ایده های داغ برای خنک سازی دیتاسنترها

فناوری های نوین, گرما را از مراکز داده دور می کنند

فناوری‌های نوین، گرما را از مراکز داده دور می‌کنند فروشندگان فناوری از شرکت‌های تازه کار گرفته تا شرکت‌هایی چون اچ‌پی و آی‌بی‌ام، شروع به تولید محصولاتی برای مراکز داده کردند که می‌تواند با پاشیدن مایع روی نقاط داغ، آن‌ها را خنک کنند. این مایع می‌تواند آب یا مایع خاص دیگری‌ باشد. هدف پایین آوردن دما تا حد ممکن است.

ترجیح کلی آن است که خنک کردن به روال گذشته انجام شود. بیست سال پیش، mainframeها به روشی مانند رادیاتور ماشین خنک می‌شدند، اما امروزه در برابر چنین روش‌هایی مقاومت می‌شود؛ زیرا برخی مدیران IT دوست ندارند مایعات را وارد سیستم‌های مدرنشان کنند؛ یعنی جایی که دما به وسیله تهویه مطبوع‌ها کنترل می‌شود.

به نظر آن‌ها بهتر است این سرورها که از ادوات سخت‌افزاری و نرم‌افزاری پیشرفته ساخته شده‌اند، کاملاً خشک نگه‌داشته‌شوند.

اما زمان ما را مجبور به بازنگری در دیدگاهمان می‌کند. در مراکز داده که تعداد زیادی سروردر کنار هم قرار گرفته‌اند، گرمای زیادی در واحد سطح تولید می‌شود. بنابراین شاید مایعات تنها راه مقابله با این حجم گرمای تولیدی باشد. جیم گارگان، از شرکت آی‌بی‌ام، می‌گوید: «در یک روز گرم شما در کجا راحت‌تر هستید: در استخر یا زیر کولر؟»

او که نایب رئیس و مسئول بخش فناوری خنک‌کننده IBM System X است، پیش‌بینی می‌کند در دهه آینده هزینه‌ای که صرف منابع تغذیه و سیستم‌های خنک‌کننده می‌شود، بیش از هزینه خرید خود رایانه‌ها خواهد بود. او از تأمین توان مصرفی و روش خنک کردن آن‌ها به عنوان «چالش IT در دهه آینده» یاد می‌کند.

برای خنک کردن مراکز داده راه‌هایی وجود دارد: خرید سرورهایی با پردازنده‌های خنک‌کننده، تغییر چینش رایانه‌ها به منظور جریان بهتر هوا در مرکز یا نزدیک کردن سیستم‌های خنک‌کننده به رایانه‌ها. از این روست که فناوری‌های خنک‌کننده با مایع در حال رشد است. در این سیستم‌ها از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود؛ از محفظه‌های آبی که سرورها را دربرمی‌گیرند تا پاشیدن آب روی قطعات الکترونیکی.

● روش‌های کاهش دما

▪ کاهش سرعت

▪ جایگزینی سوئیچ‌های پرسرعت و پردازنده‌های داغ با پردازنده‌های دو و چندهسته‌ای به منظور کاهش دمای تولیدی

▪ جایگزینی

▪ سازماندهی سرورها با استفاده از راهروهای سرد و گرم به منظور جابه‌جایی بهتر هوای داخل

▪ تمرکز

▪ قرار دادن سیستم‌های خنک‌کننده د رنزدیکی سرورها

▪ مراقبت از سطوح کف

▪ اطمینان از آن‌که خلل و فرج و سوراخ‌های کف زمین به گونه‌ای قرار نگرفته باشند که سرمای تولیدی از طریق آن‌ها به هدر رود

▪ درزگیری

گرفتن درزها و شکاف‌ها تا سرما خارج نشود و گرما در داخل به جریان نیافتد

▪ استفاده از آب

▪ استفاده بیشتر از آب به منظور خنک کردن سرورها

▪ تمرکز بر نقاط کوچک

▪ خنک کردن سطوح زیر، مثلاً در سطح تراشه

شرکت ISR که در زمینه مدیریت دما فعالیت می‌کند به تازگی محصول SprayCool سری M، خود را به بازار معرفی نموده است که از روش خنک‌سازی مستقیم تراشه استفاده می‌کند. در این روش ماجول سری M به پردازنده متصل می‌شود و با پاشیدن قطرات نمناک روی صفحه خنک در برگیرنده پردازنده، دمای آن را به نصف کاهش می‌دهد. سری G همین محصول سال‌ها در مراکز داده دولتی استفاده می‌شد، از مایعات غیرهادی برای خنک‌کردن مادربوردهای سرورها استفاده می‌کرد.

شرکت لایبرت امرسون و اچ‌پی در حال آماده کردن فناوری خنک‌سازی مستقیم تراشه برای بازار تجاری هستند. سال گذشته لایبرت کولیگی را خرید. شرکت کولیگی روشی را با استفاده از آبی با رفتار شیمیایی خاص توسعه داده بود. این مایع روی یک صفحه متصل به پردازنده ریخته می‌شد. این صفحه دارای صد یا تعداد بیشتری میکروکانال بود که خنک‌کننده را به قسمت‌های داغ پردازنده می‌رساند. کولیگی می‌گوید: «این سیستم در صدها و هزارها ایستگاه کاری استفاده شده است.»

گروهی در داخل اچ‌پی به نام «گروه سرد» روی سیستم‌های مایع خنک‌سازی فاصله نزدیک، تراشه خنک‌سازی مستقیم و کنترل حسگرهای پویای سرورها و سیستم‌های خنک‌سازی کار می‌کنند. در ماه ژانویه، اچ‌پی اولین پلتفرم مایع سرد «کنترل شونده توسط محیط» خود را، که سیستم ماجولار خنک‌کننده نام داشت به بازار معرفی نمود.

این ماجول به یک رک سرور متصل می‌شود و برای توزیع هوای سرد در قسمت جلویی رک از مایع خنک کننده استفاده می‌نماید. خنک کردن مؤثر رک امکان می‌دهد که سرورهای بیشتری در داخل آن قرار بگیرد. در حال حاضر بخش‌هایی از رک به منظور ممانعت از تولید گرمای بیشتر خالی نگه داشته می‌شوند.

اچ‌پی چند سالی است که روی روش‌های خنک‌سازی مستقیم تراشه‌ها کار می‌کند. به این شکل که با استفاده از سرهای جوهر افشان چاپگرهای خود قطرات مایع سرد را روی ریزپردازنده می‌پاشد تا دمای آن را از بین ببرد. چاندراکانت پاتل، از اعضای اچ‌پی و رئیس تیم «سرد» شرکت، پیش‌بینی می‌کند که در آینده از ترکیب روش‌های سابق- جابه‌جایی جریان هوا و اتصال مستقیم و در سطح چیپ- استفاده شود.

● اتاق داغ‌

مدیران مراکز داده در مدیریت گرمای تولیدی با مشکلاتی مواجه هستند. مطالعه‌ای که توسط یک گروه تحقیقاتی به نام Uptime Institute روی نوزده اتاق رایانه با بیش از دویست هزار فوت مربع فضای ترکیبی انجام شد، نشان داد ظرفیت سرماسازی مراکز ۶/۲ برابر نیازشان است، اما بیش از شصت درصد این ظرفیت به دلیل طراحی بد طبقه و عدم جابه‌جایی مناسب هوا هدر می‌رود. بنابراین بیش از ده درصد رک‌های سرور بسیار داغ می‌شوند.

برای خنک کردن مراکز داده راه‌هایی وجود دارد: خرید سرورهایی با پردازنده‌های خنک‌کننده، تغییر چینش رایانه‌ها به منظور جریان بهتر هوا در مرکز یا نزدیک کردن سیستم‌های خنک‌کننده به رایانه‌ها.

نکته دیگر در این‌باره این است که میانگین توان مصرفی در مراکز داده ۱/۲ کیلووات در هر رک است. سرورهای فشرده‌تر مصرف توان بالاتری از بیست تا چهل کیلووات دارند. از این رو گرمایی به مراتب بیشتر تولید می‌کنند. مؤسسه فناوری جورجیا به دنبال راهی برای نزدیک کردن سیستم‌های خنک‌کننده به منابع مولد گرما است، این فناوری نوین می‌تواند ۱۶۰ هزاردلا‌ر در هزینه‌های جاری صرفه ایجاد کند.

جفری اسکیلنیک، مدیر مرکز دانشگاهی مطالعات بیولوژیک، طی قراردادی ۵/۸ میلیون دلاری، نصب تعدادی ابررایانه‌ را در محیطی برعهده گرفته است که از نظر توان مصرفی و ملاحظات محیطی شرایط خاصی دارد. در این قرارداد راه‌اندازی هزار شاخه گره سرور در دوازده رک و با استفاده از سیستم BladeCenter شرکت آی‌بی‌ام پیش‌بینی شده است. خنک کردن این سیستم‌ها را eXchanger که از آب سرد استفاده می‌کند، بر عهده دارد.

eXchanger سال گذشته معرفی شد و توانست مشکل یک مرکز ۱۳۰۰ فوت مربعی را حل کند. این سیستم تنها از نیمی از سیستم‌های تهویه مطبوع، یعنی هشتاد تن به جای ۱۶۰ تن، استفاده کرد و از نویز ناشی از جریان هوا نیز کاست.

با چهار رک بیشتر که تا ماه‌های آینده وارد بازار می‌شود، اسکولنیک به دنبال روش‌های خنک‌سازی در سطح تراشه است تا از هزینه‌های مربوط به توان بکاهد. او می‌گوید: «در آن زمان eXchanger بهترین فناوری موجود می‌نمود... هر زمان که شما روزآمدسازی انجام می‌دهید، قواعد تغییر می‌کند و باید ببینید چه امکاناتی وجود دارد.»

ایده وارد کردن آب یا دیگر مایعات به مرکز داده برخی مدیران IT را ترساند؛ زیرا آب می‌تواند به قطعات رایانه‌ آسیب برساند یا اتصال کوتاه ایجاد کند. اگر یک لوله آب یا اسپری مایع از محل خود منحرف شود، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ اما بنا به گفته لئودناردو راف از Callison، که یک شرکت طراحی مراکز داده است، جایگزین دیگری وجود ندارد.

در حال حاضر شرکت‌های بیشتری به فناوری خنک‌سازی از طریق آب علاقمند می‌شوند؛ هر چند در این راه مقاومت‌هایی وجود دارد.

Callison که سری SprayCool M را تست می‌کند، معتقد است خنک کردن مستقیم تراشه‌ها به قدری مؤثر است که با به کارگیری آن می‌توان برق مورد نیاز رایانه‌ها را دو برابر کرد و تعداد سرورها را در رک افزایش داد؛ بدون آن‌که گرمای تولیدی در مراکز داده افزایش یابد. در نتیجه توان پردازشی مراکز ۲۸۵درصد رشد خواهد کرد. Callison در حال جذب مشتریانی برای بازار جدید است.

در حال حاضر شرکت‌های بیشتری به فناوری خنک‌سازی از طریق آب علاقمند می‌شوند؛ هر چند در این راه مقاومت‌هایی وجود دارد. کارل کلانچ، تحلیلگر گارتنر، با پیش‌بینی این مطلب توصیه می‌کند در طراحی مراکز داده جدید محلی برای ادوات مربوط به چنین روشی تعبیه شود؛ هر چند طرح فوری برای به کارگیری این روش وجود ندارد. به اعتقاد او، این مسیری است که خواه ناخواه باید پیمود؛ زیرا راهی مؤثرتر از آن وجود ندارد.

● ایده‌های دیگر

در طول دو سال گذشته فروشندگان ادوات مدیریت توان و خنک‌سازی مانند لایبرت و American Power Conversion و نیز آی‌بی‌ام و اچ‌پی محصولات متنوعی را در این زمینه به‌بازار معرفی کرده‌اند، از سیستم‌های تهویه مطبوع گرفته تا سیستم‌های مبتنی بر مایعات سردکننده که به رک‌سرورها متصل می‌شوند.

آی‌بی‌ام به زودی دو محصول خود را معرفی خواهد نمود: یکی PowerExecutive، ابزاری برای خودکارسازی مدیریت مصرف توان و جابه‌جایی منابع انرژی به سوی سیستم‌هایی با نیاز انرژی بیشتر و کاهش اتلاف حرارتی و دیگری، سیستم‌های تشخیص دما که بر نواحی تولید بالقوه گرما در داخل مرکز داده نظارت و PowerExecutive را برای اتخاذ عملکرد صحیح کنترل می‌کند.

البته همه مراکز داده به روش خنک‌سازی از طریق مایع نیاز ندارند. راه‌هƒای دیگری نیز وجود دارد. INetU Managed Hosting، به تازگی چهارمین مرکز داده خود را در نزدیکی آلن تاون راه‌اندازی کرده است. در این مجموعه ۱۵۰۰ فوت مربعی به منظور کاهش رطوبت از طبقات متحرک و دیوارهای ضدبخار استفاده می‌شود، نیز از فن‌های اضافی در جلو و عقب رک‌های سرور به منظور تقویت جریان هوا و استفاده از تعدادی بیشتر تهویه مطبوع.

دف چانچانی می‌گوید: «راه‌حل او برای مشکلات گرمای مراکز داده ساده است: گسترش آن‌ها. به این معنی که اگر به ظرفیت بالاتری نیاز است، باید مرکز داده دیگری ساخت.»

اما اگر نیاز باشد که ظرفیت مرکز داده خاصی بیشتر شود، که بسیاری از شرکت‌ها با مشکلی از این نوع مواجهند، آن‌گاه به فکر استفاده از دیگر روش‌های خنک‌سازی خواهد افتاد. او می‌گوید: «اگر مجبورید تراکم سرورهای خود را در واحد سطح افزایش دهید، استفاده از ماجول‌های خنک‌کننده بسیار مفید خواهد بود.»

مؤسسه پلی تکنیک رنسلر یک مرکز داده تحقیقاتی ساخته است که پنج‌هزار فوت مربع مساحت و هفتاد ابررایانه teraflop دارد. جان فیشر، مدیر معماری شبکه مرکز، می‌گوید: «این مجموعه به ساختار خاصی نیاز دارد تا بتواند هوا را در گردش نگه دارد و آب یا دیگر مایعات را به بیرون هدایت نماید. این مجموعه با استفاده از چهار طبقه متحرک جریان هوا را به حداکثر خود رسانده و ۲۵درصد فضای رک نیز خالی نگه داشته شده است.» فیشر اعتقاد دارد در نظر گرفتن هزینه اضافی برای طبقات متحرک و خالی نگهداشتن فضای رک ارزان‌تر از به کارگیری روش‌هایی چون مایعات سردکننده تمام می‌شود.

شاید این حرف درست باشد، اما مرکز داده رنسلر ۵/۲مگاوات مصرف توان دارد. این مقدار برای سرویس‌دهی به هزاران خانه کفایت می‌کند. حدود یک مگاوات از این انرژی به مصرف سرورها می‌رسد، اما بر سر ۵/۱ مگاوات دیگر چه می‌آید؟ عمده آن صرف خنک کردن این مجموعه می‌شود.