Strona Główna > Lista Artykułów Aktualności > Ulepszona architektura centrów danych o wysokiej sprawności i gęstości (Część 3)

 

Neil Rasmussen 2011-01-20

Ulepszona architektura centrów danych o wysokiej sprawności i gęstości (Część 3)

Ulepszona architektura centrów danych o wysokiej sprawności i gęstości (Część 3)

Sprawność centrum danych zależy od obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe. Przy mniejszych obciążeniach sprawność zawsze ulega obniżeniu i równa się zero przy braku obciążenia. Kształt tej krzywej jest podobny dla wszystkich centrów danych. Zapraszamy do 3 części artykułu

Skalowalne systemy zasilania i chłodzenia –> Uniknięcie nadmiernej rozbudowy

Sprawność centrum danych zależy od obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe. Przy mniejszych obciążeniach sprawność zawsze ulega obniżeniu i równa się zero przy braku obciążenia. Kształt tej krzywej jest podobny dla wszystkich centrów danych. Przykład przedstawiono na rysunku 5.

Sprawność centrum danych zależy od obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe.

Gdy % obciążenia jest poniżej wartości projektowej centrum danych, sprawność spada, a centrum danych uważane jest za nadmiernie rozbudowane w stosunku do tego obciążenia. Wiele centrów danych działa w takich warunkach — czasami przez wiele lat — zwykle dlatego, że skonstruowano je z myślą o hipotetycznym przyszłym obciążeniu, generowanym przez urządzenia, których jeszcze nie zainstalowano.

Przyczynę spadku sprawności centrum danych przy niskim obciążeniu opisano szczegółowo w dokumencie White Paper 113 firmy APC Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych. Przypomina to zjawisko obniżonej sprawności spalania w dużych silnikach spalinowych przy obniżonej mocy.

W celu rozwiązania problemu zmniejszonej sprawności spowodowanej nadmierną rozbudową systemu urządzenia zasilające i chłodzące powinny być dostosowane wielkością do zmieniających się wymagań dotyczących obciążenia. Górna krzywa na rysunku 5 przedstawia sytuację, w której urządzenia zasilające i chłodzące są instalowane w pięciu etapach zamiast w jednym. Przy pełnym obciążeniu skalowalny system zasilania i chłodzenia nie ma żadnej przewagi nad drugim systemem, ale przy mniejszych obciążeniach jego sprawność znacznie wzrasta. Przy obciążeniu rzędu 20% 1/5 zainstalowanych urządzeń zasilających i chłodzących pracuje przy pełnej sprawności. Te warunki, zgodnie z rysunkiem 5, można osiągnąć tylko częściowo, ponieważ części infrastruktury chłodzenia, na przykład pomp chłodziwa, nie można instalować etapami.

Wiele centrów danych działa przy poziomie obciążenia niższym od znamionowego – dotyczy to szczególnie małych centrów danych lub centrów danych na wczesnym etapie cyklu eksploatacji. Użycie skalowalnego rozwiązania w zakresie zasilania i chłodzenia może znacznie zwiększyć sprawność i pozwolić na odłożenie nakładów inwestycyjnych oraz kosztów operacyjnych w czasie. Ponadto niektóre decyzje, dotyczące na przykład docelowej gęstości mocy w przyszłej strefie centrum danych, mogą zostać odłożone do przyszłego wdrożenia systemu IT.

System chłodzenia rzędowego –> Zwiększenie wydajności chłodzenia

W systemie chłodzenia rzędowego klimatyzatory znajdują się w rzędach sprzętu komputerowego, a nie na obwodzie pomieszczenia. Skrócenie ścieżki przepływu powietrza powoduje ograniczenie mieszania się gorących i zimnych strumieni, co zwiększa przewidywalność działania systemu dystrybucji powietrza. Przewidywalna dystrybucja powietrza do sprzętu komputerowego pozwala na bardziej precyzyjną kontrolę zmiennych wartości przepływu, które automatycznie dostosowują się do wymagań podłączonych urządzeń komputerowych. Podczas gdy wentylatory o stałej prędkości obrotów przyczyniają się do marnotrawstwa energii, wentylatory o prędkości zmiennej dostosowują się do wymagań chłodzenia urządzeń komputerowych. Ponadto w systemie chłodzenia rzędowego gorące  powietrze jest przechwytywane z urządzenia komputerowego, zanim zmiesza się z chłodniejszym powietrzem z otoczenia. Takie rozwiązanie pozwala znacznie zwiększyć sprawność energetyczną stosowanych urządzeń CRAH. Na rysunku 6 przedstawiono podstawowy układ konstrukcyjny systemu chłodzenia rzędowego.

Podstawowy układ konstrukcyjny systemu chłodzenia rzędowego

Na rysunku 7 przedstawiono wzrost wydajności architektury chłodzenia rzędowego w porównaniu z tradycyjnymi klimatyzatorami do pomieszczeń komputerowych (CRAC).

Wzrost wydajności architektury chłodzenia rzędowego w porównaniu z tradycyjnymi klimatyzatorami do pomieszczeń komputerowych (CRAC)

Krzywe przedstawiają sprawność chłodzenia wyrażoną jako ciepło przetworzone na wyjściu klimatyzatora podzielone przez ciepło na wejściu (ciepło przetworzone + zużycie energii elektrycznej). Umożliwia to zbadanie sprawności klimatyzatorów do pomieszczeń komputerowych za pomocą typowej skali sprawności 0–100%2. W idealnych warunkach sprawność klimatyzatora wynosiłaby 100%. Krzywa powyżej pokazuje, że typowe urządzenie CRAC ma sprawność 80% przy obciążeniu wynoszącym 70%, co oznacza, że 20% mocy wejściowej jest wykorzystywane na potrzeby wentylacji i nawilżania. Z kolei urządzenie CRAC w układzie rzędowym charakteryzuje się sprawnością 95% przy obciążeniu wynoszącym 70%. Oznacza to, że 5% mocy wejściowej jest przekazywane na zasilanie wentylacji i nawilżania. Stanowi to czterokrotnie mniejszą stratę sprawności.

Powyższy wykres opiera się na następujących założeniach: konstrukcja z obiegiem wody lodowej, 4-poziomowa, podłoga podniesiona na wysokość 1 m na potrzeby systemu chłodzenia pomieszczenia, średnia moc na szafę wynosząca 10 kW. Powyższe dane dotyczą tylko urządzenia CRAH i nie uwzględniają wytwornicy wody lodowej, pomp i chłodni kominowej. Aby uzyskać ogólną sprawność chłodzenia centrum danych, urządzenia te można rozpatrywać osobno lub w połączeniu z urządzeniem CRAH. Należy pamiętać, że wytwornica wody lodowej i chłodnia kominowa zużywają energię elektryczną i obniżają sprawność całego systemu chłodzenia do wartości niższych od przedstawionych na rysunku.

High-efficiency UPS –> Improves power efficiency

Dostępne technologie znacznie zwiększają sprawność uzyskiwaną przez systemy zasilaczy UPS. Na rysunku 8 przedstawiono porównanie niedawno wprowadzonych na rynek zasilaczy UPS o wysokiej sprawności z danymi dotyczącymi sprawności zasilaczy UPS opublikowanymi przez laboratorium Lawrence Berkley National Labs3.

porównanie niedawno wprowadzonych na rynek zasilaczy UPS o wysokiej sprawności z danymi dotyczącymi sprawności zasilaczy UPS opublikowanymi przez laboratorium Lawrence Berkley National Labs3.Rysunek 8 pokazuje, że sprawność najnowszych systemów zasilaczy UPS jest znacznie większa w przypadku każdego obciążenia urządzeń komputerowych, a przyrost sprawności jest największy przy mniejszych obciążeniach. Na przykład przy obciążeniu rzędu 30% najnowsze systemy zasilaczy UPS uzyskują przyrost sprawności o 10% w porównaniu ze średnią sprawnością aktualnie zainstalowanych systemów zasilaczy UPS. W tym przypadku rzeczywista strata mocy zasilacza UPS może zostać ograniczona o 65%. Należy także pamiętać, że straty energii zasilacza UPS w postaci ciepła wymagają także zastosowania chłodzenia klimatyzatorem, co powoduje dalsze zużycie energii elektrycznej.

Niektóre nowsze systemy zasilaczy UPS udostępniają „ekonomiczny” tryb działania, który umożliwia producentowi zasilacza zadeklarowanie wyższej sprawności. Ten tryb działania nie chroni jednak przed problemami z zasilaniem sieciowym i stosowanie go nie jest zalecane w przypadku centrów danych. Zasilacz UPS o wysokiej sprawności oraz dane dotyczące sprawności użyte w architekturze opisanej w tym dokumencie i przedstawione na rysunku 8 dotyczą zasilacza UPS online z podwójną konwersją, z zabezpieczeniem przed nieregularną charakterystyką zasilania wejściowego.

Układ dystrybucji zasilania 415/240 V (prąd przemienny) –> Zwiększenie wydajności zasilania

Układ dystrybucji zasilania prądem przemiennym, o wysokiej sprawności, w którym zastosowano europejski standard 415/240 V zamiast północnoamerykańskiego standardu 208/120 V, zapewnia znaczny przyrost sprawności w instalacjach używanych w Ameryce Północnej. Przesyłanie energii do urządzeń wymagających napięcia 415/240 V zamiast 208/120 V eliminuje konieczność stosowania transformatorów obniżających napięcie w listwie zasilającej oraz związane z nimi straty. Oprócz przyrostu wydajności dzięki wyeliminowaniu listew zasilających zredukowano koszty okablowania miedzianego i obciążenie podłogi, a także uzyskano więcej miejsca na urządzenia komputerowe. Centra danych, w których stosowane są listwy zasilające z transformatorami, charakteryzują się zwykle redukcją sprawnością o 2–15%. Duża część strat występuje w centrach danych z nadmiarowymi torami zasilania i niskim obciążeniem generowanym przez urządzenia.

Użycie układu dystrybucji zasilania prądem przemiennym o napięciu 415/240 V umożliwia uzyskanie większej sprawności tylko w krajach Ameryki Północnej — w większości pozostałych krajów stosowany jest standard 400/230 V (prąd przemienny). Sprawność energetyczna opisana w tym dokumencie dotyczy konstrukcji stosowanych w Ameryce Północnej. Z tego względu w obliczeniach wzrostu sprawności uwzględniono brak transformatorów obniżających napięcie listwy zasilającej.

Więcej informacji na temat układów dystrybucji zasilania prądem przemiennym o napięciu 415/240, o wysokiej sprawności, w północnoamerykańskich centrach danych znajduje się w dokumencie White Paper 128 firmy APC Zwiększanie sprawności centrum danych przez zastosowanie ulepszonego układu dystrybucji zasilania o wysokiej gęstości.

Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej –> Zwiększenie wydajności chłodzenia

Pompy i wytwornice wody lodowej w sekcji chłodzenia centrum danych zwykle pracują w oparciu o silniki o stałej prędkości. Silniki w takich układach muszą być skonfigurowane pod kątem maksymalnego oczekiwanego obciążenia oraz najmniej korzystnych warunków zewnętrznych (wysokiej temperatury). Centra danych wykorzystują jednak zwykle tylko część mocy projektowej, a klimatyzator działa zazwyczaj w zwykłych, a nie w skrajnych warunkach otoczenia. Z tego względu wytwornice wody lodowej i pompy z silnikami o stałej prędkości przez większość czasu są obciążone bardziej niż jest to wymagane.

Pompy i wytwornice wody lodowej wyposażone w napędy o zmiennej prędkości i odpowiednie układy sterowania umożliwiają zmniejszenie prędkości i zużycia energii oraz dostosowanie tych parametrów do aktualnego obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe oraz do warunków otoczenia. Poprawa zużycia energii zależy od warunków otoczenia, ale może wynieść nawet ponad 10% — szczególnie jeśli centra danych nie pracują przy pełnym obciążeniu lub jeśli zainstalowano w nich nadmiarowy układ z wytwornicą wody lodowej lub pompą. Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej można traktować jako formę „automatycznego dopasowania wielkości systemu”.

W niektórych przypadkach można uzyskać wzrost sprawności napędów o zmiennej prędkości, sterując poszczególnymi stopniami lub stosując kilka pomp i wytwornic wody lodowej z napędami o stałej prędkości. Systemy tego rodzaju mogą jednak wymagać przeprowadzenia poważnych prac inżynieryjnych i zwykle pozwalają uzyskać o ponad połowę mniejszy wzrost sprawności w porównaniu z napędami o zmiennej prędkości.

Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej stanowią koszt dodatkowy w porównaniu z urządzeniami z napędami o stałej prędkości. W przypadku niektórych okresowych lub krótkotrwałych zastosowań oszczędność energii uzyskana w wyniku tej dodatkowej inwestycji może być niewystarczająca i nieopłacalna. W przypadku centrów danych działających w systemie ciągłym inwestycja może zwrócić się nawet w ciągu kilku miesięcy, w zależności od rodzaju centrum danych.



Neil Rasmussen

Zapraszamy do skomentowania artykułu

Treść opini 
Popis 

Pozostałe artykuły z tej kategorii