آشنایی با راهکارهای خنک‌سازی مراکز داده  

خنک‌سازی مرکز داده یک فرآیند حیاتی و پیچیده برای مدیریت گرمای بیش از حد تولید شده توسط سرورها، تجهیزات شبکه و ذخیره‌سازی است. این تجهیزات در حین فعالیت، مقدار زیادی انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می‌کنند. اگر این گرما به سرعت دفع نشود، دمای محیط افزایش یافته و منجر به کاهش عملکرد، خرابی زودهنگام قطعات و در نهایت از کار افتادن سیستم‌ها می‌شود. هدف اصلی خنک‌سازی، حفظ دمای محیط در محدوده ایمن و استاندارد (معمولا بین 18 تا 27 درجه سانتی‌گراد) و کنترل رطوبت است. سیستم‌های خنک‌سازی سنتی شامل واحدهای CRAC سرنام (Computer Room Air Conditioner) یا CRAH سرنام (Computer Room Air Handler) هستند که هوای گرم را از راهروهای خروجی (Hot Aisle) جذب کرده، خنک می‌کنند و به راهروهای ورودی (Cold Aisle) برمی‌گردانند. روش‌های مدرن‌تر شامل خنک‌سازی مبتنی بر مایع (Liquid Cooling)، مانند خنک‌سازی غوطه‌ور در مایع، برای افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی هستند. علاوه بر این، بهینه‌سازی جریان هوا و استفاده از راهروهای ایزوله، بخش‌های کلیدی یک استراتژی خنک‌سازی موفق هستند که بهبود بهره‌وری مصرف انرژی را به همراه دارند.  

اهمیت خنک‌سازی مرکز داده 

خنک‌سازی برای حفظ عملکرد و قابلیت اطمینان مرکز داده حیاتی است. تجهیزاتی همچون سرور‌ها، استوریج‌ها، فایروال‌ها و غیره گرمای زیادی تولید می‌کنند که اگر کنترل نشود، می‌تواند به سرعت دمای محیط را به شرایط بحرانی برساند. گرمای بیش از حد مستقیما منجر به کاهش سرعت پردازش، افزایش نرخ خطای سخت‌افزاری و در نهایت، خرابی فاجعه‌بار قطعات گران‌قیمت می‌شود. علاوه بر این، خنک‌سازی صحیح به افزایش عمر مفید تجهیزات کمک کرده و تضمین می‌کند مرکز داده می‌تواند به‌صورت 24/7 و بدون وقفه، سرویس‌دهی کند. به همین دلیل است که همواره گفته می‌شود، خنک‌سازی یک سرمایه‌گذاری ضروری برای حفظ تداوم کسب‌وکار است. 

نحوه کار تجهیزات خنک‌سازی مرکز داده 

تجهیزات خنک‌سازی مرکز داده، فرآیند حذف مستمر گرمای تولید شده توسط سخت‌افزار را از طریق یک چرخه بسته و کنترل‌شده انجام می‌دهند که برای حفظ دمای بهینه سرورها ضروری است. این فرآیند با جریان هوای ایزوله آغاز می‌شود؛ سرورها هوای سرد را از راهروهای سرد جذب کرده و هوای داغ خروجی را به راهروهای گرم هدایت می‌کنند. کارشناسان مراکز داده با استفاده از موانع فیزیکی، فرآیند ایزوله‌سازی راهرو را انجام می‌دهند تا مانع ترکیب هوای گرم و سرد شوند و کارایی به حداکثر برسد. در این مرحله، هوای داغ راهروی گرم توسط واحدهای اصلی خنک‌سازی جذب می‌شود. این واحدها معمولا CRAC یا CRAH هستند. واحدهای CRAC مشابه کولرهای گازی، با استفاده از یک چرخه مبرد (گاز خنک‌کننده) مستقیما هوا را سرد می‌کنند و رطوبت را نیز تنظیم می‌نمایند. در مقابل، واحدهای CRAH با استفاده از آب سرد که توسط یک چیلر مرکزی در خارج از مرکز داده تولید می‌شود، هوا را خنک می‌کنند. پس از خنک‌سازی، این هوا معمولا از طریق کف‌های کاذب و سوراخ‌دار به راهروهای سرد برگردانده می‌شود تا چرخه تکرار شود. شایان ذکر است روش‌های نوین مانند خنک‌سازی غوطه‌ور در مایع، با قرار دادن تجهیزات در مایع دی‌الکتریک غیررسانا، انتقال حرارت را بسیار کارآمدتر از هوا انجام می‌دهند. 

آشنایی با سامانه‌ها و فناوری‌های خنک‌کننده مرکز داده 

همان‌گونه که پیش‌تر اشاره کردیم، سامانه‌های خنک‌کننده مرکز داده مجموعه‌ای حیاتی از فناوری‌ها هستند که وظیفه اصلی آن‌ها مدیریت و دفع گرمای تولید شده توسط تجهیزات فناوری اطلاعات است تا دمای محیط در محدوده استاندارد حفظ شود. این سامانه‌ها به روش‌های مختلفی اقدام به دفع گرما می‌کنند که از مهم‌ترین آن‌ها به موارد زیر باید اشاره کرد.  

روش‌های سنتی و بهینه‌سازی جریان هوا 

متداول‌ترین سامانه‌ها از واحدهای CRAC یا CRAH استفاده می‌کنند. CRACها با استفاده از مکانیزم سردسازی مستقیم یا DX، هوا را خنک می‌کنند، در حالی که CRAHها از آب سرد تولید شده توسط چیلرهای خارجی بهره می‌برند. برای بهینه‌سازی این فرآیند، از روش‌های ایزوله‌سازی راهرو استفاده می‌شود که با جداسازی فیزیکی راهروهای گرم و سرد به حفظ بهینه دما کمک می‌کنند. در این سیستم، هوای سرد از طریق کف‌های کاذب به سمت سرورها هدایت و هوای گرم بلافاصله توسط واحدهای CRAC/CRAH بازیافت می‌شود. 

فناوری‌های نوین و خنک‌سازی مایع 

با افزایش چگالی توان محاسباتی سرورها و نیازهای هوش مصنوعی، فناوری‌های خنک‌کننده مایع اهمیت فزاینده‌ای یافته‌اند. در روش خنک‌سازی مستقیم تراشه (Direct-to-Chip)، مایع خنک‌کننده از طریق لوله‌های کوچک به طور مستقیم به هیت‌سینک متصل به پردازنده پمپ می‌شود تا گرما را در محل تولید حذف کند. پیشرفته‌ترین روش، خنک‌سازی غوطه‌ور در مایع است که در آن سرورها به طور کامل در یک مایع دی‌الکتریک غیررسانا غوطه‌ور می‌شوند. این روش انتقال حرارت را به شکل بی‌نظیری افزایش داده و مصرف انرژی مرتبط با فن‌ها و CRACهای حجیم را به حداقل می‌رساند و در نتیجه دستیابی به شاخص PUE بسیار پایین را ساده‌تر می‌کنند. مدیریت و نظارت بر تمامی این سامانه‌ها نیز توسط پلتفرم‌های DCIM انجام می‌شود تا بهره‌وری انرژی و پایداری عملیاتی تضمین شود. 

آرایش راهروهای سرد و گرم (Hot/Cold Aisle Arrangement) 

آرایش راهروهای سرد و گرم یک روش استاندارد و حیاتی در طراحی مراکز داده مدرن است که برای بهینه‌سازی جریان هوا و افزایش کارایی خنک‌سازی استفاده می‌شود. هدف اصلی این آرایش، جلوگیری از ترکیب هوای سرد و گرم است تا از هدر رفت انرژی جلوگیری شده و دمای ورودی سرورها در محدوده استاندارد حفظ شود. در این طراحی، رک‌های سرور به صورت ردیف‌هایی کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، به طوری که همه آن‌ها هوای ورودی را از یک طرف (جلو) و هوای خروجی را از طرف دیگر دفع کنند. به طور معمول، ردیف‌ها به شکل شطرنجی آرایش داده می‌شوند: 

راهروهای سرد (Cold Aisle): این راهروها مقابل بخش ورودی هوای سرد (جلو) سرورها قرار می‌گیرند. هوای خنک‌شده توسط تجهیزات CRAC/CRAH (معمولا از طریق کف کاذب سوراخ‌دار یا سیستم‌های سقفی) به این راهروها دمیده می‌شود. سرورها این هوای سرد را مستقیما جذب می‌کنند. 

راهروهای گرم (Hot Aisle): این راهروها در مقابل بخش خروجی هوای داغ (پشت) سرورها قرار می‌گیرند. هوای گرمی که توسط سرورها تولید شده و از آن‌ها خارج می‌شود، در این راهروها جمع می‌شود و توسط سیستم خنک‌کننده به منظور بازیافت یا خنک‌سازی مجدد، از طریق سقف یا ورودی‌های بالای CRAC جذب می‌گردد. 

مزیت اصلی این آرایش، ایجاد یک مسیر جریان هوای یک‌طرفه است. با قرار گرفتن راهروهای سرد و گرم به صورت متناوب، هوا مجبور می‌شود فقط در جهتی حرکت کند که برای خنک‌سازی سرورها بهینه است. 

• ایزوله‌سازی: در طراحی‌های بسیار کارآمد، از ایزوله‌سازی راهرو استفاده می‌شود. در ایزوله‌سازی راهروی سرد، دیواره‌ها یا پنل‌های شفافی در طول راهروهای سرد و در بالای رک‌ها نصب می‌شوند تا هوای سرد را به طور کامل درون راهرو حبس کرده و مستقیما به سمت ورودی سرورها هدایت کنند. در ایزوله‌سازی راهروی گرم، دیواره‌ها در طول راهروی گرم نصب می‌شوند تا هوای داغ خروجی را به طور کامل ایزوله کرده و به سمت کانال‌های بازگشت CRAC/CRAH هدایت کنند. 
• بهره‌وری انرژی: هنگامی که مانع از ترکیب هوای گرم و سرد شویم، دمای هوای ورودی به سرورها پایین‌تر مانده و دمای هوای بازگشتی به CRAC بالاتر می‌رود. این اختلاف دما باعث می‌شود تجهیزات خنک‌سازی بتوانند با کارایی بالاتر و مصرف انرژی کمتر کار کنند، زیرا نیازی به تلاش برای خنک کردن هوایی که قبلا گرم شده، ندارند. این روش بهینه‌ترین حالت برای خنک‌سازی با هوا محسوب می‌شود. 

استفاده از فناوری‌های هوشمند برای خنک‌کردن مرکز داده 

استفاده از فناوری‌های هوشمند، محور اصلی نسل جدید سامانه‌های خنک‌کننده مراکز داده است و هدف آن حداکثرسازی کارایی انرژی، کاهش هزینه‌های عملیاتی و حفظ پایداری سیستم‌ها در مواجهه با بارهای کاری پویا است. این سامانه‌ها از هوش مصنوعی، یادگیری ماشین  و حسگرهای پیشرفته برای مدیریت دقیق محیطی استفاده می‌کنند. به بیان دقیق‌تر، به جای اتکا به قوانین ثابت و از پیش تعیین‌شده، سیستم‌های خنک‌کننده هوشمند از یادگیری ماشین برای پیش‌بینی و واکنش پویا استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها، داده‌های عظیمی را از حسگرهای دما، رطوبت، جریان هوا، و همچنین بارهای کاری سرورها جمع‌آوری می‌کنند. الگوریتم‌های یادگیری ماشین این داده‌ها را تحلیل کرده و می‌توانند الگوهای مصرف انرژی و تولید گرما را پیش‌بینی کنند. همچنین، هوش مصنوعی می‌تواند پیش‌بینی کند در چند ساعت آینده، به دلیل افزایش حجم کار محاسباتی (مثلا پردازش دسته‌ای)، کدام رک‌ها داغ‌تر خواهند شد. 

بر اساس این پیش‌بینی‌ها، سیستم می‌تواند به طور خودکار تنظیمات واحدهای CRAC/CRAH، سرعت فن‌ها و موقعیت دمپرهای جریان هوا را تنظیم کند؛ این تنظیمات اغلب جزئی و دقیق هستند تا فقط در مواقع لزوم از حداکثر قدرت خنک‌کنندگی استفاده شود. 

سیستم‌های مدیریت یکپارچه (DCIM) 

ستون فقرات این راهکارها، نرم‌افزارهای مدیریت زیرساخت مرکز داده (DCIM) هستند. DCIM یک پلتفرم متمرکز فراهم می‌کند که داده‌های زیرساخت IT و زیرساخت فیزیکی (مانند برق، خنک‌کننده و امنیت) را یکپارچه می‌کند. سیستم‌های DCIM از حسگرهای متعدد برای ایجاد یک نقشه حرارتی سه‌بعدی از مرکز داده استفاده می‌کنند. این نقشه به مدیران امکان می‌دهد تا دقیقا ببینند که نقاط داغ کجا قرار دارند و آیا ایزوله‌سازی راهروها به درستی کار می‌کند یا خیر. DCIM می‌تواند بر اساس آستانه‌های از پیش تعریف‌شده و اقدامات خودکار (مانند روشن کردن یک واحد خنک‌کننده پشتیبان یا ارسال هشدار به تکنسین) را فعال کند. 

چگونگی تعیین ارتفاع کف کاذب برای بهینه‌سازی جریان هوا 

ارتفاع کف کاذب (Raised Floor) در مراکز داده یک پارامتر طراحی حیاتی است که مستقیما بر راندمان توزیع هوای سرد و در نتیجه، کارایی خنک‌سازی تاثیر می‌گذارد. هدف اصلی، ایجاد یک پلنوم (Plenum) یا فضای توزیع هوا با مقاومت کم است که بتواند حجم کافی از هوای سرد را با فشار مناسب به راهروهای سرد برساند. عوامل تعیین کننده ارتفاع کف کاذب را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد: 

۱. چگالی توان و نیاز به دبی هوا 

هرچه چگالی توان (کیلووات در هر رک) بالاتر باشد، به حجم هوای سرد بیشتری (دبی بالاتر) نیاز است. برای دبی‌های بالا، ارتفاع کف کاذب باید بیشتر باشد تا کانال هوا (فضای زیر کف) محدود نباشد و هوا با سرعت بیشتری حرکت کند. در مراکز داده قدیمی با چگالی پایین، ارتفاع 18 تا 24 اینچ (45 تا 60 سانتی‌متر) کفایت می‌کرد. اما در مراکز داده مدرن که چگالی توان هر رک به 10kW یا بیشتر می‌رسد، ارتفاع کف کاذب بین 36 تا 48 اینچ (90 تا 120 سانتی‌متر) مرسوم است. 

۲. موانع و تراکم زیر کف 

فضای زیر کف کاذب فقط برای هوا نیست؛ بلکه برای کابل‌کشی برق، کابل‌های شبکه و لوله‌های خنک‌کننده در صورت استفاده از CRAH نیز استفاده می‌شود. این موانع باعث کاهش موثر مساحت پلنوم می‌شوند. هرچه موانع بیشتر باشند، برای حفظ مسیر جریان هوای باز، باید ارتفاع کف را بیشتر در نظر گرفت تا جریان هوا خفه نشود. اگر واحدهای CRAC/CRAH از دورترین ردیف سرورها فاصله زیادی داشته باشند، برای حفظ فشار ثابت و تحویل مناسب هوا به انتهای راهرو، به پلنوم بزرگ‌تر (ارتفاع بیشتر) نیاز است. ارتفاع زیاد کف کاذب به کاهش افت فشار هوا در مسافت‌های طولانی کمک می‌کند. 

اهمیت کنترل فشار (Static Pressure) 

هدف نهایی ارتفاع‌دهی بهینه، مدیریت فشار استاتیک در زیر کف کاذب است. اگر ارتفاع کم باشد جریان هوا در زیر کف مسدود می‌شود. هوا با سرعت زیادی به اولین ردیف‌های سرور می‌رسد اما به ردیف‌های دورتر نمی‌رسد (Hot Spots در انتهای راهرو). اگر ارتفاع زیاد باشد نیازهای سرمایشی برآورده نمی‌شود. در چنین شرایطی مهندسان با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی، ارتفاع بهینه را شبیه‌سازی می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند هوای سرد با فشار مناسب و بدون اتلاف، به تمام محفظه‌های سوراخ‌دار در طول راهروهای سرد می‌رسد و نرخ‌های دقیق دبی هوا برآورده می‌شود. 

حمیدرضا تائبی