроэнергии на охлаждение систем благоприятно сказывается на окружающей среде, такие проекты можно снабдить этикеткой «зеленые ИТ» (Green IT), даже если главным аргументом для внедрения подобных решений являются не экологические, а экономические соображения.

Помимо этого, физическая инфраструктура в ЦОД в значительной мере определяет безопасность и надежность систем. Ведь без надежной инфраструктурной базы все остальные инвестиции в ИТ в худшем случае окажутся абсолютно бесполезными: если серверы выходят из строя или система энергоснабжения имеет недостаточную мощность, до программного обеспечения дело просто не дойдет.

Потенциально проблематичная тепловая нагрузка в ограниченном пространстве, возникающая при использовании модульных серверов, все чаще беспокоит владельцев не только больших ЦОД, но и серверных помещений разного размера. Наиболее современные решения для ЦОД, где используется концепция климатизации на основе разделения холодных и горячих коридоров, обычно предлагаются только для вычислительных центров, возводимых с нуля. При этом в изменениях нуждаются и многочисленные уже существующие ЦОД.

Значительная часть разных ЦОД — это малые и средние инсталляции, но производители систем охлаждения лишь недавно начали осознавать тот факт, что только модульные системы с возможностью комбинирования продуктов смогут гибко и выгодно удовлетворить потребности различных клиентов. Слишком долго производители уделяли внимание либо отдельно стоящим серверным стойкам, либо крупномасштабным кластерам совместно используемых серверов (Colocation Cluster). В то же время некоторые компании, уже несколько лет делают ставку на модульные концепции.

Сегодня доступна целая палитра взаимосогласованных продуктов, позволяющих реализовать эффективное охлаждение для ИТ-инфраструктур любых размеров, будь то автономные мини-ЦОД или расположенные на противоположных сторонах изолированного холодного коридора ряды серверных стоек любой длины и с любым количеством оборудования. При этом применяются системы охлаждения с подачей воздуха через двойной пол, вентиляторы на боковых панелях или комбинация этих методов.

ПАРТНЕРСТВО В УПРАВЛЕНИИ

Один из важных признаков современных климатических систем — применение естественного охлаждения, где используется то обстоятельство, что температура за пределами здания ЦОД ниже, чем внутри. При прямом естественном охлаждении прохладный наружный воздух подмешивается прямо в поток воздуха, который подается в ЦОД. Один из вариантов непрямого естественного охлаждения — установка на крыше ЦОД емкостей для воды, где она остужается в холодное время года. В идеале электроэнергия при этом расходуется только на работу насосов, перекачивающих охлажденную воду в ЦОД, а не на питание мощного компрессора (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Иллюстрация базового принципа водяного охлаждения циркулирующего воздуха на примере взаимодействия установок для охлаждения воды и компонентов ЦОД (на рисунке справа).

Разумеется, и при использовании наружного воздуха возникают проблемы, которые приходится решать. Так, при прямом охлаждении влажность может превышать критический для серверов уровень или поступающий воздух оказывается слишком грязным и не отвечающим требованиям, предъявляемым оборудованием ИТ. В современных климатических установках подобные неприятности устраняются посредством подключения соответствующих фильтров. Например, компания Schaefer IT Systems при проектировании своих решений делает ставку на высокотехнологические климатические системы от Stulz.

Стратегическое партнерство со специалистами в области климатического оборудования отражает вторую основную идею внутрикорпоративной философии (помимо модульности) — партнерство в управлении. Речь идет о необходимости поддержания связей с большой группой специалистов, которые в состоянии обеспечить надлежащее качество для всех важных аспектов функционирования современных ЦОД, будь то бесперебойное энергоснабжение, защита от возгораний или охлаждение оборудования.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЛАГОДАРЯ НАПРАВЛЕННОЙ ПОДАЧЕ ВОЗДУХА

В отличие от климатизации жилых или офисных помещений, где необходимо обеспечить равномерность температуры на всем пространстве, в ЦОД приоритетное значение имеют разделение холодных и горячих воздушных масс и направленная подача воздушных потоков, иначе возникает угроза термического «короткого замыкания», то есть нежелательного смешения горячего и холодного воздуха. В результате воздух, охлажденный климатическими установками и направляемый к серверам, может снова нагреться, что приведет к снижению КПД и отрицательно скажется на энергоэффективности системы охлаждения в целом.

Поэтому все используемые продукты должны быть сконструированы таким образом, чтобы полезная холодопроизводительность климатических установок осуществлялась точно в том месте, где она действительно востребована. Благодаря этому даже при повышении плотности размещения серверов можно добиться снижения затрат и сократить расход электроэнергии.

Помимо разделения холодных и горячих коридоров, а также направленной подачи охлажденного воздуха, еще одним методом обеспечения эффективной климатизации в ЦОД является сокращение объема охлаждаемого воздуха. Изолирование холодных коридоров с помощью перегородок призвано решить именно эту задачу: когда внутри вычислительного центра площадью в несколько сотен квадратных метров создается небольшое по размеру замкнутое пространство, то объем воздуха вокруг серверов, который должен быть холодным, уменьшается.

ДЛЯ ЛЮБЫХ РАЗМЕРОВ

Следующие три примера призваны наглядно продемонстрировать, как производители могут реализовать модульные решения для комплексов ИТ различных размеров. Принципиальный аспект: и при модернизации уже существующего ЦОД, и при создании нового у предприятия должна быть возможность выбрать решение из нескольких технологий климатизации. Соответствующим образом оптимизированная концепция систем охлаждения позволит снизить потребление электроэнергии на 30–70%, особенно если ЦОД давно находится в эксплуатации. Благодаря низким инвестиционным затратам и высокой доступности оборудования эти системы окупаются очень быстро. Для систем с воздушным охлаждением зачастую достаточно всего лишь правильно расставить серверные стойки по принципу «лицом к лицу», то есть разделить холодные и горячие коридоры. Компания Schaefer IT Systems, к примеру, облегчает реализацию такого подхода с помощью своей системы перегородок для изоляции холодных коридоров.

Рисунок 2. Перфорированные плиты двойного пола выводят холодный воздух точно в тех местах изолированных коридоров, где он требуется: у тепловых очагов, порождаемых серверами.

Главная задача таких перегородок — физическое разделение холодных коридоров с лицевой стороны серверов и горячих коридоров с их тыльной стороны. Для этого в ЦОД монтируются двойные полы, стойки размещаются по принципу «лицом к лицу», а проходы между ними закрываются потолочными перекрытиями и сдвижными дверями, чтобы изолировать холодные коридоры. Через отверстия в двойном полу охлажденный воздух подается исключительно в холодные коридоры (см. Рисунок 2). Изоляция холодных и горячих коридоров, препятствующая смешению холодного и нагретого воздуха, способствует целенаправленной подаче холодного воздуха из-под двойного пола к тепловым очагам в серверных шкафах и отводу нагретого воздуха с тыльной стороны стоек обратно к охлаждающим установкам. При добавлении шкафов можно просто переместить дверные элементы на крайние стойки и добавить необходимое количество потолочных перекрытий.

В разросшихся ЦОД часто встречаются серверные шкафы от разных производителей, различающиеся по высоте и ширине. Гибкая концепция перекрытий позволяет обеспечить оптимальную изоляцию даже для уже имеющихся рядов стоек и заметно сократить объем воздуха, нуждающегося в охлаждении.

Рисунок 3. В замкнутых системах охлаждения используются вентиляторы, монтируемые на боковых панелях стоек. Они размещаются рядом с одной или между двумя закрытыми спереди и сзади стойками, отводят нагретый воздух из задней зоны стоек, охлаждают его с помощью интегрированных теплообменников с воздушным или водным охлаждением и снова подают этот воздух напрямую к фронтальной части охлаждаемых серверов.

Водяное охлаждение серверных шкафов с внутрирядными блоками вентиляторов оправданно, когда нужно установить сравнительно небольшое количество мощных — а следовательно, и «горячих» — серверов. При этом сбоку от стойки (или между двумя стойками, закрытыми спереди и сзади), размещается узкий шкаф с вентиляторами (см. Рисунок 3). Через отверстия в боковой панели стойки охлажденный воздух попадает в пространство перед серверами внутри закрытой серверной стойки. Поступающий от серверов горячий воздух отводится с обратной стороны стойки боковыми вентиляторами. Воздух охлаждается посредством регулируемого теплообменника с водяным охлаждением, а пять вентиляторов снова подают его внутрь по всей высоте стойки. Эта «замкнутая» (Closed Loop) система представляет собой, по сути, автономный миниатюрный ЦОД. Благодаря своей способности отводить до 30 кВт тепловой нагрузки от одной стойки, она обеспечивает соблюдение требований высокой доступности и надежности, предъявляемых высокопроизводительными серверами, и может комбинироваться с классическими решениями для помещений ЦОД.

Для высокопроизводительных вычислительных систем и кластерных решений пригодится еще одна концепция: стойка с водяным охлаждением, в которой теплообменник размещается под серверами и предоставляет им непрерывно циркулирующий холодный воздух. При этом реализуется принцип «охлаждения по требованию» (Cooling on Demand), то есть подается ровно столько холодного воздуха, сколько необходимо на данный момент.

Петер Веш — руководитель отдела сбыта в компании Schaefer IT Systems.