Технологические тенденции в охлаждении центров обработки данных (ЦОД)

Международное Энергетическое Агентство (МЭА) опубликовало интересные данные, касающиеся центров обработки данных (ЦОД). Согласно предоставленному графику МЭА "Динамика Глобального Интернет-трафика, Нагрузки и Потребления Энергии ЦОД за 2010–2019 гг." (см. Рисунок 1), видно, что к 2019 году объем Интернет-трафика в ЦОД увеличился на 12,1 раза по сравнению с 2010 годом, нагрузка возросла в 7,5 раза, однако потребление энергии практически осталось на том же уровне. Термин "Интернет-трафик" здесь означает объем данных, передаваемых и получаемых ЦОД за определенное время, "нагрузка" относится к вычислительной нагрузке ЦОД, а "потребление энергии" включает как энергию, используемую вычислительным и коммуникационным оборудованием, так и дополнительными системами (кондиционирование воздуха, освещение и др.).

Рисунок 1. Динамика Глобального Интернет-трафика, Нагрузки и Потребления Энергии ЦОД за 2010–2019 гг.[/caption]

На графике, представленном МЭА, под названием "Требования ЦОД к Энергии в Зависимости от Типа ЦОД за 2010–2022 гг." (см. Рисунок 2), отображается изменение потребления энергии ЦОД различных типов: гипермасштабируемых, облачных (негипермасштабируемых) и традиционных. Данные показывают, что потребление энергии для гипермасштабируемых ЦОД составляло 10 ТВт-ч, для облачных - 18 ТВт-ч, для традиционных - 166 ТВт-ч в 2010 году, и уменьшилось до 93 ТВт-ч, 89 ТВт-ч и 39 ТВт-ч соответственно в 2022 году. Из графика следует, что, несмотря на рост гипермасштабируемых и облачных ЦОД, общее потребление энергии всех типов ЦОД увеличилось всего на 3,6% к 2019 году по сравнению с 2010 годом.

[caption id="attachment_17160" align="alignnone" width="490"]

Рисунок 2. Требования ЦОД к Энергии в Зависимости от Типа ЦОД за 2010–2022 гг.[/caption]

Прогноз развития рынка ЦОД и технологий

Компания "President & Strategic Intelligence" предсказывает рост мирового рынка ЦОД с 263,34 млрд долларов США в 2022 году до 602,76 млрд долларов к 2030 году. В то же время, исследовательская компания "Research and Markets" прогнозирует увеличение рынка охлаждения ЦОД с 13,3 млрд долларов США в 2022 году до 30,3 млрд долларов к 2028 году.

ЦОД уже стали неотъемлемой частью инфраструктуры, обеспечивающей функционирование общества в различных секторах, таких как интернет, который становится все более неотъемлемой частью повседневной жизни. С учетом изменений в обществе, таких как развитие беспилотных транспортных средств и цифровая трансформация, можно предположить, что спрос на ЦОД будет продолжать расти.

На текущий момент снижение энергопотребления ЦОД и эффективное управление выделяемым теплом достигается через внедрение технологических усовершенствований, повышающих эффективность процессоров и серверов, а также улучшение систем охлаждения. Однако в будущем, учитывая постоянный рост потребности в ЦОД, необходимо будет сосредоточиться на разработке новых технологических инноваций.

Тенденции Общественного Внимания к Центрам Обработки Данных

В странах Соединенных Штатов и странах Европы наблюдается увеличенное общественное внимание к проблемам, связанным с центрами обработки данных (ЦОД). Это проявляется в разработке соответствующих нормативных актов и наборов правил, нацеленных на обеспечение эффективной работы ЦОД, а также в финансовой поддержке исследований по разработке эффективных технологий охлаждения, способствующих снижению углеродного следа.

В особенности, в сентябре 2022 года Министерство Энергетики США приняло решение о финансировании проектов, направленных на уменьшение энергопотребления систем охлаждения ЦОД с целью снижения уровня выбросов углерода, связанных с производством энергии для питания и охлаждения ЦОД.

Эти проекты разбиваются на несколько технологических категорий, одна из которых охватывает разработку энергоэффективных систем охлаждения для нового поколения серверов с высокой плотностью мощности. К 9 мая 2023 года Министерство Энергетики США выделило 40 миллионов долларов на финансирование 15 проектов по созданию высокопроизводительных энергоэффективных систем охлаждения ЦОД.

Технологические Методы Повышения Эффективности Использования Энергии (PUE)

Один из ключевых показателей эффективности ЦОД — это коэффициент использования электроэнергии (PUE), который представляет собой отношение общего энергопотребления ЦОД к энергопотреблению вычислительного (ИТ) оборудования. Идеальное значение PUE равно 1. Среди факторов, влияющих на увеличение PUE, наиболее значимым является потребление энергии, связанное с охлаждением серверов, которое составляет примерно 40% от общего энергопотребления ЦОД.

В настоящее время ЦОД обычно охлаждаются водой или воздухом с помощью систем кондиционирования, либо за счет внешнего воздуха (фрикулинг), либо с использованием комбинированных методов.

Одновременно активно развиваются и привлекают внимание технологии иммерсионного охлаждения, которые предполагают погружение серверов в охлаждающую жидкость.

В марте 2023 года в Японии компании KDDI, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) и NEC Networks & System Integration Corporation (NESIC) объявили о разработке системы иммерсионного охлаждения ИТ-оборудования в гипермасштабируемом ЦОД. В сравнении с традиционными методами, эта система смогла сократить потребление энергии для охлаждения серверов на 94%, достигнув PUE в 1,05.

В апреле 2023 года ученые из Наньянского Технологического Университета в Сингапуре представили прототип системы распылительного охлаждения, использующей недиэлектрическую жидкость. Эта система охлаждает процессоры серверов непосредственно, без использования радиаторов, что позволяет достичь PUE в 1,08. Снижение энергопотребления способствует уменьшению парниковых выбросов и обеспечивает высокоэффективные ЦОД.

Иммерсионное Охлаждение: Новый Тренд

Технологии иммерсионного охлаждения, описанные выше, а также системы жидкостного охлаждения представляют собой относительно новые разработки, изначально предназначенные для эффективного охлаждения графических процессоров (видеокарт) мощных и супербыстрых суперкомпьютеров. Это связано с тем, что традиционные методы воздушного охлаждения, применяемые для центральных процессоров, не подходят для современных видеокарт. Тем не менее, технологии иммерсионного охлаждения находят свое применение и в охлаждении центральных процессоров, которые выделяют большое количество тепла. Это позволяет ожидать роста рынка систем охлаждения этого типа в будущем.

Компании, занимающиеся системами иммерсионного охлаждения, относительно молоды на рынке. Среди них такие производители, как Asperitas, Green Revolution Cooling, Iceotope и LiquidStack. Эти компании активно расширяют свой диапазон продукции и услуг.

Производители ОВК на Рынке Охлаждения ЦОД

В ответ на быстрый рост спроса на ЦОД, такие производители систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), как Schneider Electric и STULZ, начали предоставлять оборудование для охлаждения ЦОД.

Также стоит отметить, что множество других игроков на рынке ОВК также расширяют свою деятельность в области охлаждения ЦОД. К примеру ROYAL Clima или Stulz. А компания, Airedale, к примеру, построила новый завод в штате Вирджиния (США) и начала выпускать чиллеры для ЦОД. Daikin приобрела компании CM3 Building Solutions и Alliance Air Products — производителей из США, работающих на рынке ЦОД. Компания Trane также заинтересовалась технологией иммерсионного охлаждения и финансирует LiquidStack — мирового лидера в этой области.

Источники:

1. Министерство Энергетики США (2022)
2. Наньянский Технологический Университет (2023)
3. KDDI, Mitsubishi Heavy Industries, NEC Networks & System Integration Corporation (2023)
4. Новости о рынке систем охлаждения ЦОД
5. Производители оборудования ОВК и их активности на рынке охлаждения ЦОД
6. Международное Энергетическое Агентство (МЭА)
7. Компания "President & Strategic Intelligence"
8. Исследовательская компания "Research and Markets"