استراتژی‌های سرمایش برای رک‌های فوق پرظرفیت و انبوه سرورهای تیغه ای

میزان برق مصرف شده توسط تجهیزاتی که در یک رک نصب شده اند، می‌تواند بسیار متفاوت باشد. متوسط توان مصرفی رک در مرکز داده تقریبا 1.7kW بوده ولی حداکثر توانی که با نصب سرورهای پرظرفیت موجود(مانند سرور تیغه‌ ای) در یک رک، می توان به دست آورد، تا بیش از 20kW نیز می‌رسد. چنین مصارفی تا حد زیادی از ظرفیت طراحی شده ی برق و سرمایش یک مرکز داده‌ی معمول، فراتر می‌رود.

اپراتورهای مرکزداده تجربه‌ی محدودی در کار با رک‌های با مصرف بیش از 10kW دارند ولی بررسی های اخیر نشان از آن دارند که بسیاری از آنان، در آینده به نصب و تامین سرمایش و توان برای رک های پرظرفیت (چه به صورت انفرادی و چه به شکل گروهی) نیاز پیدا خواهند کرد.

یک راه حل ساده در مواجهه با این مشکل، طراحی مرکز داده‌ای است که قادر به تامین افزونگی برق و سرمایش تا 20kW برای هر رک باشد. متاسفانه تقریبا در تمام موارد، این روش از لحاظ فنی امکان‌پذیر نبوده و در عمل، مقرون به صرفه نیست. انتخاب مرکزداده  نامناسب برای عملکردی پرظرفیت، هزینه‌ی چرخه ی عمر زیرساخت‌های فیزیکی را تا چندین برابر افزایش می‌دهد. در این مقاله، هدف اصلی ارائه‌ی یک طرح کلی برای استراتژی‌هایی موثر و اجرایی در اجرای رک‌های پرظرفیت و سرورهای تیغه‌ ای، می‌باشد.

در ابتدا، مفهوم توان مصرفی بررسی خواهد شد. سپس مقادیر واقعی توان مصرفی در مراکز داده‌ی فعلی و جدید بررسی می‌شود. روش عملی در دستیابی به ظرفیت های بالا، معرفی شده و محدودیت ها و مزایای هر یک نیز توضیح داده خواهد شد. در نهایت نیز، استراتژی‌های منطقی و اجرایی برای پیاده‌سازی رایانش پرظرفیت ارائه می‌شود.

توضیحی شفاف از توان مصرفی در مرکز داده

به دلیل ابهام در معنای واژه‌ی ” توان مصرفی”، استفاده از آن ممکن است موجب بروز سوتفاهم‌های قابل توجهی شود. معمولا توان مصرفی بر اساس وات در فوت مربع و یا وات در هر رک، بیان می‌شود. چنین توضیح ساده‌ای تنها زمانی مناسب است که مقدار برق مصرف شده در تمام رک‌ها یکسان باشد. اگرچه، در مرکز داده‌ی واقعی توان در هر یک از رک‌ها تا حد زیادی متغیر است. در این نمونه‌های واقعی توان مصرفی که در سطح رک، در سطح ردیف و در سطح اتاق اندازه گیری شده، ممکن است شدیدا متغیر باشد. تغییرات مشاهده شده در اندازه گیری‌های رک، ردیف و اتاق، تاثیر چشمگیری بر طراحی سیستم‌های پشتیبانی زیرساخت های برق داشته و از آن گذشته، تاثیر آن بر طراحی سیستم سرمایش حتی گسترده‌تر خواهد بود.

در شکل 1، تفاوت میان توان مصرفی اندازه‌گیری شده در سطح رک، ردیف و اتاق نشان داده شده است.[1] در این شکل، رک‌هایی با ظرفیت 12kW در یک اتاق معمولی نصب شده است. در یکی از موارد، 15% از رک های اتاق ظرفیت 12kW داشته و مابقی، ظرفیت 1kW دارند. در مورد دوم، همین میزان از رک‌ها ظرفیت 12kW دارند ولی همه‌ی این رک‌ها در یک ردیف قرار داده شده اند. در مورد سوم، تمام رک‌های اتاق  12kW برق مصرف می‌کنند. در هر مورد، اوج مصرف برق در مقدار 12kW یکسان بوده، که این به معنی 480W/ft²(5.2 kW/m²) می‌باشد. اگرچه که توان مصرفی ردیف‌ها و اتاق‌ها میان این سه گزینه، بسیار متفاوت است.

گزینه‌ی سوم		گزینه‌ی دوم		گزینه‌ی اول
حداکثر توان رک	480 W/ft2 (5.2 kW/m2)	حداکثر توان رک	480 W/ft2 (5.2 kW/m2)	حداکثر توان رک	480 W/ft2 (5.2 kW/m2)
حداکثر توان ردیف	480 W/ft2 (5.2 kW/m2)	حداکثر توان ردیف	315 W/ft2 (3.4 kW/m2)	حداکثر توان ردیف	150 W/ft2 (1.6 kW/m2)
اتاق	480 W/ft2 (5.2 kW/m2)	اتاق	109 W/ft2 (1.2 kW/m2)	اتاق	109 W/ft2 (1.2 kW/m2)

تفاوت نشان داده شده در شکل 1 میان توان مصرفی رک، ردیف و اتاق، بیانگر گزینه های واقعی در نصب تجهیزات است. این تفاوت ها به شکل قابل ملاحظه ای بر طراحی زیرساخت‌های برق و سرمایش تاثیر می‌گذارند. ظرفیت کلی سیستم برق و سیستم سرمایش، به سادگی از حاصل جمع برق مصرف شده در این تجهیزات به دست می‌آید. از این طریق، می توان ابعاد کلی UPS و دستگاه‌های تهویه مطبوع اتاق های کامپیوتر (CRAC) را به درستی تعیین کرد. مشکل اصلی ناشی از این تغییرات توان مصرفی و مقادیر اوج مصرف، به توزیع برق و هوا در مرکز داده مربوط است.

باید توجه داشت که تعاریف بالا از توان مصرفی بر اساس سطح کلی طبقه بیان شده که شامل فضاهایی چون راهروها، نیز بوده که با وجود آن که فضاهایی ضروری هستند، ولی در اندازه‌گیری‌ها به سطح زیربنای رک‌ها اضافه می شوند. این روش متداول‌ترین نحو‌ی تعریف ظرفیت بوده و از این واژگان، به مراتب در این مقاله استفاده خواهد شد. اگرچه در بعضی از متون، به خصوص در مستندات سازندگان اصلی تجهیزات(OEM) کامپیوتری، ظرفیت در قالب وات در واحد سطح به شکلی تعریف شده که در محاسبه‌ی سطح، تنها سطح اشغال رک‌ها مورد توجه قرار گیرد. چنین مقادیری از ظرفیت، که مبتنی بر سطح اشغال تجهیزات بوده، باید با ضریبی در حدود 75%، کم‌تر از مقدار خود در محاسبات وارد شود.

توانایی واقعی فعلی مرکز داده در توان مصرفی

شرکت اشنایدر الکتریک و دیگر سازمان ها از طریق پژوهش های انجام داده بر طراحان و اپراتورهای مراکز داده، توانسته‌اند توان مصرفی فعلی ناشی از عملکرد  مراکز داده و همچنین حدود طراحی مراکز داده‌ی فعلی و جدید و اتاق های شبکه‌ی بزرگ، را تعیین کنند. در جدول 1، خلاصه‌ای از داده‌های منابع مختلف شامل مشتریان شرکت، کارکنان خدماتی و مهندسان مشاور، که مرتبط به سال 2002-2003 بوده، آورده شده است. مقدار واقعی که برای توان مصرفی کلی به ازای هر رک حاصل شده، بسیار نزدیک به مقادیر یافته شده در پژوهش‌های اخیر دانشگاه کالیفرنیا در برکلی می‌باشد.

جدول 1: داده های تحقیقات بر توان مصرفی واقعی و توان مصرفی فاز طراحی در مراکز داده

ویژگی	میانگین در میان مراکز داده	90% مراکز داده کمتر از	حداکثر مقدار مشاهده شده
توان مصرفی در طراحی	35 W/ft2 (0.38 kW/m2)	60 W/ft2 (0.65 kW/m2)	200 W/ft2 (2.15 kW/m2)
توان مصرفی واقعی در عملکرد	25 W/ft2 (0.27 kW/m2)	40 W/ft2 (0.43 kW/m2)	150 W/ft2 (1.61 kW/m2)
توان مصرفی به ازای هر رک در طراحی	1.1 kW/enclosure	1.8kW/enclosure	6 kW/enclosure
توان مصرفی واقعی کلی به ازای هر رک	1.7 kW/enclosure	2 kW/enclosure	4 kW/enclosure
متوسط واقعی توان به ازای رک، در پرظرفیت ترین ردیف از رک ها در مرکز داده	2 kW/enclosure	3 kW/enclosure	7 kW/enclosure
بیشترین توان واقعی رک در مرکز داده	3kW	6kW	12kW

نکته: رک و یا enclosure در اینجا شامل رک های تجهیزات چون DASD و کامپیوترهای mainframe می‌باشد. تجهیزات بزرگ‌تر از رک تحت عنوان تعداد رک معادل با همان سطح اشغال، محاسبه شده‌اند.

این داده‌ها، نشان از آن دارند که توان مصرفی در فاز طراحی مراکز داده به طور متوسط 35 W/ft² (0.377 kW/m²) بوده که این به معنی توان 1.1 kW به ازای هر رک، با شرط سطح اشغال 30 ft²(2.79 m²) برای هر رک، می‌باشد. از آن جا که متوسط ظرفیت در طراحی 35 W/ft²(0.38 kW/m²) در هر رک حاصل نشده، به همین دلیل نتیجه‌ای مبنی بر آن که متوسط توان واقعی رک نیز بیش از مقدار طراحی باشد، امکان‌پذیر است.‌ دلیل اصلی این موضوع آنست که مراکز داده با تمام تعداد رک های ممکن، پر نمی‌شوند. به طور مثال، در مرکز داده ای که توان مصرفی هر رک در فاز طراحی آن 1.1 kW/enclosure 30ft²(2.79 m²)[2] به ازای هر رک بوده، اگر تمام رک‌ها تنها نیمی از سطح کف فضا را اشغال کنند، ممکن است بتوان برق مورد نیاز توان مصرفی رک 2.2 kW/enclosure را تامین کرد.

باید توجه داشت که این داده‌ها تنها مختص فضاهای متداول تولید است. در محیط‌های توسعه و تست، گاهی متوسط و حداکثر توان مصرفی بالاتری نیز مشاهده شده است.

در شکل 2، فرکانس توزیع برق مصرفی هر رک، بر اساس داده های تحقیقاتی نمایش داده شده است.[3] بدین وسیله می‌توان دیدگاه جامع‌تری در زمینه‌ی عوامل تعیین کننده در توان مصرفی به دست آورد. هر میله در شکل، بیانگر درصدی از رک هایی است که در بازه‌های 500واتی نشان داده شده در پایین نمودار، توان مصرفی مشابهی را به خود اختصاص داده‌اند. به طور مثال میله‌ی 1.5kW بیانگر درصد رک هایی است که توانی بین 1 kW تا 1.5 kW دارند.

توجه داشته باشید که در شکل 2، تعداد بسیار زیادی از رک های موجود در مرکز داده‌ی معمولی، توانی کمتر از 500W دارند. این رک ها شامل تجهیزات کابل‌کشی شبکه دیتا و  سویچ شبکه و سرورهای کم‌ظرفیت، می‌باشند. در بسیاری از این رک‌ها همچنین فضای عمودی زیادی بلااستفاده باقی مانده است.

نکته ی دیگر شکل 2، حاکی از آنست که در توان بیشتر از 2 kW، تعداد رک ها به طور قابل توجهی کاهش یافته و از توان 8 kW به بالا، تعداد رک ها ناچیز است.

بر روی مقادیر برق مصرفی واقعی رک در شکل 2، خطوط مرجع قرمز رنگی نمایش داده شده است. دو خط ابتدایی نشان از بازه ی متوسط توان مصرفی دارند که بر اساس نظرسنجی میان مهندسین مشاور به دست آمده و در طراحی مراکز داده‌ی جدید مورد توجه قرار می‌گیرند.

دو خط انتهایی نیز نشان‌دهنده‌ی توان مصرفی هستند که با پر کردن رک با سرورهایی دارای بیشترین ظرفیت موجود، که همان سرورهای 1U و سرورهای تیغه‌ ای هستند، به دست خواهد آمد. این مقادیر تا حد زیادی از مقدار طراحی مراکز داده‌ی جدید و همچنین مقادیر واقعی مراکز داده‌ موجود فعلی، فراتر می‌رود. اگرچه توان رک در سرورهای تیغه‌ ای، بالاتر از سرورهای 1U بوده، ولی باید توجه داشت که مقدار توان مصرفی سرورهای تیغه ای تقریبا دو برابر سرورهایی معمولی سرورهای 1U است پس می توان در مقدار یکسان کارایی و عملکرد فاوا، مصرف سرورهای تیغه ای را 40 درصد کمتر از مصرف سرور های سنتی دانست.

با بررسی داده های ارائه شده، می‌توان نکات زیر را نتیجه‌گیری کرد:

• بیشتر رک‌ها در مراکز داده، با توانی کمتر از مقدار طراحی مرکز داده، عمل می‌کنند.
• تجهیزات پرظرفیت کامپیوتری در واقعیت با بیشترین ظرفیتی که قادر به ارائه‌ی آن هستند، نصب نمی‌شوند.
• مقادیر توان مصرفی که اغلب در مورد آن نوشته و یا صحبت می‌شود، در اکثر مراکز داده فعلی و یا آتی، قابل دستیابی نیستند.

در این مقاله، کلمه‌ی “پرظرفیت” به رک هایی با توان بیش از 3kW اشاره داشته که مقدار 3kW از حد بالایی در بازه‌ی متوسط ظرفیت سرمایش مراکز داده‌ی فعلی، به دست می‌آید.

الزامات برق و سرمایش برای رک های پرظرفیت

یک مثال مناسب از رک‌ پرظرفیت، نصب 6 شاسی سرورهای تیغه ای با ارتفاع 7U در یک رک 42U بوده در حالی که هر شاسی 3kW و در کل هر رک 18kW برق مصرف می‌کند. این بدان معناست که توان 18kW و همچنین 18kW سرمایش باید برای رک تامین شود. چنین سیستمی معمولا به عنوان سیستمی با ماموریت حساس و بحرانی محسوب شده و به هر دو افزونگی برق و سرمایش نیاز دارد.

الزامات برق

از منظر توان، این 6 شاسی تیغه‌ ای، به احتمال زیاد به جریان (24A) یا  20A نیاز داشته تا با فرض پیکربندی معمول 4 سیم برای هر شاسی دو مسیره، مدارهایی با ولتاژ (208V) یا 230V را تامین کند. کابل‌کشی مورد نیاز چنین مداری حجیم بوده و معمولا باید در سقف اجرا شده تا از مسدود شدن مسیر جریان هوا در زیر کف کاذب(در صورت وجود)، جلوگیری شود. این نکته به خصوص زمانی اهمیت داشته که تعدادی از این رک ها در نزدیکی یکدیگر قرار گرفته باشند. روش دیگر در صورت اجرای کف کاذب آنست که ارتفاع کف کاذب تا حدی افزایش یافته که فضای کافی برای جای داده کابل‌ها در خود را داشته باشد. در هر دو حالت، کابل‌کشی‌های اضافی قابل ملاحظه‌ای باید اجرا شود که فاز عملیاتی مرکزداده می تواند پیچیده و گران تمام شود. با کمک این روش ها، تامین افزونگی برق در یک رک فوق پر ظرفیت، امکان‌پذیر خواهد شد.

الزامات سرمایش

سرمایش رک‌ فوق پر ظرفیت، نسبت به تامین برق در آن بسیار دشوارتر است. سیستم سرور تیغه‌ ای که پیشتر توضیح داده شد، نیازمند تقریبا 2500 cfm(فوت مکعب در دقیقه)(1,180 L/s) از هوای سرد ورودی(بر اساس مقدار متداول افزایش دمای هوای تهویه 20°F و یا 11°C) بوده و همین مقدار هوای گرم را نیز از پشت رک تهویه می کند. تجهیزات چنین مقدار هوایی را چه سیستم سرمایش قادر به تامین باشد و چه نباشد، به جریان در می‌آورند. اگر اتاق توانایی تامین این مقدار هوای سرد برای رک را نداشته باشد، در آن صورت رک، هوای گرم خروجی خود(و یا هوای تهویه شده از تجهیزات کناری) را مجددا به داخل کشیده و در نهایت حرارت بیش از حدی در تجهیزات جمع خواهد شد. برای دستیابی به عملکرد مورد نیاز در سرمایش، چهار جز کلیدی ضروری است:

• تامین 2500 cfm(1.180 L/s) هوای سرد برای رک
• دفع 2500 cfm(1.180 L/s) از هوای گرم تهویه شده از رک
• دور نگه داشتن هوای گرم تهویه شده از ورودی هوای تجهیزات
• ایجاد تمامی این کارکردها در حالت افزونه و مستمر

دستیابی به هر یک از این کارکردها بسیار دشوار است. مشکلات و موانع هر یک از آن ها، در ادامه توضیح داده خواهد شد.

تامین 2500 cfm(1.180 L/s) هوای سرد برای رک

کف کاذب در مرکز داده‌ای معمول، یک تایل تهویه مخصوص هر رک دارد. تایل تهویه متوسط کف می‌تواند تقریبا 300cfm(142 L/s) هوای سرد برای هر رک تامین کند. به عبارت دیگر، رک‌ 18kW، به 8 تایل تهویه در کف نیاز داشته که این تعداد تا 8 برابر بیش از تعداد تایل تخصیص داده شده در واقعیت است. در نتیجه عرض راهرو باید تا حد زیادی افزایش یافته و فواصل میان رک‌ها نیز جهت جایگیری 8 تایل برای هر رک، افزایش می‌یابد.  این روش در مراکز داده‌ی معمول، امکان‌پذیر نیست.

در شکل 3، ظرفیت سرمایش رک به عنوان تابعی از جریان موثر هوای سرد، نشان داده شده است. در محاسبه‌ی جریان موثر هوای سرد، مقدار نشت هوای سرد از کف کاذب به فضا که 25% از تمام هوای سرد تامین شده توسط دستگاه‌های سرمایش بوده، محسوب نمی‌شود. با افزایش جریان هوا، و افزایش ظرفیت سرمایش رک، از اعداد منحنی ها این طور برداشت می‌شود که دستیابی به رک‌های با ظرفیت سرمایش بالاتر سخت‌تر می‌شود. راهروهای سرد بسته می‌توانند ظرفیت سرمایش رک را تقریبا تا 10 kW بر رک، بالا ببرند. باید توجه داشت که ظرفیت سرمایش کف کاذب برای سرورهای تیغه‌‌ای بیشتر از تجهیزات معمولی IT است. دلیل آن نیز آنست که سرورهای تیغه‌‌ای در مقایسه با تجهیزات معمولی IT، به طور متوسط، به 40% جریان هوای کمتری به ازای همان میزان برق نیاز دارند.

در شکل 3 نشان داده شده است که جهت دستیابی به جریان هوای بالاتر از 300chm(142 L/s) در هر رک، به اقدامات خاصی شامل طراحی دقیق کف کاذب، مکان قرارگیری CRAC، نشت هوا، و کنترل موانع مسدودکننده‌ی جریان هوا در زیر کف کاذب همچون لوله‌ها و کابل‌ها، نیاز است. برای جریان هوای بیشتر از 500cfm (236 L/s) باید از تایل‌های مخصوصی در کف استفاده شود که به شکل توری‌های فلزی طراحی شده‌اند. این تایل‌ها می‌توانند تا 700cfm(330 L/s) جریان هوا در هر تایل کف در یک مرکز داده‌ی معمولی تامین کنند. اگرچه با به کارگیری این شبکه‌ها، گرادیان فشار زیر کف شدیدا تغییر کرده و جریان هوای محیط اطراف نیز تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. یکنواختی و قابلیت پیش‌بینی ظرفیت سرمایش می تواند تحت تاثیر این آثار قرار گرفته و با محدودیت‌های غیرقابل پیش‌بینی و نامطلوبی مواجه شود.

معمولا تصور شده با افزایش ارتفاع کف کاذب، بسیاری از مشکلات شامل یکنواختی ظرفیت سرمایش، برطرف می‌شود. برای بررسی های بیشتر در این زمینه، شرکت Schneider Electric از دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) بهره برده تا آثار تغییرات ارتفاع کف کاذب بر طراحی‌های مختلف سرمایش را شبیه‌سازی کند. چند نتیجه‌ی مهم از این تحقیق در شکل 4 نمایش داده شده است. این داده‌ها حاکی از آن بوده که تغییرات مشاهده شده در ظرفیت سرمایش به ارتفاع کف کاذب مرتبط است. همان طور که انتظار می‌رفت، این تغییرات در ظرفیت سرمایش هر تایل، با افزایش ارتفاع کف کاذب، کاهش پیدا می‌کند.

با این وجود، دو نتیجه‌ی غیر قابل انتظار نیز گزارش شده است. نتیجه‌ی اول آن که این داده‌ها نسبتا مستقل از مقدار حجم جریان هوا بوده است. این بدان معناست که تغییرات در ظرفیت سرمایش تایل‌ها توسط هندسه‌ی طراحی کف کنترل شده و مقدار حجم هوای در جریان، تقریبا تاثیری برآن ندارد. نتیجه‌ی دوم، بیانگر آنست که در زمان به کارگیری تایل های باز مشبک، تغییرات جریان هوا بسیار شدیدتر از قبل می شود. به طور مثال، با کف کاذبی به ارتفاع دو فوت(0.61m)، این تغییرات می تواند برای تایل استاندارد سوراخ دار تا 30% و برای تایل مشبک، 230% باشد. در واقع، در مورد تایل مشبک، در بعضی موارد جریان هوا برعکس شده و تایل‌ها به جای آن که هوا را به سمت تجهیزات IT بفرستند، هوا را به سمت پایین می‌کشند.

با این که تغییرات مطرح شده در جریان هوای کف کاذب نامطلوب بوده ولی در برخی از مراکز داده تداخل جریان و این تغییرات غیرقابل رفع می باشند به همین دلیل، تغییرات جریان هوای تا 30% باید قابل قبول محسوب شود. اگرچه، تغییرات وسیعی که برای تایل مشبک در شکل 4 نشان داده شده، قابل قبول نبوده چرا که بخشی از مکان‌های قرارگیری رک‌، ظرفیت کافی سرمایش دریافت نمی کنند. نکته‌ی مهم دیگر آنست که افزایش ارتفاع کف کاذب مفید بوده ولی بعضی از مشکلات در هر ارتفاع عملی و امکان‌پذیری برای کف کاذب، باز هم برطرف نخواهد شد. در نتیجه، با این که گاهی استفاده‌ از تایل مشبک، می‌تواند مفید باشد، ولی این داده‌‌ها نشان می‌دهند که به کارگیری چنین تایل‌هایی روش موثری در افزایش ظرفیت کلی توان مصرفی مرکز داده نیست.

مطابق شکل 3، حتی در زمانی که طراحی سرمایش دست و دل بازانه ای اجرا شده باشد نیز به 3 تا 4 نوع تایل جهت سرمایش رک مفروض 18kW نیاز خواهد بود. اگرچه، در جانمایی معمولی مرکز داده تنها یک تایل کف به هر رک اختصاص می‌یابد. زمانی که این داده‌ها با داده‌های تغییرات جریان هوای ارائه شده در شکل 4 ترکیب شوند، این نتیجه حاصل خواهد شد که با جانمایی سنتی مرکز داده با یک تایل تهویه برای هر رک، نمی‌توان به سادگی رک‌های دارای توان تقریبی 6 kW در رک را در یک ناحیه‌ی معادل و پایدار، سرد کرد. با استفاده از سیستم راهروی بسته‌ی سرد و یا گرم، این مقدار تا 10 kW در رک، افزایش خواهد یافت. برای دریافت اطلاعات بیشتر در زمینه‌ی سیستم‌های بسته، به گزارش “راهروی گرم بسته در برابر راهروی سرد بسته”[4] مراجعه شود.

دفع 2500 cfm(1.180 L/s) هوای گرم تهویه شده از رک

برای بازگرداندن هوا به سیستم سرمایش، سه روش وجود دارد: از طریق اتاق، از طریق کانال هوا و یا از طریق پلنوم سقف. در حالت ایده‌آل، هوای گرم تهویه شده از تجهیزات، بدون هیچ فرصتی برای ترکیب شدن با هوای محیط و یا کشیده شدن به ورودی هوای تجهیزات، مستقیما به سیستم سرمایش بازگردانده می‌شود. در این حالت، به مسیری کاملا باز و مستقیم، بدون هیچ مانعی نیاز خواهد بود. در یکی از کتب مرجع بیان شده که برای جریان  2.500cfm(1.180 L/s) هوا، در کانال دایره‌ای با قطر 12 اینچ و یا 30 سانتی متر، به سرعتی در حدود 35 مایل در ساعت(56 km/hr) نیاز است. دالان هایی به ارتفاع چند متر که جدا کننده جریان هوای برگشتی بوده و در ارتفاع بالایی اجرا شده باشند، چنین شرایطی را فراهم خواهد کرد. هرچند که در بسیاری از مراکز داده، این جریان هوای برگشتی از طریق کانال‌های بازگشت هوا و یا یک پلنوم در سقف کاذب تامین می‌شود و بسیاری دیگر نیز، برای هدایت جریان هوای بازگشتی به رک زیر سقف اتاق که تنها چند فوت بالاتر از رک ها قرار داشته (سقف کاذب)، اکتفا می‌کنند. موارد مطرح شده، چالش‌های فنی بسیاری را بر سر راه طراحی قرار خواهد داد.

قابلیت تامین هوای بازگشتی در یک رک ، به اندازه قابلیت تامین هوای خنک، محدود است. لذا همانند تامین هوای خنک، اقدامات لازم جهت تامین بیش از 400cfm(189 L/s) هوای برگشتی برای هر رک، نیازمند طراحی تخصصی و اطمینان از عملکرد و افزونگی مورد نیاز سیستم سرمایش، می‌باشد.

دور نگه داشتن هوای گرم تهویه شده از ورودی هوای تجهیزات

به فاصله بین خروجی هوای تجهیزات فاوا و ورودی آن، کوتاه ترین “مسیر گردش مجدد هوا” گفته می شود. به همین دلیل یکی از اجزای حیاتی در طراحی مرکز داده آنست که این مسیر نامطلوب گردش مجدد هوا، تحت کنترل مسیرهای تامین هوای سرد و مسیر هوای گرم تهویه شده قرار داده شود.  این موضوع به خصوص در محیط‌های پرظرفیت چالش برانگیرتر خواهد بود چرا که جریان هوا با سرعت بالا باید بر مقاومت از سوی سیستم های توزیع هوا و هوای برگشتی غلبه کند. پنل‌های کاذب که در ادامه توضیح داده خواهند شد، راه‌کار موثری در مواجهه با گردش مجدد هوا داخل رک، محسوب می‌‌شوند.  انواع روش‌ها در گردش مجدد هوا، در گزارش ” اشتباهات قابل پیش گیری که عملکرد سرمایش را در مراکز داده و اتاق‌های شبکه، به خطر می‌اندازند”[5] به تفصیل توضیح داده شده‌اند.

ایجاد تمامی این کارکردها در حالت افزونه و مستمر

در مرکز داده‌ای با دسترسی بالا، مصارف برق باید در طول خرابی‌ها و توقف کار برنامه ریزی شده و یا غیرمنتظره در دستگاه‌های CRAC، تداوم داشته و به عملکرد خود ادامه دهند. به عبارت دیگر، سرمایش باید افزونگی کافی برای خاموشی هر یک از واحدهای CRAC، در اختیار داشته باشد. در طراحی سنتی مرکز داده، واحدهای متعددی از CRAC هوای کف کاذب و یا پلنوم سقفی مشترکی را تامین می کردند که تصور می‌شد هوای خروجی تمام واحدهای CRAC با هم جمع شده و فشار یکسانی در طول پلنوم توزیع هوا، ایجاد می کرده است. این سیستم به نحوی طراحی شده که الزامات جریان هوا و سرمایش را در زمان خاموشی هر یک از واحدهای CRAC، برآورده سازد.

با افزایش توان مصرفی عملیاتی مراکز داده‌ی سنتی، جریان هوا در پلنوم نیز افزایش یافته و این فرضیه‌های اولیه در مورد سیستم پلنوم مشترک، دیگر درست نخواهد بود.

خاموشی تنها یک دستگاه CRAC می تواند سرعت جریان هوا را به طور اساسی در داخل پلنوم تغییر دهد. ممکن است جهت جریان هوا در تایل کف معکوس شده و در نتیجه ی اثر ونتوری یا همان کاهش فشار سیال در زمان عبور از قسمت تنگ مجرا، هوا را به سمت پایین و به داخل کف بکشد. با افزایش توان مصرفی، عملکرد سیستم سرمایش در حالت بروز نقص و خطا، کمتر قابل پیش‌بینی خواهد بود. به همین دلیل نیز نصب تجهیزات پرظرفیت به دفعات زیاد و با روش‌های کمی(مانند دینامیک محاسباتی سیالات-CFD)، شبیه‌سازی شده تا افزونگی تعیین و تامین گردد.

مفهوم سرمایش مداوم و بی وقفه نیز در محیط‌های پرظرفیت چالش برانگیز خواهد بود. در سیستم سنتی سرمایش مرکز داده، معمولا از ژنراتور برق منتظر، بجای UPS آماده استفاده می شد. البته در مراکز داده‌ی متوسط، تاخیر در شروع به کار ژنراتورها قابل قبول محسوب شده چرا که با کمبود سرمایش و هوای کافی ناشی از 5 تا 20 ثانیه تاخیر در اطمینان از به کار افتادن ژنراتور، تنها به تقریبا 1°C(1.8°F) افزایش دما منجر می‌شود. اگرچه در شرایطی که مصارف پرظرفیت تا حدود 18kW در رک، نصب شده، افزایش دمای ناشی از تاخیر شروع کار ژنراتور در حدود 8-30°C(14-54°F) بوده که قابل قبول نمی‌باشد. در نتیجه، در نصب تجهیزات پرظرفیت، عملکرد مداوم فن ها و پمپ‌های CRAC-در بعضی موارد حتی خود دستگاه‌های CRAC- ضروری بوده تا از سرمایش بی وقفه و مداوم اطمینان حاصل شود. این ضرورت تامین سیستم سرمایش توسط UPS عاملی اساسی در هزینه‌ها به شمار رفته و مانعی بزرگ بر سر راه اجرای رایانش پرظرفیت ایجاد می‌کند.

پنج استراتژی در اجرای رک های پرظرفیت و سرورهای تیغه‌ ای

برای اجرای رک های پرظرفیت و سرورهای تیغه‌ ای، 5 روش اصلی وجود دارد:

1. سرمایش گسترده: در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده و با پخش کردن تجهیزات در میان رک‌های مختلف، می‌توان مصرف برق هر رکی که مقدار مصرفش از متوسط مقدار طراحی فراتر رفته را گسترده ساخت.
2. سرمایش تعدیلی: در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده و طبق قوانین تعیین شده‌ای به رک‌های پرظرفیت اجازه داده تا از ظرفیت مازاد و بلااستفاده‌ی سرمایش در رک‌های کناری خود استفاده کند.
3. سرمایش تکمیلی: در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده و در صورت نیاز، از تجهیزات سرمایشی تکمیلی استفاده شده تا رک‌ها را با ظرفیتی بیشتر از مقدار متوسط طراحی، خنک کند.
4. ناحیه‌های اختصاصی پرظرفیت: در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده و برای ناحیه‌ی مشخص و محدودی داخل اتاق ظرفیت سرمایشی بالاتری تامین شده و رک‌های پرظرفیت صرفا در آن ناحیه‌ی اختصاصی، مستقر شود.
5. سرمایش تمام اتاق: قابلیتی در اتاق ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را در هر رک تا مقدار اوج ظرفیت مورد انتظار رک تامین کند.

هر یک از این 5 روش به همراه معایب و مزایایشان در ادامه توضیح داده خواهد شد.

روش 1: سرمایش گسترده

در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده و با پخش کردن تجهیزات در میان رک‌های مختلف، می‌توان مصرف برق هر رکی که مقدار مصرفش از متوسط مقدار طراحی فراتر رفته را گسترده ساخت.

این روش پرطرفدارترین راه‌کار در به کارگیری تجهیزات پرظرفیت در مراکز داده‌ی امروزی به شمار می‌رود. خوشبختانه، در سرورهای 1U و تیغه‌ ای نیازی به نصب سرورها در فاصله‌ی نزدیکی در کنار هم داخل یک رک نبوده و می‌توان این سرورها را در میان رک‌های مختلف، پخش کرد. با تقسیم کردن تجهیزات در میان رک‌ها، نیاز برق هیچ رکی از توان مصرفی فاز طراحی فراتر نرفته و در نتیجه، عملکرد سرمایش قابل پیش‌بینی خواهد بود.

باید توجه داشت که با پخش کردن تجهیزات در میان رک‌های مختلف، فضای عمودی زیادی در رک‌ها، بلااستفاده و خالی باقی خواهد ماند. این فضای خالی باید با پنل‌های کاذب پر شده تا همان  طور که در گزارش “بهبود عملکرد سرمایش رک با به کارگیری پنل‌های کاذب”[6] نیز توضیح داده شده، از تضعیف عملکرد سرمایش جلوگیری شود. مثالی از این پنل‌های کاذب مدولار در رک‌های هوابند شده در شکل 5 نمایش داده شده است.

 

معمولا عوامل دیگری به غیر از سرمایش، در نیاز به گسترده ساختن تجهیزات پرظرفیت در میان چند رک مختلف، تاثیرگذار هستند. ممکن است ایجاد تعداد مورد نیاز از منبع تامین کننده‌ی برق و یا داده برای رک، امکان‌پذیر و یا عملی نبوده و در مورد سرورهای 1U، حجم زیاد کابل‌کشی‌ها در پشت رک مسیر هوا را مسدود کرده و یا حتی از بسته شدن درب‌های عقبی جلوگیری کند.

روش 2: سرمایش تعدیلی

در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده و طبق قوانین تعیین شده‌ای به رک‌های پرظرفیت اجازه داده تا از ظرفیت مازاد و بلااستفاده‌ی سرمایش در رک‌های کناری خود استفاده کند.

این راه‌کار رایگان، معمولا عملی بوده ولی به ندرت مستندسازی شده است. این روش از این موضوع بهره برده که بعضی از رک‌ها برق کم‌تری از مقدار متوسط طراحی مصرف می‌کنند. ظرفیت تامین سرمایش و هوای برگشتی که به رک‌های بلااستفاده تخصیص یافته، در اختیار رک‌های دیگری با همان سرعت جریان هوا قرار داده خواهد شد. قانون ساده‌ای چون “رک‌های پرظرفیت را در نزدیکی هم قرار ندهید”، منافعی در بر داشته ولی با اجرای قوانین پیچیده‌تری می‌توان مطمعناً رک ها را تا دو برابر مقدار متوسط طراحی، خنک کرد.

این قوانین را می‌توان توسط رویه ها و توافقات تایید شده از طریق نظارت بر مصرف برق در سطح رک، ایجاد کرد. این کار را می توان توسط سیستم مدیریت مانند ISX Manager از شرکت اشنایدر الکتریک، به طور اتومات در آورد. با معرفی تجهیزات جدیدتر IT که مصرف برق در آن ها در طول زمان، متغیر است، اتومات‌سازی این کارکرد نیز ضروری‌تر خواهد بود.

در شکل 6، مثالی از قانونی موثر که تحت این روش نیز قابل اجراست، آورده شده است. این قانون در پیاده‌سازی تجهیزات جدید اعمال شده تا تعیین شود که آیا تجهیزات را می‌توان مطابق با ظرفیت سیستم سرمایش اجرا کرد؟ با این قانون، ظرفیت سرمایشی که به طور آنی توسط رک‌ کناری استفاده نشده، در اختیار سرمایش رک دیگری قرار داده شده که در این شرایط، اوج توان مصرفی آن رک می‌تواند از متوسط توان سرمایش اتاق نیز فراتر رفته و حتی تا سه برابر ظرفیت متوسط اتاق افزایش یابد البته اگر ظرفیت سرمایش در رک‌های کناری استفاده نشده باشد. این روش در اجرای رک‌های پرظرفیت در مراکز داده‌ی معمولی می‌تواند  بسیار موثر باشد چرا که عموما بسیاری از رک‌های اطراف از تمام ظرفیت سرمایش خود استفاده نمی‌کنند.

 

روش 3: سرمایش تکمیلی

در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده و در صورت نیاز، از تجهیزات سرمایشی تکمیلی استفاده شده تا رک‌ها را با ظرفیتی بیشتر از مقدار متوسط طراحی، خنک کند.

به طور عادی در این روش نیازمند است که از پیش برای نصب تجهیزات اضافی، برنامه‌ریزی شده تا بتوان در جا و زمان مورد نیاز، از تجهیزات سرمایش تکمیلی استفاده کرد. وقتی بدین روش برای یک اتاق برنامه‌ریزی شود، می‌توان از تکنیک‌های متعددی برای سرمایش تکمیلی رک بهره برد. این تکنیک‌ها شامل:

• نصب تایل‌های (مشبک) تخصصی در کف و یا فن ها برای هدایت هوای سرد تامین شده از CRAC به سمت رک.
• نصب کانال‌های تخصصی هوای برگشتی و یا فن‌ها جهت جداسازی و فرستادن هوای گرم تهویه شده از رک و بازگشت به CRAC.
• نصب رک های تخصصی و یا دستگاه‌های سرمایش نصب شده بر رک با ظرفیتی جهت تامین سرمایش مستقیم داخل رک.

این روش‌ها موضوع بحث گزارش “طراحی توزیع هوای رک برای تاسیسات با ماموریت بحرانی”[7] می‌باشند. از آن جا که این روش‌ها اخیرا مورد توجه قرار گرفته اند، در بیشتر مراکز داده‌ی امروزی اجرا نشده‌اند. اگرچه، دارای انعطاف پذیری قابل توجهی بوده و با برنامه‌ریزی مناسب، تا زمان لزوم، نیازی به خرید و نصب آن‌ها نیست.

روش4: ناحیه‌های اختصاصی پرظرفیت

در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را به مقدار میانگین تامین کرده، برای ناحیه‌ی مشخص و محدودی داخل اتاق ظرفیت سرمایشی بالایی تامین شده و مکان قرارگیری رک‌های پرظرفیت به آن ناحیه‌ی اختصاصی، محدود شود.

برای اجرای این روش، به اطلاعات قبلی از قسمت رک های پرظرفیت و همچنین توانایی جداسازی این رک‌ها در ناحیه‌های مشخص نیاز بوده تا تحت چنین محدودیت‌هایی در نهایت بتوان به استفاده‌ی بهینه از فضا دست یافت. متاسفانه، این اطلاعات قبلی از رک های پرظرفیت معمولا در دسترس نبوده، در نتیجه این گزینه برای بسیاری از کاربران امکان‌پذیر نیست.

زمانی که این ناحیه‌ی مخصوص برای رک های پرظرفیت شناسایی شود، می‌توان تکنولوژی های پرظرفیت مشخصی را نیز نصب کرده تا ظرفیت برق و سرمایش قابل پیش‌بینی را در آن ناحیه تامین کرد. زمانی که توان مصرفی از 10kW در رک بگذرد، مشکل اصلی غیر قابل پیش‌بینی بودن جریان هوا خواهد بود. تکنولوژی‌هایی که جهت حل این مشکل به کار می‌روند، مبتنی بر اصول کوتاه کردن مسیر جریان هوا بین سیستم سرمایش و رک، می‌باشند.

نمونه‌ای از سیستم پرظرفیت و مدولار برق و سرمایش برای گروهی از رک‌های پرظرفیت همان InfraStruXure HD بوده که در شکل 7 نیز نمایش داده شده است. در این سیستم، گروهی از رک‌های IT با سیستم تهویه مطبوع پرظرفیت و سیستم توزیع برق پرظرفیت در یک واحد پیش ساخته و تست شده، یکپارچه شده است.

 

سیستمی که در شکل 7 نشان داده شده، متشکل از جانمایی راهروی گرم/راهروی سرد است. اصول کلیدی عملیاتی این سیستم همان به دام انداختن هوای گرم تهویه شده از تمام تجهیزات IT توسط بستن راهروی گرم و سپس، سرمایش سریع این هوا با کمک دستگاه تهویه مطبوع داخل رک، می‌باشد. با محدود کردن این هوای گرم به همراه روش کوتاه کردن مسیر جریان هوا، می‌توان سرمایش پرظرفیتی فراهم کرده و همچنین موجب بالا رفتن بهره‌وری سیستم شد. عملکرد چنین سیستمی کاملا از مکان قرارگیری آن(حتی در مکان‌هایی که در بازه ی دمای آسایش انسانی هستند)، مستقل بوده و می‌تواند بدون کف کاذب نیز نصب شود.

راه‌کارهایی که بر اساس در کنار هم قرار دادن رک‌های پرظرفیت شکل می‌گیرند و همچنین استفاده از تکنولوژی‌های پرظرفیت مخصوص، زمانی بیشترین کاربرد را دارند که الازماتی برای نزدیک هم نگه داشتن رک‌های پرظرفیت وجود داشته باشد. در تمام راه‌کارهای امکان‌پذیر دیگر، تا حدی به پخش کردن تجهیزات پرظرفیت نیاز است.

روش 5: سرمایش تمام اتاق

در اتاق قابلیتی ایجاد شود که بتواند برق و سرمایش مورد نیاز را در هر رک تا مقدار اوج ظرفیت مورد انتظار رک تامین کند.

از لحاظ مفهومی، این راه‌کار ساده‌ترین روش بوده ولی تقریبا هرگز اجرا نشده چرا که مراکز داده همواره با تغییرات چشمگیری در توان هر رک مواجه بوده و طراحی برای بدترین حالت، اتلاف بالایی داشته و بسیار هزینه‌بر می‌باشد. علاوه بر آن، در طراحی برای توان مصرفی کلی رک تا بیش از 6kW در رک، به طراحی و تحلیل بسیار پیچیده‌ای نیاز است. این روش، تنها در شرایطی بسیار خاص توجیه‌پذیر است.

خلاصه

در جدول 2، خلاصه‌ای از مزایا و معایب این 5 روش در تامین سرمایش برای رک‌های پرظرفیت آورده شده است.

جدول 2: کاربرد این 5 روش در سرمایش رک های پرظرفیت

روش	مزایا	معایب	کاربرد
1- گسترده کردن مصرف پخش کردن تجهیزات میان رک‌ها جهت پایین نگه داشتن مقدار اوج مصرف	در هر مکانی کار می‌کند، به برنامه‌ریزی نیاز نداشته در اصل در بسیاری موارد رایگان است.	تجهیزات پرظرفیت باید حتی بیشتر از روش 2، پخش شوند. اشغال سطح بیشتری از کف امکان ایجاد مشکلات مرتبط با کابل‌کشی	مراکز داده‌ی موجود، زمانی که تجهیزات پرظرفیت تنها یخش کوچکی از مصرف کلی را به خود اختصاص داده‌اند.
2- سرمایش تعدیلی تامین ظرفیت متوسط سرمایش تحت قوانینی برای شریک شدن در ظرفیت بلااستفاده	بدون نیاز به تجهیزات جدید در اصل در بسیاری موارد رایگان است.	محدود به تقریبا دو برابر توان مصرفی در فاز طراحی اشغال سطح بیشتری از کف نیازمند تحمیل قوانینی پیچیده	مراکز داده‌ی موجود، زمانی که تجهیزات پرظرفیت تنها یخش کوچکی از مصرف کلی را به خود اختصاص داده‌اند.
3- سرمایش تکمیلی تامین ظرفیت متوسط سرمایش با تامین تجهیزات سرمایش تکمیلی	ظرفیت بالا در زمان و مکان مورد نیاز هزینه‌های سرمایه به تعویق افتاده بهره‌وری بالا استفاده‌ی مناسب از سطح کف	محدود به تقریبا 10kW در هر رک رک‌ها و اتاق باید برای پشتیبانی این روش، از پیش طراحی شده باشند.	ساختمان‌های جدید و یا ارتقای ساختمان‌های فعلی فضاهایی با کاربری ترکیبی وقتی مکان تجهیزات پرظرفیت از پیش نامشخص باشد.
4- ناحیه‌های اختصاصی پرظرفیت ایجاد ناحیه‌ها و یا قسمت‌های مخصوص پرظرفیت در مرکز داده	بیشترین ظرفیت استفاده‌ی بهینه از سطح کف به پخش کردن تجهیزات پرظرفیت نیازی نیست بهره‌وری بالا	نیاز به برنامه‌ریزی برای ناحیه‌ی پرظرفیت از پیش و یا رزرو فضا برای آن تجهیزات پرظرفیت باید جداسازی شوند.	ظرفیت 10-25kW در رک وقتی الزاماتی برای در کنار هم قرار دادن دستگاه‌های پرظرفیت باشد. ساختمان‌های جدید و یا ارتقای ساختمان‌ها موجود
5- سرمایش تمام اتاق تامین توانایی سرمایش پرظرفیت برای هر رک	رسیدگی به تمام سناریوهای آتی	هزینه‌های عملیاتی و سرمایه بسیار بالا تا 4 برابر دیگر روش‌ها ممکن است به زیرساخت‌های گران بلااستفاده‌ی بسیار زیادی منجر شود.	در موارد نادر ولی بحرانی کارخانه‌های بزرگ از تجهیزات پرظرفیت با فضای فیزیک بسیار محدود

 

ارزش فشرده‌سازی

در قسمت قبل، تعدادی از موانع ناشی از هزینه، پیچیدگی و قابلیت اطمینان مرتبط با نصب تجهیزات پرهزینه توضیح داده شد. برای پیاده‌سازی این تجهیزات در مرکز داده، ابتدا باید بر این مشکلات غلبه کرد. با این حال، پیش‌بینی‌های آمده در نشریات تجاری صنعتی، حاکی از آنست که فشرده‌سازی مراکز داده غیرقابل اجتناب بوده و به دلیل صرفه‌جویی‌های حاصل از فشرده‌سازی در هزینه و فضا، اجرای آن نیز در حال حاضر آغاز شده است. اگرچه، داده‌ها این ادعا را تایید نمی‌کنند و به جای آن، تاکید دارند که افزایش فشرده‌سازی تنها از طریق افزایش ظرفیت و بدون کاهش اساسی در مصرف برق، مقرون به صرفه نمی‌باشد.

در شکل 8، فضای مرکز داده به ازای kW به عنوان تابعی از توان مصرفی تجهیزات IT نشان داده شده است. زمانی که ظرفیت تجهیزات IT بالا رفته، فضایی از ساختمان که به این تجهیزات اختصاص داده شده تا زیر منحنی پایینی کاهش می‌یابد. هر چند هیچ کاهشی در فضای ساختمان که به زیرساخت برق و سرمایش اختصاص یافته، مشاهده نمی‌شود. وقتی توان مصرفی از حدود 2.5kW در رک فراتر رفته، در واقع فضای اشغال شده توسط تجهیزات برق و سرمایش نیز از فضای تجهیزات IT بیشتر می‌شود. نتیجه آنست که فشرده‌سازی بیش از تقریبا 4-5kW در رک، در واقعیت به هیچ کاهش بیشتری در فضای کلی، منجر نخواهد شد.

باوری بسیار متداول ولی ناگفته که فرضیه‌ای اساسی در فشرده‌سازی نیز بوده، آنست که هزینه‌های مرکز داده ناشی از سطح اشغال شده است و در نتیجه، با کاهش این سطح از طریق فشرده‌سازی، از هزینه‌ها نیز کاسته خواهد شد.

شکل 9 نشان‌دهنده‌ی هزینه‌ی کلی مالکیت(TCO) در تمام عمر مفید مرکز داده به عنوان تابعی از توان مصرفی تجهیزات IT می‌باشد. با افزایش ظرفیت تجهیزات IT، یکی از نتایج مورد انتظار و رایج آنست که متناسب با آن، TCO نیز مانند منحنی زیرین شکل، کاهش می‌یابد. اگرچه، در واقعیت 75% TCO مراکز داده ناشی از مصرف برق بوده و تنها 25% هزینه‌ها ناشی از سطح اشغال شده‌ است. علاوه بر آن، هزینه‌های هر وات با افزایش توان مصرفی، به دلیل عواملی که پیشتر توضیح داده شد، افزایش خواهد یافت. نتیجه آنست که هزینه های TCO با افزایش توان مصرفی، کاهش چشمگیری نیافته ولی در واقع پس از گذشتن از مقدار بهینه‌ی توان مصرفی که تقریبا 6kW در هر رک بوده، افزایش نیز می‌یابد.

 

مزایا حاصل از افزایش توان مصرفی تجهیزات IT ناچیز است. اگرچه مزایای قابل توجهی از کاهش مصرف برق تجهیزات IT به دست می‌آید چرا که همان طور که در قسمت پیش توضیح داده شد، فضا و TCO مرکز داده، هر دو شدیدا تحت تاثیر مصرف برق قرار دارند. در جدول 3، نشان داده شده که چگونه کاهش‌های بیشتر در مصرف برق و ابعاد تجهیزات IT بر فضا و TCO مرکز داده موثر است. با مقایسه با نمونه‌های معیار معمولی، کاهش در مصرف برق مزایای بسیار بیشتری نسبت به کاهش در ابعاد و فضا، به دنبال خواهد داشت.

جدول 3: صرفه‌جویی‌های سطح و TCO مرکز داده ناشی از کاهش در ابعاد و مصرف برق تجهیزات IT

بهبود تجهیزات IT	صرفه‌جویی در سطح	صرفه‌جویی در TCO	تحلیل
50% کاهش در ابعاد، و مصرف برق یکسان	14%	4%	صرفه‌جویی مورد انتظار در سطح مشاهده نشده چرا که سطح اشغال سیستم برق و سرمایش، بر بقیه تجهیزات غالب است. صرفه‌جویی مورد انتظار TCO مشاهده نشده چرا که هزینه‌های مرتبط با مصرف برق بر TCO غالب است.
50% کاهش در مصرف برق، با ابعاد یکسان	26%	35%	صرفه‌جویی چشمگیری در سطح ناشی از صرفه‌جویی در فضای برق و سرمایش می باشد. صرفه‌جویی چشمگیری در TCO ناشی از غلبه‌ی هزینه‌ی مرتبط با مصرف برق بر TCO می‌باشد.

 

سرورهای تیغه‌ ای به دلیل زیرساخت‌های مشترکی که در شاسی تامین برق و فن‌های سرمایش دارند، می‌توانند نسبت به سرورهای سنتی، بین 20-40% از مصرف برق بکاهند. از آن جا که TCO بیش از آن که تحت تاثیر هزینه‌های مرتبط با سطح اشغال فضا باشند، متاثر از هزینه‌های ناشی از مصرف برق هستند، این صرفه‌جویی‌های حاصل شده نیز به معنای صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در TCO به شمار می‌رود.

بر خلاف باورهای متداول، مزیت اصلی TCO مرتبط با زیرساخت فیزیکی مرکز داده برای سرورهای تیغه‌ ای، از مصرف برق کمتر در آن‌ها نشات گرفته، و به اشغال سطح کم‌تر مرتبط نمی‌باشد. سرورهای تیغه‌ ای به نصب در ظرفیت بالا جهت دستیابی به این مزایای TCO نیاز ندارند.

استراتژی بهینه‌ی سرمایش

با توجه به اطلاعات ارائه شده در این مقاله، می‌توان به استراتژی منسجمی دست یافت که در نصب اکثر تجهیزات، بهینه خواهد بود. در این استراتژی از ترکیبی از روش‌هایی که پیشتر توضیح داده شد و در ادامه نیز در جدول 4 آورده شده، استفاده شده است.

جدول 4: استراتژی اجرایی در بهینه‌سازی سرمایش در حین اجرای تجهیزات پرظرفیت کامپیوتری

بهبود تجهیزات IT	تحلیل
1- به ابعاد فیزیک تهیزات IT توجه نکرده و بر قابلیت کارکرد در هر وات برق مصرف شده تمرکز شود.	این روشی موثر در به حداقل رساندن سطح اشغال و TCO می‌باشد.
2- سیستم را به شکلی طراحی کنید تا بعدها امکان نصب دستگاه‌های سرمایش تکمیلی، فراهم باشد.	بدین طریق می‌توان بعدها دستگاه‌های سرمایش تکمیلی را در زمان و مکان مورد نیاز در مرکز داده‌ی در حال کار، و در صورت مواجهه با الزامات نامشخص آتی نصب کرد.
3- به عنوان معیار در طراحی‌های جدید، توان مصرفی را بین 40-100W/ft2 [0.4-1.1kW/m2] با  80W/ft2 [0.9 kW/m2] (متوسط 2800 W/enclodure) انتخاب کرده که مقدار اجرایی برای بیشتر طراحی‌های جدید است.	این مقدار توان مصرفی معیار در طراحی باید جهت جلوگیری از اتلاف‌های زیاد ناشی از برآوردهای نادرست، انتخاب شده و با نگه داشتن توان مصرفی زیر 100 W/ft2 (1.1kW/m2)، عملکرد و افزونگی قابل پیش‌بینی خواهد بود.
4- زمانی که درصد مصرف پرظرفیت چشمگیر و قابل پیش‌بینی بوده، ناحیه‌های مخصوص و پرظرفیتی با توان 100-400 W/ft2 [1.1-4.3 kW/m2] (3-12kW در هر رک) در مرکز داده، تعیین و تجهیز شود.	زمانی که ناحیه‌ی پرظرفیت از پیش مشخص بوده، و گسترده ‌ساختن مصرف نیز امکان‌پذیر نباشد. این روش می‌تواند به طور قابل توجهی بر هزینه‌ها، زمان و پیچیدگی طراحی مرکز داده بیافزاید. در این ناحیه‌ها، از تجهیزات تخصصی سرمایش استفاده شده و طراحی معمول کف کاذب کاربرد نخواهد داشت.
5- رویه‌ها و قوانینی تعیین شده که توان مجاز هر رک را بر اساس مکان و مصارف رک‌های کناری، تعیین می‌کند.	زمانی که درک قابلیت‌های طراحی با نظارت بر برق مصرفی همراه شده، اعمال قوانینی در نصب تجهیزات جدید می‌تواند بروز نقاط پرحرارت را کاهش داده، به اطمینان از افزونگی سرمایش کمک کرده، بهره‌وری سرمایش سیستم را افزایش داده و مصرف برق را نیز کاهش دهد. با قوانین پیچیده‌تر و نظارت، می‌توان توان مصرفی بالاتر را امکان‌پذیر ساخت.
6- در زمان لزوم از دستگاه‌های سرمایش تکمیلی استفاده شود.	با نصب دستگاه‌های سرمایش تکمیلی در زمان و مکان مورد نیاز، ظرفیت سرمایش یک ناحیه از مرکز داده تا 3 برابر مقدار طراحی افزایش یافته تا امکان جای دادن تجهیزات پرظرفیت فراهم شود.
7- تجهیزاتی که قادر به پیروی از این قوانین نیستند، را جدا کنید.	زمانی که مصارف پرظرفیت، بیشتر از بخش کوچکی از مصرف را شامل شده، این گزینه‌ دارای کمترین هزینه و کمترین ریسک بوده، که از طرف دیگر سطح قابل توجهی اشغال می‌کند. کاربرانی که این روش را به عنوان استراتژی اصلی خود انتخاب می‌کنند، با محدودیت قابل توجهی در سطح اشغال شده روبرو نیستند.

نتیجه‌گیری

حداکثر توان مصرفی رک که در آخرین نسل از تجهیزات پرظرفیت IT ارائه شده، تقریبا ده برابر متوسط توان مصرفی رک در مراکز داده‌ی فعلی است. تعداد معدودی رک در مراکز داده بوده که با حتی نیمی از این مقدار حداکثر، در حال عملیات است.

به دلیل محدودیت‌های سیستم‌ها تامین و بازگشت هوا و دشواری تامین افزوگی و سرمایش مداوم در حین انتقال به حالت ژنراتور، روش‌ها و جانمایی‌های فعلی مراکز داده در عمل نمی‌توانند سرمایش مورد نیاز این تجهیزات پرظرفیت را تامین کنند.

زمانی که هدف کاهش سطح اشغال و هزینه‌ی کلی مالکیت مرکز داده باشد، مشتریان باید بر خرید تجهیزات IT بر اساس میزان کارکرد در ازای هر وات برق مصرف شده، تمرکز کرده و ابعاد فیزیکی تجهیزات IT را معیار انتخاب خود قرار ندهند. این نتیجه‌ی دور از انتظار از آن جا نشات گرفته که در توان مصرفی بالای 60W/ft²(0.6kW/m²)، برق مصرف شده تاثیر به مراتب چشمگیرتری از ابعاد تجهیزات IT، بر فضا و TCO دارند.

راه‌کارهای متعددی وجود داشته تا تجهیزات پرظرفیت کامپیوتری به طور موثری در مراکز داده‌ی سنتی، پیاده‌سازی شوند. در عین حال که طراحی تمام مراکز داده برای ظرفیت‌های بالا همچنان غیرعملی بوده، اما با به کارگیری سیستم‌های سرمایش تکمیلی و اعمال قوانینی در جهت استفاده از ظرفیت بلااستفاده‌ی رک‌های کناری و در نهایت گسترده ساختن مصرف در میان رک‌های مختلف، می‌توان تعداد محدودی تجهیزات پرظرفیت را در مراکز داده نصب کرد.

وقتی در برنامه‌ریزی نصب تجهیزات، درصد بالایی را رک‌های پرظرفیت تشکیل داده‌اند و پخش کردن تجهیزات در میان رک‌ها نیز امکان‌پذیر نبوده، تنها گزینه‌ی باقیمانده همان طراحی به گونه‌ای است که چنین قابلیتی در تمام رک‌ها ایجاد شود. طراحی‌های سنتی کف کاذب، نمی‌توانند ظرفیت کافی و یا عملکردی قابل پیش‌بینی برای چنین سیستم‌هایی تامین کرده و در نتیجه، به سیستم‌های تخصصی سرمایش در سطح رک/ ردیف/ گروهی از رک‌ها نیاز خواهد بود.

بر خلاف بحث های پیرامون ظرفیت 300-600 وات در فوت مربع (3.2-6.5 kW/m²) در طراحی مرکز داده که در مجلات تجاری مطرح می‌شود، به دلیل هزینه های اضافی بسیار بالا و دشواری در تامین دسترسی بالا در چنین ظرفیت هایی، دستیابی به این توان مصرفی همچنان غیر عملی باقی مانده است. طراحی‌های فعلی با دسترسی‌ و عملکرد بالا در مراکز داده، در بازه‌ی 40-100 W/ft² [0.4-1.1 kW/m²] (متوسط 1.2kW تا 3kW در رک) قابل پیش‌بینی و اجرایی بوده و با بهره‌گیری از مزایای توزیع مصارف و استفاده از دستگاه‌های سرمایش تکمیلی، قابلیت پشتیبانی مصارف موقت را تا 3 برابر مقدار طراحی دارد.

 

 

[1] – در تعیین ظرفیت‌های رک و ردیف در شکل 1، از سطح اشغال 25ft² استفاده شده است. سطح اشغال که اکثرا به کار گرفته شده، از 25 تا 30 فوت مربع (2.3-2.8 m²) متغیر است. برای توضیحات بیشتر در زمینه‌ی توان مصرفی، به گزارش “راهنمایی برای تعیین توان مصرفی مرکز داده” مراجعه شود.

[2] – Mitchell-Jackson, J.D., Koomey, J.G., Nordman, B., Blazek, M., Data Center Power Requirements: Measurements From Silicon Valley, May 16, 2001. Master’s Thesis, Energy and Resources Group, University of California. Berkeley, California.

[3] -دستیابی به این داده‌ها، نسبت به داده های جدول 1 دشوارتر است چرا که ابزارهای اندازه‌گیری توان هر رک در بیشتر مراکز داده، در دسترس نیست. در بسیاری از موارد، باید از طریق اختصاص دادن توان واقعی به گروهی از رک‌ها، و سپس تقسیم برق میان رک ها با کمک داد‌ه‌های مصرف برق گسترده‌ی مشتریان پیشین(ارائه شده توسط شرکت اشنایدر الکتریک جهت استفاده در ابزارهای برآورد UPS)، این داده‌ها را تخمین زد.

[4] – White Paper 135, Hot Aisle vs. Cold Aisle Containment

[5] – White Paper 49, Avoidable Mistakes that Compromise Cooling Performance in Data Centers and Network Rooms

[6] – White Paper 44, Improving Rack Cooling Performance Using Blanking Panels

[7] – White Paper 55, Rack Air Distribution Architecture for Mission Critical Facilities