Технологические тенденции в охлаждении центров обработки данных

Изменения в энергопотреблении ЦОД

Международное энергетическое агентство (МЭА) опубликовало ряд интересных сведений о центрах обработки данных (ЦОД). На представленном МЭА графике под названием «Глобальные изменения Интернет-траффика, нагрузки и энергопотребления ЦОД в 2010–2019 гг.» (см. рис. 1), видно, что к 2019 году Интернет-траффик ЦОД вырос по сравнению с 2010 годом в 12,1 раза, нагрузка увеличилась в 7,5 раза, в то время как энергопотребление осталось практически на прежнем уровне. Под Интернет-траффиком мы здесь понимаем количество данных, которое ЦОД получает и передает за единицу времени, под нагрузкой — вычислительную нагрузку ЦОД, а под энергопотреблением — суммарное количество энергии, потребляемой как вычислительным и коммуникационным оборудованием ЦОД, так и вспомогательными системами (кондиционированием воздуха, освещением и прочими). 

Рисунок 1. Глобальные изменения Интернет-траффика, нагрузки и энергопотребления ЦОД в 2010–2019 гг.

На составленном МЭА графике под названием «Потребность ЦОД в энергии в зависимости от типа ЦОД, 2010–2022 гг.» (см. рис. 2) показано, что энергопотребление ЦОД, разделенных на гипермасштабируемые, облачные (негипермасштабируемые) и традиционные, изменилось, соответственно, с 10, 18 и 166 ТВт-ч в 2010 году до 93, 89 и 39 ТВт-ч в 2022 году. Из графика следует, что несмотря на бурный рост больших ЦОД облачного и гипермасштабируемого типа, суммарное энергопотребление всех типов ЦОД к 2019 году выросло по сравнению с 2010 годом всего на 3,6%. 

Рисунок 2. Потребность ЦОД в энергии в зависимости от типа ЦОД, 2010–2022 гг.

Прогноз роста объемов рынка ЦОД и развития технологий

Агентство President & Strategic Intelligence прогнозирует рост объема мирового рынка ЦОД с 263,34 млрд долл. США в 2022 году до 602,76 млрд к 2030 году. При этом биржа рыночных исследований Research and Markets прогнозирует рост рынка охлаждения ЦОД с 13,3 млрд долл. США в 2022 году до 30,3 млрд к 2028 году.

ЦОД уже стали неотделимой частью инфраструктуры, поддерживающей жизнедеятельность общества в различных сферах, таких как Интернет, доступ к которому сейчас нужен людям постоянно. Изменения в обществе, такие как развитие беспилотного транспорта и цифровая трансформация («DX»), предсказуемо приведут к росту потребности в ЦОД в будущем.

В настоящее время сокращение количества энергии, потребляемой ЦОД для работы, и выделяющегося при этом тепла происходят за счет технологических усовершенствований, повышающих эффективность процессоров и серверов, а также улучшающих отвод тепла. В будущем, учитывая постоянно растущую потребность в ЦОД, для их устойчивого функционирования будут жизненно необходимы технологические инновации.

Общественное внимание к ЦОД

В странах Европы и Соединенных Штатах Америки общественное внимание к проблемам ЦОД выражается в разработке соответствующих норм и сводов правил, обеспечивающих эффективность работы ЦОД, а также в финансовой поддержке разработки технологий эффективного охлаждения ЦОД, уменьшающих углеродный след.

В частности, в сентябре 2022 года Министерство энергетики США приняло решение финансировать проекты по сокращению энергопотребления систем охлаждения ЦОД с целью сократить углеродный след, связанный с производством энергии для питания и охлаждения ЦОД. 

Эти проекты делятся на четыре технологических категории, одна из которых предусматривает разработку энергоэффективных систем охлаждения для серверов нового поколения с высокой удельной мощностью. 9 мая 2023 года Министерство энергетики США объявило о выделении 40 млн долл. для финансирования 15 проектов по разработке высокопроизводительных энергоэффективных систем охлаждения ЦОД.

Технические способы повышения PUE

Показателем эффективности ЦОД служит коэффициент использования электроэнергии PUE (Power Usage Efficiency), представляющий собой отношение общего энергопотребления ЦОД к энергопотреблению вычислительного (ИТ) оборудования. Идеальное значение PUE — 1. Наиболее значимый фактор, влияющий на рост PUE, — энергопотребление, связанное с охлаждением серверов, составляющее обычно около 40% от общего энергопотребления ЦОД.

Как правило, ЦОД охлаждаются либо водой или воздухом, охлажденными системой кондиционирования, либо наружным воздухом (фрикулинг), либо сочетанием этих методов.

В то же время, активно развивается и привлекает все больше внимания технология иммерсионного охлаждения, заключающаяся в погружении серверов непосредственно в охлаждающую жидкость.

В марте 2023 года в Японии компании KDDI, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) и NEC Networks & System Integration Corporation (NESIC) объявили о создании иммерсионной системы охлаждения ИТ-оборудования, смонтированной при сотрудничестве компаний-партнеров в гипермасштабируемом ЦОД для испытаний. По сравнению с традиционными решениями иммерсионная система позволила сократить потребление энергии для охлаждения серверов на 94%, обеспечив PUE, равный 1,05.

В апреле 2023 года ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре объявили о создании прототипа распылительной системы охлаждения с использованием недиэлектрической жидкости. Система охлаждает процессор сервера напрямую, без применения радиаторов, обеспечивая PUE, равный 1,08. Снижение энергопотребления способствует сокращению парниковых выбросов и позволяет создавать высокоэнергоэффективные ЦОД.

Иммерсионное охлаждение — на подъеме

Иммерсионное охлаждение, описанное в предыдущем разделе, а также жидкостное охлаждение — относительно новые разработки, изначально предназначенные для отвода тепла от графических процессоров (видеокарт) мощных и сверхбыстрых суперкомпьютеров, поскольку для современных видеокарт не подходят традиционные методы воздушного охлаждения, применяющиеся для центральных процессоров. При этом охлаждение погружением в жидкость применяется не только для графических процессоров, но и для центральных процессоров, имеющих высокую степень интеграции и выделяющих большое количество тепла. В будущем можно ожидать роста рынка систем охлаждения этого типа.

Многие ведущие компании, занимающиеся системами иммерсионного охлаждения, еще очень молоды. Среди них можно назвать таких производителей, как Asperitas, Green Revolution Cooling, Iceotope, LiquidStack. Эти компании быстро расширяют сферу своей деятельности.

Производители систем ОВК и рынок охлаждения ЦОД

В ответ на быстрый рост спроса на услуги ЦОД такие производители систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), как Schneider Electric и STULZ, вошли на рынок оборудования для охлаждения ЦОД со своей продукцией.

Кроме того, множество других игроков рынка ОВК также предпринимают шаги по расширению бизнес-направления охлаждения ЦОД. Компания Airedale построила новый завод в штате Вирджиния (США), где в середине 2022 года начала выпускать чиллеры для ЦОД. Daikin приобрела компании CM3 Building Solutions и Alliance Air Products — производителей из США, занятых на рынке ЦОД. Компания Trane заинтересовалась двухфазным иммерсионным охлаждением и финансирует LiquidStack — мирового лидера в области этой передовой технологии.