اثرات غیرمنتظره افزایش دمای مراکزداده

مقدمه

صنایع همواره تلاش دارند دمای عملیاتی تجهیزات IT، که از سوی ASHRAE (انجمن آمریکایی مهندسین سیستم های حرارتی، برودتی و تهویه مطبوع) به عنوان استاندارد (در بازبینی استاندارد TC9.9 منتشر شده در سال 2011) معرفی شده را افزایش دهند. هدف اصلی در توصیه‌های ASHRAE، کاهش مصرف انرژی در مراکز داده از طریق افزایش دمای مرکز داده و در نتیجه افزایش ساعات “سرمایش طبیعی یا رایگان” است.

علیرغم تلاش صنایع، بسیاری از مراکز داده هنوز در دمای ^oC 21 (^oF 70) یا کمتر از آن، کار می کنند. با وجود فرهنگ محافظه‌کارانه‌ی غالب در صنایع (مانند جلوگیری از توقف عملکرد، حفظ رویه‌های آشنای پیشین و …)، این گزارش قصد دارد به بررسی دقیق‌تر عدم تمایل بسیاری از مدیران مراکز داده، در افزایش دمای مرکز داده و  ورودی تجهیزات فاوا، بپردازد. اگر این کار به صرفه‌جویی‌هایی عمده منجر شود، مطمئنا صنعت، علیرغم فرهنگ محافظه کارانه‌ی خود، از این امتیاز بهره‌مند خواهد شد.

درابتدای گزارش به بیان دو پرسش اساسی که توسط مدیران مراکز داده مطرح شده تا از افزایش دمای داخلی مرکز داده خود جلوگیری کنند، پرداخته می شود:

• با افزایش دمای فاوا، چه میزان صرفه‌جویی در انرژی حاصل خواهد شد؟
• آیا افزایش دما، بر قابلیت اطمینان تجهیزات فاوا تاثیر خواهد داشت؟

برای پاسخ به این سوالات، می باید به مرکز داده به عنوان یک مجموعه‌ای فراگیر از سیستم‌هایی پویای پیچیده نگاه کرد که با افزایش مصرف انرژی در برخی از سیستم ها، مصرف برخی دیگر کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، می توان به سیستم  پکیج چیلر مرکز داده توجه نمود: با افزایش دمای کارکرد، میزان انرژی مصرفی چیلرها به دو دلیل کاهش پیدا می کند: مرکز داده برای قسمت عمده ای از سال در حالت “بهینه‌ساز” (economizer mode) کار کرده و دیگر اینکه بازده چیلر افزایش خواهد یافت. اما این گویای تمامی اتفاقاتی که رخ داده، نخواهد بود. اگر چه مصرف انرژی چیلر کاهش یافته اما نتایج همزمان زیر نیز حاصل خواهد شد :

• انرژی مصرفی کولرهای خشک (در حالت بهینه‌ساز، به جای چیلرها به کار گرفته می شود) افزایش می یابد زیرا ساعت کاری حالت بهینه‌ساز، افزایش یافته است.
• انرژی مصرفی سرورهای افزایش می یابد زیرا با افزایش دما، مقدار جریان هوای مورد نیاز (CFM) نیز افزایش خواهد یافت. (به متن داخل کادر مراجعه شود.)
• دستگاه‌های هواساز اتاق کامپیوتر (CRAH) می بایست با سرعت بیشتری کار کنند تا بتوانند نیاز بیشتر سرورها به جریان هوای (CFM) را تامین نمایند. افزایش سرعت به معنای افزایش مصرف انرژی می باشد.
• اگر برای تامین جریان هوای اضافی، از پیش، مشخصات سیستم بیشتر از حد نیاز برآورد نشده باشد، به تعداد بیشتری دستگاه CRAH نیاز است تا جریان هوای (CFM) مورد نیاز تامین شود که این امر، در بردارنده‌ی هزینه اضافی می باشد.

 

چرا فن های سرور با سرعت چرخش بیشتری کار می کنند ؟ هدف از بکارگیری فن‌های سرور، سرمایش اجزای داخل شاسی سرور است. هسته های CPU، مهم‌ترین این اجزا به شمار رفته که دمای آن می‌تواند تا 90°C افزایش یابد. با افزایش دمای هوای ورودی فاوا، دمای CPU نیز افزایش می‌یابد. در نتیجه فن‌های سرور به کار افتاده تا با افزایش جریان هوا، دمای CPU را کاهش دهد. این افزایش در جریان هوا به افزایش در مصرف انرژی سرور منتهی می‌شود.

 

شکل 1 آثار فوق را نشان می دهد. در این گزارش، تحلیلی از مرکزداده‌ای با معماری سرمایش از طریق پکیج چیلر، بررسی شده تا تاثیرات محسوس مکان و رفتار فن های سرور در اثر افزایش دمای کارکرد فاوا، بر صرفه جویی‌های احتمالی(یا جریمه‌ها) مشخص شود.

شکل 1: دینامیک سیستم پیچیده است و مرکز داده باید به طوری جامع و منسجم بررسی شود.

همچنین پیامدهای انتخاب دمای بالاترِ ثابت برای کارکرد مرکز داده در برابر دمای متغیر در یک محدوده دمایی مشخص،(با دمای متغیر در محیط بیرون) مورد بررسی قرارگرفته و این حالت ها با یکدیگر مقایسه خواهند شد. در نهایت مرکز داده‌ای فرض شده که میزان بار اعمالی به اندازه 50% بیشتر از حد معمولی می باشد و به بررسی تاثیراتی این میزان بار به نتایج پرداخته شده است.

تحلیل مرکز داده

تاثیر افزایش دمای تنظیمی IT بر مصرف انرژی وابستگی زیادی به معماری سرمایش، شرایط آب و هوایی ، سرعت فن های IT و درصد مصرف در تجهیزات فاوا، دارد. در این گزارش یک معماری[1] مشخص انتخاب و سپس در آب و هوایی متغیر شبیه‌سازی می‌شود تا از طریق این مثال، ماهیت و عملکرد پیچیده‌ی مراکز داده بررسی شده و اهمیت درک ریسک‌ها و مزایای حاصل از تغییرات، پیش از وقوع آن، نشان داده شود.

معماری تحلیل شده

در این تحلیل، معماری سرمایشیِ که امروزه در بسیاری از مراکز داده رایج است (یک پکیج چیلر هوا خنک به همراه حالت بهینه‌ساز) انتخاب  شده است (شکل 2). کولرهای خشک در حالت بهینه‌ساز، در حقیقت مبدل هایی گرمایی هستند که وقتی دمای هوای بیرون در محدوده‌ی دمای کارکرد قرار داشته، آب سردِ در گردش در مراکز داده را به طور مستقیم توسط هوای بیرون، خنک می کنند. پمپ‌ها، آب در گردش را داخل کولرهای خشک به حرکت درآورده و بدین وسیله هوای سرد بیرون، آبِ در گردش را خنک کرده تا برای استفاده به CRAH فرستاده شود.

شکل 2: معماری پکیج چیلر هوا خنک

فرضیات اصلی در مورد مرکزدادهِ انتخابی این تحلیل، شامل موارد زیر می باشد :

• مرکز داده‌ی 1 مگاواتی و با مصرف کامل؛
• استفاده از 3 چیلر هوا خنک[2]، با پیکریندی N+1 (براورد شده برای 20 سال کارآیی در دماهای زیاد و غیر عادی)
• به کارگیری تمام چیلرها در حالت معمولی، با قسمتی از ظرفیت کامل خود (شامل چیلر افزونه)؛
• چیلرها می‌توانند با آب سرد با دمایی بالاتر نیز کار کنند(به متن داخل کادر مراجعه شود)؛
• به کارگیری کولرهای خشک با محرکه دور متغیر(VFD) برای حالت بهینه‌ساز (بدون استفاده از سیستم سرمایش تبخیری)
• پمپ های سرعت ثابت؛
• استفاده از دستگاه‌های CRAH[3] در راهروی گرم بسته با پیکره بندی N؛
• میزان جریان هوای مورد نیاز سرورها با میزان جریان هوای تامین شده از CRAHها، مطابقت دارند. (یعنی cfm سرور= cfm در CRAH)
• توان مصرفی 4 کیلووات در رک
• صرف 3% از هزینه ها برای محاسبات TCO
• هزینه برق برابر است با 0.1 دلار در هر کیلوات ساعت
• استفاده از اطلاعات آب وهوایی تحت عنوان “bin data” بدست آمده از نرم افزار ASHRAE Weather Data Viewer 5.0

دمای عملیاتی چیلرها هر چیلر، قادر به تامین حداکثر دمایی در آب سرد بوده که به نوع و طراحی چیلر، وابسته است. به عنوان مثال، در چیلرهای پیکربندی شده[4]، برای ایجاد فشار کمتر در مبرد، کمپرسور باید بتواند بدون آسیب به موتور یا نشت روغن روان‌کننده داخل مدار مبرد، سرعت خود را کاهش دهد. بسته به نوع چیلر، دیگر اجزای چیلر نیز ممکن است به ویژگی‌های خاص دیگری نیاز داشته تا دمای بالاتری در آب سرد را امکان‌پذیر سازد. توصیه می‌شود پیش از افزایش دمای کارکرد آب، با سازنده‌ی چیلر مشورت شود. باید توجه داشت که در حالت کار با چیلرهایی پربازده در آب و هوای معتدل، صرفه‌جویی‌های انرژی ناشی از افزایش دمای ورودی فاوا ممکن است برای جبران افزایش مصرف در دستگاه‌های دیگر مرکز داده(مانند CRAH، کولر خشک، برج خنک‌کننده، IT) کافی نباشد.

 

انرژی مصرفی و TCO برای 3 سناریو با دمای کاری متفاوت زیر در نظر گرفته شده و نتایج آن تحلیل شده است :

• در حالت مبنا، دمای ورودی فاوا، دمای ثابت ^°C 20 فرض شده که امروزه این دما، دمای معمول عملیاتی برای مراکز داده می باشد.
• در حالت دوم، دمای IT ، در بازه‌ی 6-26.7°C، متغیر فرض شده است.
• در حالت سوم، دمای IT دمای ثابت 7°C قرار داده شده است.

بعد از مشخص شدن دما، برای تحلیل دقیق‌تر، سه شهر ایالات متحده آمریکا شامل شیکاگو، سیاتل و میامی، برای بررسی تاثیر تغییرات آب و هوایی، نیز در نظر گرفته شده است.

روش شناسی تحلیل

هزینه‌ی سرمایه و هزینه های انرژی برای کل سیستم سرمایش بر مبنای متدولوژی زیر تحلیل شده است:

• برای محاسبه انرژی سیستم سرمایش از اطلاعات بدست آمده از نرم افزار ASHRAE Weather Data Viewer 5.0 استفاده شده است. این اطلاعات در هر گام 1.11 درجه ای با استفاده از اصول و فرمولهای ترمودینامیک مورد ارزیابی قرار گرفته است. ورودی های این مدل شامل میزان اثربخشی سیم پیج CRAH، میانگین ΔT برای تجهیزات فاوا و تلفاتِ از دست رفتن تجهیزات برای فن های IT، چیلرها، کولرهای خشک، پمپ‌ها و CRAHها می باشد.
• در برآوردهای پکیج چیلر، شرایط دمایی غیر عادی و حاد در بازه‌ی زمانی 20 سال به عنوان بدترین شرایط آب و هوایی محیط بیرون، در نظر گرفته شده است. این نقطه‌ی تصمیم‌گیری، رویه‌ای مرسوم در برآورد مشخصات چیلرها بوده و از طرف موسسه‌ی Uptime نیز توصیه شده است.
• انرژی مصرفی سیستم سرمایش به حالت های مختلف از عملکرد وابسته می باشد؛ حالت سرمایش مکانیکی کامل، حالت بهینه‌ساز نسبی ، حالت بهینه‌ساز کامل. تعداد ساعات کارکرد در حالتهای مختلف محاسبه شده است.
• برای محاسبه دمای آب سرد در گردش، از دمای کارکرد هوای ورودی IT استفاده شده است. تغییر دمای آب در گردش بین 7.3 تا 32 درجه سانتیگراد مجاز می باشد.
• برای دمای بیش از 20°C در ورودی فاوا، میزان افزایش مصرف انرژی سرورها، به میزان مصرف انرژی سیستم سرمایش اضافه شده است. بر اساس شکل 5، افزایش مصرف برق سروهای فاوا تخمین زده شده است. همچنین افزایش جریان هوای سرورها (CFM) نیز به وسیله نقطه میانی گراف در شکل 6، با تقریب مناسبی بدست آمده است.
• حالت استفاده از دمای متغیر(سناریوی دوم)، بیان کننده شرایط ایده­آلی است که در آن کنترل‌های چیلرها و بهینه‌سازها، به دمای آب سرد در سیستم سرمایش اجازه داده که به طور دینامیکی تنظیم شود. در بسیاری از مراکز داده، دمای آب سرد در گردش، در طول سال ثابت نگه داشته شده و درنتیجه صرفه‌جویی انرژی نسبت به این نوع پروژه‌های مدل سازی شده، کمتر است.
• هزینه‌ی سرمایه با استفاده از قیمت های طراحی، تجهیزات و نیروی انسانی در یک پروژه مرکز داده با ظرفیت 1 مگاوات، تخمین زده شده است. بسیاری از این داده ها از نرم افزار Data Center Capital Cost Calculator به دست آمده است. در این محاسبات همچنین تغییرات هزینه‌ی سرمایه دستگاه‌های CRAH که ناشی از تغییرات جریان هوا(CFM) و دمای ورودی تجهیزات فاوا بوده، نیز در نظر گرفته شده است.

یافته ها

در ابتدا یافته های حالت مبنا (دمای ثابت 20 درجه سانتیگراد) با حالت دوم (دمای متغیر) مورد بررسی قرار می گیرد. سپس به مقایسه حالت اول با حالت سوم (دمای ثابت 26.7) پرداخته می شود.

مقایسه حالت مبنا و حالت دمای متغیر

تفاوت بهای تمام شده (TCO) دو حالت اول و دوم در شکل 3 به نمایش درآمده است. توجه شود که در TCO نشان داده شده، هزینه‌ی سرمایه‌‌ی سیستم (مانند چیلر، کولر خشک) که بین دو حالت یکسان بوده، لحاظ نشده است. برمبنای این تحلیل، نتایج زیر به دست می‌آید:

• در حالی‌که همیشه مصرف انرژی چیلر بهبود یافته است (کاهش یافته)، اما مصرف انرژی مجموع همیشه کمتر نشده است.
• دمای بالاتر هوای ورودی تجهیزات فاوا باعث افزایش جریان هوای تجهیزات IT شده که خود موجب کاهش ΔT در دستگاه‌های CRAH می‌شود. در نتیجه برای دفع همان میزان گرما، به جریان هوای بیشتری از CRAH نیاز می‌باشد.
• باافزایش دمای آب سرد در گردش، به ظرفیت بیشتری در دستگاه‌های CRAH نیاز می باشد، زیرا درΔT کمتر، ظرفیت دفع گرمای کویل‌ها(سیم پیچ‌ها) نیز کاهش می‌یابد.
• میزان افزایش انرژی مصرفی در سرورها و CRAHها، وابسته به مشخصات تجهیزات IT می باشد. این موضوع در قسمت بعدی تشریح خواهد شد.
• اطلاعات آب و هوایی (bin data) نقش مهمی در تعیین صرفه جویی هزینه‌ی ناشی از تغییرات دمای از 15.6 تا 26.7، ایفا می‌کنند.

شکل 3: خلاصه نتایج حاصل از حالت مبنا(دما ثابت در 20 درجه) و حالت دوم (دمای متغیر بین 15.6 تا 26.7) در مصرف کامل

نتایج اضافی در جدول 1 نشان داده شده است که شامل تفاوت ها در مجموع مصرف انرژی (kWh) و بهره‌وری مصرف برق (pPUE)[5] می‌باشد. اگرچه PUE در تمامی موارد بهتر شده است اما انرژی مصرفی در هر سه بهبود نیافته است. این نشان دهنده محدویت در استفاده از PUE به عنوان تنها شاخص اصلی در تصمیمات اجرایی می باشد.

همچنین اهمیت بیشینه‌ی دمای متغیر، که به کمترین مقدار TCO برای هر شهر منجر شده، نیز نمایان شده است. همانطورکه در داده ها آمده، دمای بهینه از شهری به شهر دیگرکاملا تغییر یافته است.

 جدول 1: خلاصه نتایج حاصل از حالت مبنا(دمای ثابت در 20 درجه) و حالت دوم (دمای متغیر بین15.6°C-26.7°C) در ظرفیت کامل

	شیکاگو	سیاتل	میامی
انرژی کل (kWh)	0.98% صرفه جویی	14.51% صرفه جویی	11.01% افزایش مصرف
pPUE (منحصر به سرمایش)	بهبود از 1.203 به 1.178	بهبود از 1.222 به 1.166	بهبود از 1.327 به 1.312
محدوده دمای متغیر با کمترین TCO	15.6°-26.7°C	15.6°-26.7°C	15.6°-21°C

در شکل 4، تغییرات TCO برحسب تغییرات حداکثر دمای متغیر، آورده شده است. در تمامی موارد، حداقل دمای متغیر 15.6°C فرض شده است.

شکل 4: خلاصه نتایج حاصل از حالت مبنا(دما ثابت در 20 درجه) و حالت دوم (دمای  متغیر بین 15.6 تا 26.7) در ظرفیت کامل

این گراف بیان می‌کند که چگونه اطلاعات آب و هوایی (bin data) می تواند تاثیری چشمگیر بر نتایج بگذارد. در سیاتل ، دمای بهینه برای معماری سرمایش 27 درجه می باشد در حالی که در شیکاگو، همین معماری دارای دمای بهینه 23 درجه است و در میامی، این دمای بهینه 21 درجه می باشد. این یافته‌ها ممکن است از نظر برخی عجیب باشد که میزان افزایش مصرفی انرژی سرورها و CRAHها در بالاتر از دمای بهینه بیشتر از میزان صرفجویی های مصرفی چیلرها می باشد. در میامی ساعات عملکرد در حالت بهینه‌ساز، به دلیل شرایط جوی، محدود می باشد. در نتیجه صرفه جویی در مصرف چیلرها، حتی نتوانسته دمای بهینه را به دمای 22°C برساند. در شکل 5،  اطلاعات آب و هوایی سه شهر مورد مطالعه آورده شده تا تغییرات چشمگیر توزیع دمایی از مکانی به مکان دیگر نشان داده شود. تعداد ساعاتی که دسته های مختلف دمایی مشاهده شده، به تعیین تعداد ساعات حالت بهینه‌ساز با افزایش دمای کارکرد، کمک می‌کند.

 

شکل 5: تغییرات اطلاعات آب و هوایی در 3 مکان مختلف: شیکاگو، سیاتل و میامی(محور عمودی بیان کننده تعداد ساعت هر دما می باشد)

مقایسه حالت مبنا (دمای ثابت) و حالت سوم (دمای ثابت بالاتر)

زمانی که اپراتوری از افزایش دمای در مرکز داده صحبت می‌کند، برداشت غالب افراد افزایش، تا دمای کارکردیِ ثابت و جدید است. سیستم‌های کنترل به ندرت با دمایی متغیر در یک بازه (مانند حالت پیشنهاد شده در این مقاله) تنظیم می‌شوند. حال سوال اینجاست که با افزایش دمای مرکز داده تا دمای ثابت 27 درجه سانتیگراد، چه تاثیری بر انرژی، TCO و همچنین قابلیت اطمینان (X-factor)  مشاهده خواهد شد.

از آن جا که دمای بالاتر ورودی فاوا، فن‌های IT را وا داشته تا در تمام سال، با سرعت بیشتری کار کنند، در نتیجه فن‌های سرور همواره برق بیشتری نسبت به حالت مبنا مصرف خواهد نمود. در شکل 6 مقایسه ای بین دمای ثابت بالاتر نسبت به دمای ثابت مبنا نشان داده شده است. یافته ها به قرار زیر است:

• میزان مصرف انرژی سرورها در این حالت، حتی از حالت دوم (دمای متغیر) نیز بیشتر خواهد بود زیرا فن‌های سرور در تمام طول سال، در دمای بالاتری کار می‌کنند.
• دسته‌های اطلاعات آب و هوایی، عامل مهمی در تعیین اثربخشی افزایش دمای عملیاتی می‌باشد.
• تثبیت دمای عملیاتی در مقداری بالاتر، همواره نامناسب‌تر از حالتی است که دما متغیر بوده و به این مقدار برسد. زیرا در دمای ثابت، در هیچ روزی از سال سرورها و دستگاه‌های CRAH قادر به صرفه جویی در مصرف انرژی نخواهند بود.
• در مقایسه با حالت دمای متغیر، هیچ تاثیری بر تعداد ساعات بهینه‌ساز و در نتیجه مصرف برق چیلرها و کولرهای خشک ندارد.

شکل 6خلاصه نتایج حاصل از حالت مبنا(دما ثابت در 20 درجه) و حالت سوم (دمای ثابت 27 درجه) در ظرفیت کامل

در جدول 2، یافته های دیگری نظیر کل انرژی مصرفی (kWh) و همچنین pPUE آورده شده است. مجددا باید ذکر کرد که 1) همواره با افزایش دمای فاوا، میزان مصرف انرژی بهبود پیدا نمی‌کند، و 2) شاخص PUE به تنهایی برای سنجش بهره‌وری در مصرف انرژی کافی نمی باشد.

 

جدول 2: خلاصه نتایج حاصل از حالت مبنا(دماثابت در 20 درجه) و حالت سوم (دمای ثابت 27 درجه) در ظرفیت کامل

	شیکاگو	سیاتل	میامی
انرژی کل (kWh)	12.52%  افزایش مصرف	2.34% صرفه جویی	11.16% افزایش مصرف
pPUE (تنها از نظر سرمایش)	بهبود از 1.221 به 1.182	بهبود از 1.241 به 1.170	بهبود از 1.363 به 1.312

 

تاثیر توان فن سرور و CFM

با افزایش دمای ورودی سرورها، جریان هوای مورد نیاز (CFM) و در نتیجه توان مصرفی فن ها افزایش می یابد. در گزارش “تاثیر افزایش دمای ورودی سرورها بر میزان مصرف انرژی”[6]، نتایج مطالعه و اندازه گیری انرژی مصرفی مدل های مختلف سرور تحت شرایط آزمایشگاهی، بیان شده است. منحنی مرکب نشان داده شده در تصویر7 بیان کننده این اندازه‌گیری می باشد.  بر مبنای این منحنی، در تحلیل های این گزارش نیز فرض می‌شود که با افزایش دما، مصرف برق سرورها نیز افزایش می‌یابد.

شکل7: تغییر توان مرکب سرور بر حسب تغییر دمای ورودی(برگرفته از گزارش فوق)

در شکل 8 روند افزایش جریان هوا سرور (CFM) به عنوان تابعی از افزایش دما، بر مبنای اطلاعات منتشر شده‌ی ASHRAE نشان داده شده است. تحلیل های این گزارش بر مبنای منحنی میانگین (منحنی نقطه چین قرمز رنگ شکل) می باشد اما همانطور که مشاهده می‌شود، در دماهای بالا اختلاف میان مدل های مختلف سرور، چشمگیر است.

شکل 8: میزان جریان هوای مورد نیاز سرور به عنوان تابعی از دمای عملیاتی

اگر CFM سرور با افزایش دما، افزایش پیدا نکند (به عبارتی منحنی مسطح باشد)، نتایج تحلیل کاملا متفاوت خواهد شد. به دلیل رفتار تجهیزات IT در دماهای بالا، که باعث خنثی شدن صرفه‌جویی‌ها در انرژی چیلر شده، تحلیل پیچیده خواهد شد. منحنی مسطح بدان معناست که دمای بالاتر همواره گزینه‌ی مطلوب‌تری است زیرا از طریق بهینه‌سازی و بدون هیچ جریمه‌ای در CRAH و سرور، در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند.

به منظور نشان دادن تاثیر منحنی CFM  بر نتایج کلی، تحلیل حساسیت (جدول 3) انجام شده که در آن، با ثابت نگه داشتن جریان آب سرد در گردش، جریان متغیر CFM به عنوان تابعی از دما – از حالت منحنی مسطح(بدون افزایش) شروع و به بیشترین مقدار افزایش(بالاترین نقطه در منحنی محدوده‌ی آبی رنگِ شکل 8) ختم شده- افزایش می‌یابد. با حرکت به سمت منحنی ها با شیب بیشتر نتایج زیر حاصل می شود :

• هزینه‌ی برق مصرفی فن‌های سرور افزایش یافته چرا که توان متناسب با سرعت چرخش محور فن تغییر می‌کند.
• با افزایش مقدار جریان هوای مورد نیاز، تعداد دستگاه‌های CRAH نیز افزایش می‌یابد.
• با افزایش مقدار جریان هوای مورد نیاز، انرژی مصرفی CRAH نیز افزایش می‌یابد.
• ساعات حالت بهینه‌ساز کاهش یافته زیرا برای جبران کاهش ΔT درCRAH، و در نتیجه کاهش بهره‌وری کویل‌های CRAH، به آب سرد با دمای کمتری، نیاز است.

در هر سه شهر، رفتار تجهیزات IT عاملی تعیین‌کننده در تاثیرات کلی مصرف انرژی در تغییر به دماهای (متغیر) بالاتر می‌باشد. این موضوع نشان دهنده اهمیت آگاهی از رفتار تجهیزات فاوا و تحلیل جامع مرکز داده پیش از تغییرات عملیاتی می‌باشد.

جدول 3: تغییر منحنی CFM از حالت مبنا (دما ثابت 20) به حالت دوم (دمای متغیر از 15.6 تا 26.7)و تاثیر آن بر کل مصرف انرژی (kWh)

تاثیر بر قابلیت اطمینان

تا به اینجا در تحلیل‌ها، پارامترهای مورد بررسی برای بدست آوردن دمای بهینه، صرفه جویی در انرژی و بهای تمام شده (TCO) بوده است اما قابلیت اطمینان نیز فاکتور مهم دیگری است که باید در انتخاب دمای عملیاتی مطلوب مد نظر قرار گیرد. فاکتور [7]X که توسط انجمن ASHARE TC9.9 منتشر شده برابر است با نسبت نرخ خرابی در دمای خشک به نرخ خرابی در دمای 20 درجه سانتیگراد. (به شکل 9 توجه کنید)

شکل 9: فاکتور X منتشر شده توسط ASHARE به عنوان تابعی از دمای ورودی فاوا (درجه سانتیگراد)

این نمودار بیان می‌کند که با افزایش دمای عملیاتی، به نسبت نرخ خرابی در دمای20 درجه، میزان خرابی سرورها افزایش می‌یابد. در نتیجه اگر سرورها بر مبنای منحنی شکل 7 کار کنند، اگر به سادگی دمای عملیاتی در مقدار ثابت بالاتری تنظیم شود، قابلیت اطمینان همواره کاهش خواهد یافت.

آیا X-factor قابل توجه است؟ با توجه به موارد زیر، ممکن است اپراتورهای مرکز داده اهمیت تغییر X-factor را زیر سوال ببرند: ·      از آن جا که داده‌های نرخ واقعی خرابی جزیی از اطلاعات منتشر شده نبوده، دریافت چنین اطلاعاتی از سازنده اغلب دشوار است. وقتی نرخ خرابی عددی کم و جزیی باشد، افزایش 30 درصدی در X-factor آن نیز از نظر یک اپراتور، قابل توجه محسوب نخواهد شد. ·      نرخ خرابی در طول زمان، تغییر می‌کند(به معنی نرخ خرابی بالاتر در چرخه‌های بروزرسانی طولانی‌تر). ·      به غیر از سرورها، دیگر تجهیزات (مانند دستگاه‌های ذخیره‌ساز) ممکن است نرخ‌های خرابی متفاوتی داشته باشند.

تنها راه حفظ و تنظیم قابلیت اطمینان، بالا و پایین رفتن دماهای متغیر است. به طور مثال، مرکز داده ای به مدت نیمی از سال در دمای 16 درجه سانتیگراد کار کرده و فاکتور X ان برابر با 0.8 بوده است. در نیمه دیگر سال، این دمای مرکز داده به 24 درجه رسیده و فاکتور X نیز 1.2 شده است. در نتیجه در مجموع سال، میانگین فاکتور X برابر با 1 بوده و به عبارت دیگر، تغییر دمای تاثیری بر میزان کلی خرابی مرکز داده نداشته است.

در شکل 10 تاثیر بیشینه دمای حالت متغیر بر روی فاکتور X برای هر یک از شهر های این تحلیل، نشان داده شده است. این داده‌ها نشان می‌دهد که در شیکاگو، دمای فضای فاوا تا 23.3 درجه افزایش یافته و بدون هیچ افتی در قابلیت اطمینان، صرفه‌جویی در انرژی را به دنبال داشته و در دماهای بالاتر، نرخ خرابی به نسبت حالت مبنا افزایش می‌یابد. برای شهر سیاتل دمای بیشینه 21.1 درجه و برای میامی 20 درجه می باشد. این نتایج از اطلاعات دسته‌های آب و هوایی هر یک از این شهر ها به دست آمده است. اگر مانند شیکاگو، ساعات طولانی‌تری آب و هوا با دمای سردتر حاکم باشد، آنها می توانند نتایج ساعات دمایی گرمتر را جبران نمایند. اما در آب و هوای گرمتر (مانند میامی)، ساعات دمایی خنک آن چنانی وجود ندارد تا دمای بهینه بیشنه به بالاتر از 20 درجه افزایش یابد.

شکل10: فاکتورX به عنوان تابعی از دمای متغیر در شیکاگو، سیاتل و میامی

با مقایسه حالت مبنا با حالت سوم (دمای ثابت در 27 درجه)، تعداد خرابی‌ها به میزان 31% افزایش یافته است. البته در اینجا موقعیت مکانی در نظر گرفته نشده زیرا در این حالت، تجهیزات IT  در تمام طول سال در معرض دمای بالاتر یکسانی قرار دارند.

نکته حائز اهمیت دیگر در بررسی پیامدهای افزایش دمای فاوا بر قابلیت اطمینان، مشکلات به وجود آمده در حین قطع برق می‌باشد. اگر مرکز داده دمای اولیه‌ی بالاتری داشته باشد، زمان کوتاه‌تری برای قابلیت عبور از چنین شرایطی دارد یعنی سیستم سرمایش پیش از افزایش بیش از حد دما و خرابی تجهیزات IT از کار بیفتد[8].

متاسفانه به نظرمی رسد که در تعریف مفهوم قابلیت اطمینان، با فقدان اطلاعات کافی روبرو هستیم و علی رغم اینکه این تحلیل‌ها و سنجش‌های مطرح شده بسیار سودمند بوده، اما هنوز ناکافی است.

حالت های جایگزین

تحلیل‌های فوق بر مبنای یک معماری مشخص و همچنین پیش فرض هایی معین صورت گرفته است. دو تغییر مهم که امروزه در بسیاری از مراکز داده رخ می دهد عبارتند از  : دستگاه‌های CRAH با مشخصات بیشتر از حد نیاز و مراکز داده با استفاده‌‌ی جزیی از ظرفیت.

زمانی که دستگاه‌های CRAH مشخصاتی بیش از حد نیاز داشته باشند، چه اتفاقی می افتد؟

در تحلیل این گزارش فرض شده که جریان هوای CRAH (CFM) کاملا منطبق بر جریان هوای مورد نیاز سرور بوه که این شرایط، بهترین گزینه از جهت هزینه‌ی سرمایه می‌باشد. اگرچه در عمل، چنین شرایطی اتفاق نمی افتد زیرا معمولا مقداری از جریان هوای سرد به  ورودی تجهیزات فاوا، نمی‌رسد. در یک مرکز داده واقعی، ظرفیت قابل استفاده‌ از جریان هوای CRAH همواره بیشتر از میزان مورد نیاز تجهیزات فاوا در نظر گرفته شده تا از دسترس بودن هوای سرد کافی برای تمامی تجهیزات فاوا اطمینان حاصل شود. دربرخی موارد این برآوردهای بیش از حد نیاز عمدی بوده تا افزونگی لازم برای تامین حاشیه‌ای امن را تامین کند. در برخی دیگر، این برآوردها غیرعمدی و ناشی از دشواری پیش‌بینی‌ مقدار مصارف یا افت در مصرف به دلیل مجازی‌سازی است. بر طبق بررسی های کارشناسان موسسه‌ی [9]Uptime، این برآوردهای بیش از حد نیاز دستگاه‌های CRAH، به طور متوسط  2.6 برابر مقدار واقعی مورد نیاز تجهیزات فاوا می باشد. این برآوردهای اضافی نوعی اتلاف در هزینه‌ی سرمایه محسوب شده اما در واقعیت، در مقایسه با حالت ایده‌آل (برابری جریان هوای CRAH و جریان هوای مورد نیاز سرور) می‌تواند میزان مصرف انرژی را کاهش دهد.

دلیل این موضوع، به قوانین فن (که برخی مواقع از آن به عنوان هدررفت مکعبی یاد شده) بازمی‌گردد، که طبق آن، توان فن با توان سوم سرعت محور فن متناسب است. وقتی جریان هوای CRAH بیش از نیاز برآورد شده، فن‌های با دور متغیر، با CFM کمتری (یعنی سرعت کمتری) کار خواهد کرد، در نتیجه انرژی کمتری مصرف خواهد نمود. در اینجا در دوره‌ای10ساله، به بررسی و تحلیل نتایج مصرف انرژی سرمایشی مرتبط با برآورد جریان هوای CRAH تا  25% ، 50%، 75% و 100% بیش از حد نیاز، پرداخته می‌شود. در این تحلیل ها دمای ورودی فاوا تا 27درجه سانتیگراد متغیر است.

شکل 11 حاکی از آنست که در عین حال که میزان مصرف انرژی هر 3 شهر با افزایش اعمال برآوردهای بیش از حد، کاهش می یابد، اما در این بین، میامی بیشترین کاهش انرژی(بیشتری شیب منحنی) را داشته است. این کاهش زیاد به این دلیل است که میامی کمترین ساعات از دمای سرد را شاهد بوده که در این ساعات، فن‌ها می‌توانند سرعت خود را کاهش دهند. در نتیجه، کاهش مصرف انرژی ناشی از چنین برآوردی، تقریبا برای تمام دسته‌های آب و هوایی در بازه‌ی دمایی مورد نظر، مشاهده می‌شود. باید توجه شود که این برآورد بیش از حد نیاز CRAH، با افزایش در هزینه‌ی سرمایه همراه بوده که معمولا با صرفه‌جویی‌های انرژی سیستم سرمایش 10 ساله برابر است. در حالی که برآورد بیش از حد، به پیشگیری از بروز نقاط پرحرارت در جلوی تجهیزات فاوا کمک کرده، اما از سوی دیگر این برآوردها باید با اقدامات مناسبی در زمینه‌ی مدیریت جریان هوا تعدیل شود.

شکل 11: تاثیر برآوردهای بیش از حد نیاز در CRAH بر میزان مصرف انرژی طی ده سال در حالت دمای متغیر (15.6-26.7°C)

اگر مرکز داده تنهای با 50% ظرفیت خود کار کند، چه نتایجی خواهد داشت؟

مطمئنا این سوال کاملا مهمی است زیرا ظرفیت بسیاری از مراکز داده(kW) برای مصارف نامشخص آتی طراحی شده‌اند. در نتیجه سیستم‌ها با ظرفیتی پایین‌تر از آنچه طراحی شده است مشغول به کار می باشد. بسیاری از مراکز داده معمولا با 30% تا 60%  ظرفیت کامل خود فعال هستند.

مانند تحلیل‌های قبلی این مقاله، این سوال نیز تحلیل شده است. مرکز داده‌ای با ظرفیت توان 1 مگاوات با 50 % (500کیلووات) ظرفیت خود و با 25%ظرفیت اضافی در دستگاه CRAH مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج در جدول 4 (مقایسه حالت مبنا با حالت دمای متغیر) و جدول 5 (مقایسه حالت مبنا با حالت دمای ثابت بالا) نشان داده شده است.

وقتی در مرکز داده با 50 %ظرفیت، دما متغیر باشد، میزان انرژی صرفه جویی شده (به عنوان درصدی از مصرف انرژی دمای ثابت مبنا) بهبود پیدا می‌کند. قسمت عمده‌ی صرفه جویی‌های اضافه شده ناشی از کاهش انرژی مصرفی چیلرها بوده که حاصل استفاده از ساعات بیشتری از سرمایش طبیعی می باشد. علتش آنست که یک کولر خشک با بکارگیری نیمی از ظرفیتش، می‌تواند در زمان زودتری از سال، به دمای آب سرد برسد(smaller approach temperature).

نکته‌ی مهمی که باید یادآوری شود این است که تنها در حالت دمای متغیر، این صرفه جویی‌ها قابل دست یابی است. اما چنین روشی در عمل غیرممکن است زیرا سیستم‌های کنترل برای تنظیم دینامیکی/اتوماتیک دما طراحی نشده‌اند.

در جدول 5 نتایج مرکز داده با ظرفیت 50% را وقتی دما تا 27 درجه افزایش و در آن نقطه ثابت شده، نشان داده شده است. در  مقایسه با حالت مبنا (دما ثابت در 21درجه) این تحقیق نشان داده که در هر 3 شهر تحلیل شده، با افزایش میزان مصرف انرژی مواجه هستیم. علاوه بر این، از آنجا که تجهیزات فاوا دائما در معرض دمای بالاتری قرار دارند، در این تحلیل‌ها فاکتور X افزایش یافته است. همان طور که پیشتر مطرح شد، قابلیت اطمینان باید مورد توجه قرار گیرد. در تمامی 3 حالت، PUE بهبود یافته است که باز این موضوع را ثابت می‌کند که تصمیم‌گیری تنها بر اساس این فاکتور درست نمی باشد.

جدول 4: خلاصه‌ای از نتایج مقایسه‌ی حالت مبنا دمای ثابت 20°C با حالت دمای متغیر بین 15.6-26.7°C برای مرکز داده‌ای با 50% مصرف

	شیکاگو	سیاتل	میامی
انرژی کل (kWh)	12.7% صرفه جویی	10.9% صرفه جویی	0.2% افزایش مصرف
pPUE (منحصر به سرمایش)	بهبود از 1.092 به 1.075	بهبود از 1.091 به 1.079	بهبود از 1.157 به 1.138
دمای متغیر با کمترین TCO	oC27  (oF80)	oC27  (oF80)	oC21  (oF70)
فاکتور X	بهبود از 1 به 0.94	بهبود از 1 به 0.87	پس‌رفت از 1 به 1.27

 

جدول 5: خلاصه‌ای از نتایج مقایسه‌ی حالت مبنا دمای ثابت 20°C با حالت دمای ثابت بالاتر27°C برای مرکز داده‌ای با 50% مصرف

	شیکاگو	سیاتل	میامی
انرژی کل (kWh)	5.3% افزایش مصرف	10.6% افزایش مصرف	1.8% افزایش مصرف
pPUE (منحصر به سرمایش)	بهبود از 1.092 به 1.075	بهبود از 1.091 به 1.080	بهبود از 1.157 به 1.138
فاکتور X	پس‌رفت از 1 به 1.309	پس‌رفت از 1 به 1.309	پس‌رفت از 1 به 1.309

 

 فاکتورهای مختلفی در این جداول بیان شده که می توانند باعث بهبود یا پس‌رفت‌های مصرف انرژی در مرکز داده شوند. مرکز داده ای که با 50% ظرفیت خود کار کرده و از سیستم کولر خشک با برآوردی بیش از نیاز استفاده می‌کند، می تواند ساعات بیشتری از عملکرد بهینه ساز بهره برد، یعنی زمان کمتری از چیلر استفاده می شود. این موضوع نه تنها بر انرژی کولرهای خشک و چیلر اثر گذاشته، بلکه (در حالت دمای متغیر) بر هدررفت انرژی در تجهیزات IT نیز اثر خواهد داشت. این تغییرات منحصر به موقعیت جغرافیایی (دسته‌های اطلاعات آب و هوایی یا “bin data”) بوده و با تغییر این دینامیک‌ها! عامل اصلی تاثیر گذار بر کل انرژی مصرفی نیز تغییر خواهد نمود.

به این دلایل، نتایجی از این گزارش ممکن است نامانوس به نظر آید. باید به خاطر داشت که تمامی نتایج نشان داده شده نسبی بوده و در مقایسه با حالت مبنا و برای موقعیت مکانی و مصرف مشخصی بدست آمده است.

توصیه

تحلیل‌های این گزارش نشان داده متغیرهای زیادی بر میزان صرفه جویی ها (یا هدررفت‌ها) در هزینه تاثیرگذار است و اینکه افزایش دما همیشه راهکار مناسبی نیست. قبل از تغییر دمای مرکز داده، می بایست آگاهی کاملی از شرایط طراحی، ویژگی های سیستم، مقدار مصرف و … داشت. توصیه می شود پیش از بالا بردن دمای مرکز داده به نکات زیر توجه شود:

• اقدامات مدیریت جریان هوا در مرکز داده مانند نصب انواع پنلهای کاذب و محفظه ها می بایست قبل از افزایش دمای ورودی فاوا انجام شود. این امر از ایجاد نقاط پرحرارت جلوگیری می کند. برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر در زمینه اجرای این شیوه ها، به گزارش “اجرای سیستم هوای سرد و گرم بسته در مراکز داده موجود”[10] رجوع شود.
• پیش از افزایش دما، اطمینان حاصل کنید که از رفتار تجهیزات فاوا (از نظر مصرف برق و جریان هوای مورد نیاز) اطلاعات کافی داریم. برای این منظور بهتر است با تولیدکنندگان تجهیزات مشورت شود.
• باید احتمال تعیین تنظیمات بایوس(BIOS) در تجهیزات IT برای عملکرد بهینه در دماهای بالا را در نظر گرفت. این تنظیمات نیازمند همکاری بیشتری بین دپارتمانهای فاوا و تاسیسات می باشد.
• بر طبق فاکتور X، نرخ خرابی بیشتری پیش بینی شده اما می بایست با سازندگان تجهیزات فاوا مشورت کرده و از قابل توجه بودن نرخ واقعی اطمینان حاصل کرد.
• از آنجا که سرورها تنها تجیزات واقع در مرکز داده نیستند، باید آگاهی کاملی از تاثیر قابلیت اطمینان در سایر تجهیزات مانند تجهیزات شبکه و ذخیره‌سازها داشت.
• از قابلیت کار معماری سرمایش در دمای افزایش یافته ( به طور مثال بعضی از چیلرها نمی‌توانند با آب سرد با دمای بالاتری کار کنند) اطمینان حاصل شود.
• اطمینان حاصل شود که در طرح رشد و توسعه، تبعات منفی احتمالی مصرف انرژی ناشی از افزایش دما در ورودی تجهیزات فاوا، در نظر گرفته است. به بیان دیگر، صرفه‌جویی‌های حاصل شده از کار با 50% ظرفیت، ممکن است در حالت کار با 80% ظرفیت، هدررفت و خساراتی به بار داشته باشد.
• کل مقدار صرفه جویی انرژی حاصل از افزایش دمای را در مقایسه با استفاده از دیگر استراتژی‌ها بهینه سازی شبیه‌سازی کنید. شرکت های مانند [11]Romont، نرم افزارهایی برای کمک به تحلیل دینامیک سیستم در مرکز داده‌ای مشخص ارائه کرده‌اند. البته باید توجه داشت که هر مرکز داده، رفتار خاص خود را دارد.
• در ارزیابی تغییرات صورت گرفته، حتما می بایست به کل مصرف انرژی مجموعه به عنوان یک معیار سنجش توجه داشت زیرا PUE به تنهایی، می‌تواند گمراه‌کننده باشد.

نتیجه گیری

اپراتورهای مرکز داده در تلاش هستند تا دمای تجهیزات فاوای خود را افزایش دهند. آیا این کار امن خواهد بود؟ دمای مناسب چه دمایی است؟ آیا ارزش ریسک‌های بیشتر پیش آمده را خواهد داشت؟ اپراتورها با چنین سوالاتی روبرو می‌باشند. این گزارش به تشریح پیامدهای افزایش دمای تجهیزات فاوا در مرکز داده می‌پردازد. پیش از انتخاب دمای عملیاتی، باید آگاهی کاملی از معماری سرمایش داشته و تحلیل دقیقی از نتایج آن بدست آورد. در این تحلیل‌ها  موارد زیر نشان داده شده است:

• معماری سرمایش و موقعیت جغرافیایی (به ویژه شاخص دمایی آب و هوا) تاثیر بسزایی در تعیین دمای بهینه‌ی کارکرد در تجهیزات فاوا دارد.
• شکل منحنی فن‌های سرور و CFM، نکته‌ای کلیدی می باشد.
• در عین حال که افزایش دما، بازده چیلر را (با افزایش تعداد ساعات حالت بهینه‌ساز) افزایش خواهد داد، این صرفه جویی ممکن است با افزایش در مصرف انرژی فاوا و دستگاه‌های هواساز، جبران خواهد شد.
• شرایط عملیاتی مانند درصد ظرفیت به کار گرفته شده و بزرگی و برآورد بیش از حد نیاز/افزونگی در دستگاه‌های CRAH، بر صرفه جویی یا هدررفت در مصرف انرژی تاثیر خواهد داشت.
• نباید تصور شود که افزایش دما همیشه گزینه مناسبی است. پیش از اعمال هر تغییری، باید درک درستی از دینامیک مشخص سیستم خود داشته باشید.
• معماری‌های سرمایش که از حالت های بهینه‌ساز با هوای مستقیم و غیرمستقیم استفاده می‌کنند، می توانند عملکرد مناسب‌تری نسبت به معماری چیلر تحلیل شده در این گزارش، داشته باشند.

 

[1] – در گزارش شماره‌ی 132، تحت عنوان “حالت‌های بهینه‌ساز در سیستم‌های سرمایش مرکز داده”، دیگر معماری‌های سرمایش توضیح داده شده است.

[2] – مشخصات چیلر مطابق چیلرهای  BREC Uniflair در نظر گرفته شده زیرا این نوع از چیلرها، مختص کاربردهای مرکز داده بوده و به طور آماده در دسترس است.

[3] – مشخصات CRAHها مطابق نوع InRow CW در نظر گرفته شده زیرا داده‌های این نوع، از پیش در دسترس بود. انتخاب محصول دیگری از دستگاه هواساز (مانند سالنی یا ردیفی) تاثیر قابل توجهی بر نتایج نداشت.

[4] – http://www.plantservices.com/articles/2008/258/

[5] – در این تحلیل، pPUE تنها بیانگر هدررفت سیستم سرمایش است.

[6] – White Paper 138, Energy Impact of Increased Server Inlet Temperature

[7] – http://tc99.ashraetcs.org/documents/ASHRAE%20Networking%20Thermal%20Guidelines.pdf

[8] – به گزارش شماره‌ی 179 تحت عنوان “افزایش دمای مرکز داده در حین خاموشی سیستم سرمایش” مراجعه شود.

[9] – https://uptimeinstitute.com/uptime_assets/c7f39bad00527fa4e2207a5f1d5dfc1f8295a0a27287bb670ad

03fafbdaa0016-00000web4.pdf

[10] – White Paper 153, Implementing Hot and Cold Air Containment in Existing Data Centers

[11] – http://www.romonet.com