اندازه گیری و مدیریت جریان هوا در دیتاسنتر

موضوع مقاله پیش رو  اندازه گیری و مدیریت جریان هوا برای بهبود کارایی خنک سازی و استفاده از انرژی در دیتاسنترها با کمک کف کاذب است.

اخیرا، رشد گسترده در تراکم مصرف برق دیتاسنترها و مقیاس کاری آن ها باعث شده که چالش‌های جدی برای سیستم‌های خنک کننده ایجاد شود. در یک طرف، عاملین دیتاسنترها تلاش می‌کنند تا منابع خنک سازی را افزایش دهند تا در اثر افزایش گرما، در سرور مشکلی ایجاد نشود. در طرف دیگر، آنها در تلاش هستند تا هزینه‌های انرژی خودشان را کاهش دهند؛ زیرا سیستم‌های خنک کننده بخش زیادی از انرژی دیتاسنترها را مصرف می‌نمایند. در میان تمام راهکارهای خنک سازی دیتاسنترها، خنک سازی با استفاده از هوا، رایج‌ترین روش خنک سازی در صنعت دیتاسنتر  است که به دلیل سهولت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کارایی خنک سازی این روش به دلیل تراکم هوایی کم و گرمای ویژه پایین، همیشه مورد سوال بوده است. در این مقاله، ما یک مرور کلی برای تلاش‌های انجام شده به منظور بهبود کارایی خنک سازی هوایی، ارائه می‌دهیم. تحقیقات موجود در این زمینه بر اساس مکان‌هایی که می‌توان از دیدگاه چرخه جریان هوا اجرا کرد، دسته بندی شده اند. همچنین موضوعات اندازه گیری گرمایی را هم در این مقاله بررسی می‌کنیم. امیدواریم که این مقاله بتواند به محقق‌ها و مهندسان کمک کند تا بتوانند سیستم‌های خنک سازی هوای دیتاسنتر را طراحی و کنترل نمایند.

تکنیک‌های مختلف برای کاهش مصرف انرژی در دیتاسنترها، یکی از مهم‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی دهه های اخیر بوده است. با وجود ظهور تکنولوژی‌های مختلف در زمینه صرفه جویی در انرژی در سال‌های اخیر، به نظر می‌رسد که افزایش در تعداد و سایز دیتاسنترها به دلیل افزایش نیاز رایانشی، قابل توقف نیست. در نتیجه، گرایش کلی مصرف انرژی در دیتاسنتر ها همواره در حال افزایش است. بر اساس یک گزارش توسط شورای دفاعی منابع ملی (NRDC)، مرکز داده‌های ایالات متحده احتمالا در سال 2020 حدود 140 میلیارد kWh برق مصرف می‌کنند. هزینه برای برق ارزان تر از خرید سرور های جدی‌ست.

برای کاهش تاثیرات زیست محیطی ایجاد شده در اثر افزایش بیش از حد انرژی در دیتاسنترها، راهکارهای مختلفی ارائه شده است که اینترنت انرژی یکی از روش‌های امید بخش است؛ زیرا این روش می‌تواند انرژی‌های تجدید پذیر و پاک مختلف را با عملکرد سریع، یکپارچه نماید.

 

مکانیسم های مدیریت حرارتی

مصرف کنندگان عمده برق در مراکز داده سیستم فناوری اطلاعات (IT) و سیستم خنک کننده هستند. در حالی که اولی بهره وری محاسباتی مورد نیاز را ارائه می‌دهد و دومی اغلب به عنوان یک سیستم ثانویه یا کمکی در نظر گرفته می‌شود؛ زیرا هدف آن فقط حذف گرما از اتاق ماشین آلات است. متأسفانه، سیستم خنک کننده برای کار به 50٪ از کل انرژی مصرفی مرکز داده نیاز دارد. علاوه بر این، تنظیم آن نیز تأثیر قابل توجهی بر روی مصرف انرژی سیستم IT دارد.

مکانیسم های مدیریت حرارتی نیز برای بهبود کارایی خنک سازی و کاهش هزینه سرمایش ضروری هستند. علاوه بر این، این فرآیندها همچنین اقدامات کلیدی برای جلوگیری از تخریب قابلیت اطمینان و تخریب حرارتی سیستم محسوب می‌شوند.

برای اپراتورهای مرکز داده راه حل‌های مختلفی برای خنک سازی در دسترس است که بدون شک روش خنک کننده هوا، روش اصلی مورد استفاده در این صنعت است.

جایی که جریان هوا از سیستم هوای اتاق کامپیوتر (CRAH)  شروع می‌شود از چندین مولفه مانند فضای زیر کف کاذب، کاشی‌های دارای منفذ، راهروی سرد، طبقه سرورها، راهروی گرم عبور کرده و در نهایت دوباره به CRAH باز می گردد. چگونگی اندازه گیری و مدیریت میزان هوای مطبوع در این زمینه بسیار حائز اهمیت است. به طور دقیق‌تر، ما ابتدا روش‌ها و ابزار اندازه گیری میزان فشار هوا را بررسی می‌کنیم و سپس کارهای موجود را برای دو بخش کنترل کلیدی، یعنی تأمین دمای هوا و سرعت فن بررسی خواهیم کرد. سرانجام، تکنیک‌های مدیریت جریان هوا در هر جز سیستم در چرخه بررسی می‌شود.

سیستم‌های خنک کننده دیتاسنترها و مروری بر چرخه‌های جریان هوا

دیتاسنترهایی که در مقیاس گسترده ساخته شده اند، توسط سیستم‌های آب سرد خنک می‌شوند که شامل سه حلقه هستند که این موضوع در شکل 1 نشان داده شده است.

 

اکنون به توضیح این 3 حلقه خواهیم پرداخت:

• حلقه‌های راهروی هوا:

حلقه‌های راهروی هوا با استفاده از تراورس‌های CRAH از پلنوم زیر کف ساخته شده اند. به دلیل تفاوت فشار بین پلنوم و اتاق ماشین آلات، این هوا از تایل‌هایی که منفذ دار هستند خارج می‌شوند. رک‌هایی که میزبان تجهیزات IT هستند نیز به سبک راهروهای داغ و سرد طراحی شده اند که در آن هوای سرد از ورودی رک‌ها رو به روی راهروی سرد به سمت سرورها مکیده می‌شود و سپس بعد از جذب کردن گرمای ایجاد شده توسط سرورها دوباره به راهروهای داغ باز می‌گردد. هوای داغ سپس توسط CRAH از طریق مسیرهای باز جمع آوری شده و یا با استفاده از مسیرهای اختصاصی دریافت می‌شود و سپس توسط فرآیند انتقال هوای گرم با استفاده از آب سرد، به هوای سرد بازگشت داده خواهد شد. حلقه جریان هوا تحت تاثیر فن‌های مختلفی انجام می‌شود، مانند دمنده ،فن‌های کاشی، فن‌های رک، فن‌های سرور و غیره

• حلقه آب خنک شده با استفاده از خنک کننده‌های CRAH:

آب سرد تولید شده توسط جریان دستگاه‌های خنک کننده وارد سیم پیچ‌های خنک کننده CRAH می‌شود که این کار با کمک پمپ انجام شده و بعد از گرم شدن دوباره وارد خنک کننده خواهد شد. در این سیستم خنک کننده، گرما در آب گرم وارد حلقه چگالنده ثانویه می‌شود. یک مخزن ذخیره سازی معمولا برای دریافت مقدار اضافی از آب گرم مورد استفاده قرار گرفته که به عنوان یک منبع خنک سازی موقتی برای شرایط اورژانسی استفاده می‌شود، مانند قطع برق و مشکل در خنک کننده و غیره.

• چگالنده‌های برج خنک کننده:

این حلقه مسئول انتقال گرما به خارج جو به صورت تبخیر از برج‌های خنک کننده است. در صورتی که محیط خارجی مناسب باشد، این دستگاه‌های خنک کننده را می‌توان خاموش کرده تا انرژی کمتری صرف شود.

به این نکته توجه داشته باشید که در بعضی از طراحی‌های پیشرفته دیتاسنترها، حلقه خنک کننده با استفاده از آب را  می‌توان با استفاده از آب سرد از منابع طبیعی انجام داد تا موجب بهبود کارایی انرژی شد.

به عنوان مثال: دیتاسنترهای مورد استفاده در فیسبوک در لولا سوئد و دیتاسنترهای مورد استفاده گوگل در هامینا واقع در فنلاند معمولا از آب رودخانه‌ها و اقیانوس‌های نزدیک استفاده می‌کنند تا آب سرد مورد نیاز خودشان را به دست بیاورند. پروژه مایکروسافت نیز با نام ناتیک دیتاسنترهای خود را در زیر اقیانوس قرار داده است تا بتواند از ظرفیت خنک سازی گسترده آب دریا استفاده نماید.

مشکلات در خنک سازی هوا

عامل اصلی در مشکلات خنک سازی، مخلوط شدن تأمین هوای سرد و هوای گرم برگشتی‌ست. دلیل این اختلاط مضر هوا را می‌توان به سه جنبه نسبت داد: عبور جانبی هوای سرد، گردش مجدد هوای گرم و فشار منفی. اگرچه تلاش‌های زیادی از طرف دانشگاه و صنعت برای مقابله با این مسائل انجام شده است.

در قسمت زیر ما در مورد جزئیات بیشتر در مورد ناکارآمدی‌های خنک کننده هوا بحث خواهیم کرد.

الف) عبور جانبی هوای سرد

عبور جانبی (بای پس) هوای سرد نتیجه غلظت بالای هوا، تأمین بیش از حد، نشت و غیره است. وجود بای پس حجم کلی هوای مورد نیاز برای سرورهای خنک کننده را افزایش می‌دهد و از این رو مصرف انرژی دستگاه‌های متحرک هوا افزایش می‌یابد. اگر طرح مرکز داده و سیستم توزیع هوا به خوبی مهندسی نشده باشد، تا 62٪ بای پس را شاهد خواهیم بود.

نظرسنجی انجام شده همچنین نشان داد که بیش از 50٪ هوای سرد به دلیل نشت ساختاری در اکثر مراکز داده از تایل‌های سوراخ دار به صورت جانبی عبور کرده است. برخی اقدامات ساده مانند درز بندی مهم‌ترین مسیرهای نشت می‌تواند به میزان قابل توجهی بای پس را کاهش دهد.

بای پس در سیستم‌های راهرو باز بسیار شدید است. یک مطالعه اندازه گیری روی مرکز داده راهرو باز نشان داد که میانگین هوای سرد که از سرورها عبور می‌کند 50٪ است.

جدا از فضای کوچک زیر، بالا و بین درها، مهم‌ترین کانال نشت در ساختار مهار، شکاف زیر رک‌ها خواهد بود. البته تولیدکنندگان رک اقدامات گسترده ای را برای کاهش نشت از طریق این کانال‌ها ابداع کرده اند.

دیفرانسیل فشار، نقش مهمی در کاهش بای پس دارد. حدود 10٪ هوای تأمین شده به راهروی سرد قفسه‌ها در دیفرانسیل فشار راهرو 6: 2 دور می‌زند. شخصی به نام تاچل ایوانز و همکارانش اختلاف دیفرانسیل فشار را تغییر دادند. آنها همچنین نشان دادند که با یک دیفرانسیل فشار مناسب، مرکز داده می‌تواند تا 16٪ در انرژی خنک کننده صرفه جویی کند. یک روش موثر برای کنترل دیفرانسیل فشار، تنظیم سرعت فن است. مشخص شد که کاهش سرعت فن CRAH منجر به کاهش بای پس از 13: 4٪ به 4: 6٪ می‌شود.

ب) گردش هوای گرم

گردش مجدد هوای گرم هنگامی رخ می‌دهد که منبع تأمین هوای سرد وجود داشته باشد. در این حالت، هوای گرم از قسمت عقب رک دوباره به ورودی سرور برمی گردد و با هوای سرد تامین کننده مخلوط می‌شود. در نتیجه دمای ورودی سرور افزایش می‌یابد. برای تأمین نیاز به دمای ورودی سرور، به تنظیمات دمای پایین‌تر برای هوای خروجی CRAH و آب سرد نیاز است. این امر باعث کاهش عملکرد خنک سازی و افزایش مصرف انرژی می‌شود.

در سیستم‌های راهرو باز، گردش مجدد غالباً در بالای رک‌هایی یافت می‌شود که فقط بخشی از هوای سرد تأمین کننده بتواند به آنها برسد. گردش مجدد، یکنواختی توزیع دمای ورودی رک را از بین می‌برد، به عنوان مثال در بالای قفسه در جه حرارات بالاتر مشاهده می‌شود.

از دیگر مکان‌هایی که گردش مجدد وجود دارد، می‌توان به انتهای راهروهای باز سرد و سرورهای غیر برابر و غیره اشاره نمود.

دو راه حل ساده برای جلوگیری از چرخش مجدد:

1) افزایش حجم هوای سرد تامین کننده

2) نصب سیستم‌های مهار کننده.

با این حال، پیاده سازی این راه حل‌ها به مهندسی دقیق نیاز دارد، زیرا اگر سیستم به خوبی کنترل نشود، تخریب عملکرد ظاهر می‌شود. به عنوان مثال، اگر سیستم های مهار نصب شده باشند، یک کنترل فشار ضعیف ممکن است منجر به عبور میزان هوای کم از سرورها شود. در موارد شدید، هوای معکوس غیر منتظره را می‌توان یافت حتی اگر فن‌های سرور عملکرد خوبی داشته باشند.

ج) فشار منفی

روش‌های فعلی صنعتی معمولا بر اساس تدارک هوای سرد کار م@ کنند تا گردش هوای گرم رخ ندهد. در عین حال که دما در بالای رک‌ها کاهش پیدا می کند، این روش معمولا باعث می‌شود که کارایی خنک سازی سرورها در قسمت‌های پایین نزدیک به تایل‌های متخلخل به دلیل فشار منفی ایجاد شده و توسط پدیده ای با نام وانتوری کاهش پیدا کند.

تاثیر ونتوری در واقع کاهش فشار در شرایطی‌ست که جریان هوا از منفذهای کوچک خارج می‌شود (مانند تایل‌های متخلخل). در رابطه با افزایش فشار هوا، حجم تامین هوا افزایش پیدا می ‌ند اما سطح مقطع کاشی2های متخلخل تغییر پیدا نمی‌کند. در نتیجه، سرعت جریان هوا از کاهشی‌ها بالاتر می‌رود و فشار منفی ایجاد خواهد شد.  اگر شکاف بین دندانه و کف به خوبی مهر و موم نشده باشد، برای مراکز داده با استاندارد کف کاذب، گردش مجدد زیر رک ناشی از فشار منفی در سیستم‌های راهرو باز و مشاهده می ‌شود.

در واقع فشار منفی تأثیر خود را نه تنها در پایین رک، بلکه در هر دهانه‌ای که هوای سرد با سرعت زیاد از آن عبور می‌کند نشان می‌دهد.

کنترل دما در دیتاسنترها

در دستورالعمل حرارتی منتشر شده توسط انجمن مهندسان گرمایشی، برودتی و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE) شرایط محیطی IT مرکز داده در یک کلاس توصیه شده و چهار کلاس مجاز طبقه بندی شده است. بیشترین کدهای قابل مشاهده در این دستورالعمل در مقایسه با نسخه های قبلی آن افزایش دمای ورودی رک است.

در این بخش، ما به طور خلاصه مسائل مربوط به تأمین کننده کنترل دمای هوا را مرور می‌کنیم.

پیکربندی رک ها

قرار دادن خودسرانه رک ممکن است به طور قابل توجهی بر الگوی هوا تأثیر بگذارد و نقاط داغ غیر منتظره و سایر موارد گرمایی را ایجاد نماید. بنابراین، تقریباً همه مراکز داده از طرح راهروهای سرد و گرم  برای سازماندهی رک‌های سرور خود استفاده می‌کنند.

چگالی توان رک تأثیر مستقیم بر جریان هوا دارد. چگالی کم (۱۰ کیلووات در رک) به هوای سرد کمتری نیاز دارد. در نتیجه، به دلیل سرعت کم جریان هوا، هوای موجود در تایل‌های سوراخ دار ممکن است به سختی به بالای قفسه برسند و از این رو گردش مجدد هوای گرم اتفاق می‌افتد. برعکس، سرعت جریان هوا باید برای رک‌ها با چگالی توان بالا (۱۴ کیلووات) افزایش یابد. در اینجا ممکن است در رک پایین نقاط داغ ایجاد شود و هوای سرد بیشتری سطح قفسه را دور بزند.

چیدمان سرور در داخل رک‌ها نیز کاملاً بر عملکرد خنک کننده تأثیر دارد.

جمع بندی و دیدگاه های آتی

مصرف زیاد انرژی سیستم‌های خنک کننده همیشه معمای اپراتورهای مرکز داده بوده است.

اگرچه مدیریت داده‌های هوای مرکز داده برای دهه‌ها مورد بررسی قرار گرفته است، اما می‌توان دریافت که تعداد زیادی از مقالات در این سال‌ها هنوز در حال ظهور هستند، که نشان می‌دهد درک ما از رفتارهای خنک کننده هوا بسیار مناسب نیست. ایده های جدیدی مانند طراحی جدید زیرساخت‌ها و روش‌های کنترل منابع خنک کننده ارائه شده است. در حالی که بعید است زیرساخت‌ها پس از ایجاد مرکز داده به دلیل هزینه یکپارچه سازی بالا تغییر کند، تکنیک‌های کنترل خنک کننده هوشمند سازگاری بالایی را نشان می‌دهند.

 

امیدواریم که محتوای خوانده شده مورد رضایت شما خوانندگان عزیز قرار گرفته باشد. با استفاده از سیستم کنترل و مانیتورینگ شرایط محیطی اتاق سرور کارنولاجیک می‌توانید از راه دور به اتاق سرور خود دسترسی داشته باشید.

واحد تحقیق و توسعه کارنو در مقالات آینده اطلاعات جامع تری را در اختیار شما عزیزان قرار خواهد داد.