🍇 🐶 🚊 サーバー冷却の簡単な余談 🤾🏼 ☘️ 🤶🏻

ある時点で、一部の企業は、内部情報システムが単一のサーバーキャビネットに収まらなくなるまで成長します。次に、IT部門の長が賛否両論を検討し、サーバーを構築するかどうかを決定する必要があります。いくつかのオプションがあります：自分の容量を完全に取り除き、大規模なデータセンターのクラウドまたはコロケーションに移動することから、ブラックジャックを使用して独自のミニ（またはミニではない）データセンターを構築することです。

サーバーの計算、計画、構築のプロセスは非常に責任があり、費用がかかります。ところで、プロジェクト段階でも投資する必要があります。ちなみに、ここでは、設計から建設までのサーバールームでのすべての手順が1人の請負業者によって実行される場合に節約できます。このような状況における企業の責任者の自然な欲求は、可能な限り最小限に抑えることです。そして敵意を持って、プロジェクトへの感謝が感じられます。このような小競り合いでは、オブジェクトの構築に加えて、その内容が後に続くことをしばしば忘れられます。不適切に設計された場合、2、3年後には存在しない別のサーバーの企業予算が枯渇する可能性があります。

サーバールームで2番目に大きいリソース（この場合は電気と消耗品）の消費者は、冷却システムです。サーバー冷却システムの「電力」が少なくとも一致し、最良の場合、サーバーに設置されたすべての機器のピーク電力を数十パーセント上回ることは誰にとってもニュースではありません。この記事では、冷却システムとは何か、そのようなシステムの運用を節約する方法について説明します。

室内冷却システムの分類

操作と理解のために最も一般的なのは、コンプレッサーエアコンです。それらの中で、冷媒（ほとんどの場合フロン）は、室内ユニットのラジエーターから外部ユニットに熱を伝達し、そこでエネルギーを環境に放散します。エアコンの動作原理については、こちらをご覧ください。次に、液体および複合システムがあり、水またはエチレングリコールが主冷媒として使用され、冷却剤の選択は、運転条件だけでなく、冷却方法にも依存します。もちろん、特定の条件下で最も効果的なソリューションは、フリークーリングシステムです。これらは非常に正確なデバイスであり、いずれの場合もほとんどゼロから開発されています。

「フォームファクター」による分類にも注意を払う価値があります。ここでは、システムを2つのタイプに分割することが条件付きで可能です。私たちが慣れ親しんでいる家庭用システムは、通常、オフィスやアパートに設置され、壁や天井に吊り下げられていますが、特殊な部屋の冷却システムとしても役立つ可能性があります。そして、特殊な空調システムを含む精密システム、そしてもちろん、すべてのフリークーリングおよび液体システム。

精密システムの内部には、行動の原則と「冷えた」を「消費者」に届ける方法に従った体系化があります。また、根本的な違いがあり、すべてが明確でない場合は、デバイスを直接冷却する非常に多くの方法があります。

古典的な一般的なケースの中で、ラックが設置された冷蔵室を区別することができます。ここでは、家庭用エアコンも適しています。従来の高精度ソリューションは、冷気と熱気の通路を備えたインラインダクトを備えたデバイスで、ラックが列状に並んで、たとえば上げ床の下から入ってくる冷気を取り入れます。廊下に熱風を送り、そこから強制的に迂回させます。各ラックへのエアダクトを使用するオプションもあります。このオプションでは、個々のラックに上または下から空気が供給され、アクティブに選択されます。

非古典的なソリューションは、多くのことをやや超えています。言うまでもなく、それらはすべて精密です。ほとんどのソリューションは、上記のシステムを組み合わせて効率を高め、コストを削減します。ここでの広がりは、各サーバーキャビネットの個々のエアコンから、個々のサーバーまたはプロセッサーの液冷までです。また、消費者が液体と直接接触するシステムにも注目する価値があります。この場合、サーバーは特別なオイルに完全に浸されています。このオイルは無臭であり、絶対に電気を通しません。液体は機器プール内を常に循環し、冷却ラジエーターを通過します。

戦略

サーバールームを構築する必要性について何度も考える必要があります。 5 kW未満の電力では、専用のサーバールームは必要ないとの意見があります。通常、すべての機器は42-47ユニットのラックキャビネットに完全に「押し込まれ」ますが、それでも必要な最大数は、十字架の下の独立した単一フレームラックです。これはすべて、「管理者」またはその他の施設（主なものは経理部門のものではない）から、密閉されたドアのあるガラスまたは石膏ボードの仕切りで囲み、ペアの家庭用エアコンを入れて、ビールを飲みに行くことができます。

しかし、サーバールームを構築しています。まず、どの冷却システムを使用するかを決定する必要がありますが、それは価格だけの問題ではありません。冷却方法の選択は、多くの要因に依存します：機器の電力、建物内のサーバールームの位置、建物自体の地理的位置、特定のタイプの冷却装置に対する偏見のある態度、上司の近視眼ですらあります。

最大10kWのシステムには十分な家庭用空調が備わっていると広く信じられています。これは理解できることです。なぜなら、より大きな電力の家庭用分割システムは、まず購入するのに非常に問題があり、次にコストが近づき、次に電力の同様の高精度エアコンのコストを上回ります。

特定の冷却システムを設置する能力、通信を供給する能力、特殊なシステム用のダクト、上げ床の配置、またはタービンの設置は、建物内のサーバールームの場所に大きく依存します。天井の高さが不十分な場合、精密システムの送風と空気取り入れのための空気ダクトを設置するために必要な深さの上げ床を配置することは不可能です。建物の真ん中の状況は、フリークーリングシステムのオプションの1つであるエアダクトを敷設するときに問題を引き起こし、経済部門への近さは、「ノイズリダクション」のためにサーバールームの建設を終わらせます。

地理的要因は主要な役割の1つであり、たとえば熱帯地域にいる場合、フリークーリングの可能性に終止符を打つことがよくあります。だからこそ、データセンターの建設業者は私たちの惑星の北部地域をとても愛しています。なぜなら、そこではエアコンをまったく使用できないからです。

それに加えて、一部の技術者は、1つのシステムの適用可能性と他の冷却オプションの絶対的な許容不能性について独自の非常に強い信念を持っています。彼らは冷静に自信を持って主張を証明し、「賛成」の議論を見つけ、現実から神話に至るまで、他の提案の欠点を探します。

その結果、選択した戦略から始めて、サーバーデバイス自体を設計します。

ホーム空調冷却戦略

あなたは、少数のサーバーの所有者であり、2〜3個のラックが別々の部屋にあります。能力を円滑に成長させる見込みはなく、気にしたくないか、（おそらく）よりエネルギー効率が高く環境に優しいソリューションのための予算がありません。

まず、エアコンに関する機器のあるラックをサーバールームに配置する方法を決定します。あなたの場合の最適なオプションは、メッシュドアを備えたオープンラックまたはキャビネットの「前面」側に向けて、分割システムの内部モジュールを複数のラックの反対側に設置することです。ラック内の機器は、内部コンポーネントを冷却するために空気が流れる側を設置するのが理にかなっています。一部のラックマウントデバイスは、前面から、または側壁の1つに空気を取り入れたり排出したりするときに、再構築したり、利用したりすることもできます。購入するときに考えてみてください。

総電力の増加が予想されない場合でも、たとえば「最も熱い」ラックのピーク消費電力消費を最大として、ラックの数にそれらを掛けることなど、電力に余裕を持って対応する必要があります。

この戦略の最小フォールトトレランスはN + 1です。実際には、同じ電力の2つ以上の空調機のように見えます。「N」台の空調機は、「+ 1」の修理または保守中にサーバールームの動作温度を維持できます。ほとんどの場合、小さなサーバールームでは2つのユニットが使用されます。両方のエアコンの寿命を延ばすには、エアコンの回転装置を使用する必要があります。デバイスは、特定の時間に、あるエアコンから別のエアコンに動作を切り替え、起動を監視し、パフォーマンスを監視します。エアコンの1つに障害が発生した場合、「眠っている」エアコンを自動的に接続し、問題について責任者に通知する必要があります。家庭用エアコンのすべてのモデルがこの機能をサポートしているわけではないことに注意してください。

わが国の緯度に設置されているすべてのサーバー分割システムには、いわゆる「冬キット」が必要です。これは、制御ユニット、外部空調ユニットのラジエーターの改良、およびポンプのクランクケース用の加熱システムです。自動的に動作します。

図1 家庭用エアコンによる冷却。

精密室内冷却システム

精密（高精度）エアコン（またはその他のクーラー）-指定された最終パラメータを持つインフラストラクチャで可能な限り効率的に動作するように正確に作成されます。言い換えると、「精密空調」と言うとき、部屋、サーバー機器、および「冷凍ユニット」自体の両方が、高価な機器の操作性、安全性、耐久性を最大限に確保できる技術の組み合わせとしてプロジェクトで開発されることを意味します。

言うまでもなく、個々の設計のデバイスは高価です。聖なる戦争は、異なるキャンプの支持者の間を行き来します。通常のサーバールームには、家庭用エアコンの産業用バージョンのペアで十分であると主張する人もいます。たとえば、ダイキン（FTシリーズとFAQ）や三菱（ヘビーシリーズ）はそのようなものを持っています。このオプションを選択するときは、コーナーやアクティブな機器で占められていないラックユニットでの熱気の局所的な停滞などの不利な点を考慮することが重要です。あなたが知っているように、エアコンは空気を排出するため、湿度が低いことも危険ではありません。乾燥した空気は静電気の蓄積に寄与し、薄い電子部品に静電気が存在するとチップの動作に悪影響を及ぼし、放電による破壊のリスクが高まります。もちろん、ほとんどの要因は取り外し可能ですが、ほとんどの場合、これは松葉杖の生産です。追加のファン、加湿器、これらはすべて、故障点、エネルギーコスト、およびメンテナンスの増加点です。ちなみに、同じ加湿器のメンテナンスは、時間がかかるほど費用のかかる手段ではありません。定期的な清掃と毎日の補充が必要です。

精密主義者も順調に進んでいません。まず第一に、それらは非常に寸法的です。フレオンエアコンは2つまたは3つのフルサイズラックの寸法を持っています。湿度制御は専用エアコンの主な機能の1つであるため、室内ユニットには水が必要であり、一部のIT従業員にとっては完全に許容できません。このようなユニットからの冷気は、最も頻繁で最も高価な選択肢である上げ床の下、または高い天井を意味し、ケーブル通信の敷設に追加の制限を課す天井の下に保持されるダクトを介してラックに供給されます。そのようなエアコンのコンデンサークーラーはまともなサイズのものであり、屋内ユニットからのパイプシステムの配置と接続に関してすぐに問題が発生します。

マイナスは廃止しました。プラスに移りましょう。これらには、高性能、エアコンのアクティブなコンポーネントのみの冗長性（たとえば、エアダクト、予約する意味がないと思います）、温度と湿度の正確な制御、詳細な監視の可能性が含まれます。ここからの利点は、相対的な節約、消費者への冷気の供給の保証、ラックごとの高密度の消費者のサポートです（ラックが空の場合、非効率的に動作し、「エコシステム」全体に影響を与える可能性が高くなります）。空調コストの増加とそれに続くエネルギー効率の間には、理解できる関係があります。

すでに述べたように、精密空調の最も一般的な現象は廊下システムです。ラックが列に配置され、冷たい廊下（空気がエアコンによって供給される）から空気を取り込み、それを熱い換気口（換気システムによって空気が取り出される場所）に与えるように設置されます。このようなシステムのダクトは、ほとんどの場合、上げ床です。床のパネル自体は大部分がしっかりしており、上げ床の下からのすべてのケーブル通信は天井に転送され、格子パネルは床のラックの列の前に配置され、そこから冷気がラックの前面に入ります。このようなデバイスを備えたサーバーキャビネットのドアは、両端がメッシュになっているか、またはまったく機能していません。次に、サーバーで加熱された空気が熱い廊下に吹き込まれ、そこから強制換気システムによって吸い出されます。理想的には、熱力学の原理に従って、フードを熱い廊下の上部に配置する必要がありますが、多くの場合、これは上げ床で行われ、ケーブル通信を敷設するためのラック上のスペースを節約します。比較的最近から、一般的なサーバールームから寒くて熱い廊下が封鎖され始めました。これにより、貴重な風邪を分散させて大幅な節約を達成することができました。キャビネットの空きユニットスペースには、熱気が冷気と混合しようとするため、プラグを取り付ける必要があります。これにより、冷却効率が1.5倍から2倍に向上します。

図 2.廊下が開いているシステムでは、貴重な冷気の損失が明らかです。

図 3.隔離された廊下を持つより効率的なシステム。

例えば、インテルは、できるだけ簡単かつ効率的に冷却装置のアイデアを追求し、さらに進んでフードで特許を取得しました。ラックは通常の19インチのキャビネットですが、アナログよりも深く、上部カバーにダクトがあります。このダクトは、誤った天井スペースに通じています。ここで、エアコンから熱気が吸い出されます。エアコンを除くシステム全体は、完全に受動的です。機器ラック。

わが国の気候を考慮すると、精密空調機にはもう1つの大きなプラスがあります。完全または部分的な液体回路を追加することで、回路を非常に簡単に変更できます。エチレングリコールを冷媒として使用し、エアコン回路と並行して別の液冷回路を構築することで、電気のコストを削減し、エアコンの修理と寿命を延ばします。グリコール回路の効率は、ロシアの夏の夜間でも珍しくありませんが、+ 20℃以下の温度でも始まります。

追加の液体回路はフレオンの回路を複製し、原則として昼夜の「暑い」時間にエアコンのコンプレッサーとコンデンサーを冷却し、通りの温度が下がると、内部熱交換器の部分的および完全な冷却に切り替わります。

精密冷却システムのメーカーのリーダーは、シュナイダーエレクトリック、STULZ、エマーソンネットワークパワー、RCグループです。そのソリューションには、既製の複合システムがあります。

流体システム

液体冷却とフレオン冷却の根本的な違いは、回路内で液体が相状態をほとんど変化させないことだけです。これが、システム電力が等しい場合に水とグリコール系がフレオン効率を失う理由です。ただし、流体システムには、容量や汎用性など、否定できない利点があります。液冷システムでは、クーラーは建物の屋根または中庭のファンコイル、または建物自体の暖房システムのいずれかです。液体はサーバールーム内の空気を冷却でき、単一のプロセッサの冷媒として使用できます。液体コンディショニングの議論の余地のない利点は、冷媒価格が低いため、無限に近いトラックの長さです。システム自体にとっては、これはプラスにすぎません。この状況で最も危険なのは、導電剤の漏れですが、明らかに、誰も怖がりません。この状況でのIBMは、SuperMUCの建設で際立っていました。SuperMUCでは、冷却システムにチラーがないために40％の省エネを達成しました。また、ほとんどのデータセンターのGoogleは、コールドコリドーとホットコリドーのシステムを使用する独自のシステムを使用しています。

別の流体システムでは、サーバーを特殊な鉱物油に浸します。オイルは誘電体なので、短絡はありません。同じIntelの専門家によると、エネルギー効率に関しては、この場合、冷却システムは90％少ないエネルギーを消費し、サーバー自体のエネルギー消費も削減します。水中液冷ラックは、たとえばCarnotJetによってすでに利用可能です。ラックは、あらゆるサーバーのホストに適しています。最初にラックからすべてのファンを取り外す必要があります。

図 4.最も液体冷却

汎用性のもう1つの要因は、冷媒を冷却するための膨大な数の方法です。例としては、フィンランドでこのテクノロジーを使用して構築されたGoogleデータセンターであるSeaWater Air Conditioning（SWAC）テクノロジーがあります。名前から、データセンターに入る水を冷却するために、海の深さから取られた冷水に熱交換器が使用されることは明らかです。

従来の液体冷却システムは、サーバールーム内の比較的高い温度と、外部の冷却装置（ほとんどの場合、乾式冷却塔と冷却装置）の間の仲介役として機能します。

乾式冷却塔は、液体がラジエーターに流入し、空気を吹き付ける閉じた冷却回路です。湿った冷却塔がまだあります;水がそれらに噴霧され、同時に浄化されます。ベッドまたはファンコイルでは、通常、液体冷媒は空気温度まで冷却することによってのみ調製され、冷却自体はチラーの熱交換器で行われます。

チラーは冷蔵庫であり、フレオンに作用して、クーラーを通過する液体を必要な温度まで冷却します。

図 5.ルーフマウントチラー（ソースwww.quantum-v.ru ）

従来の液体調整の場合、フレオンシステムの場合と同じルールが適用されます。蒸発器で冷却された空気は消費者を通過し、冷却システム自体によってサーバーから取り出されます。液体システムはフレオンシステムよりも汎用性が高く、一般的に運用コストが安いという事実にもかかわらず、エアチラー、液体、空気の媒介物の数が多いため、効率が低下します。同意しますが、最も成功したスキームではありません。

仲介者を削除します

直接フリークーリングは、サーバー側のサーバーを冷却する最もエネルギー効率の高い方法です。もちろん、その有効性は気温の「船外」に完全に依存しますが、標準化やさまざまなグリーンテクノロジーの変更により、サーバー冷却システムが徐々にこの方向に移行しています。

まず、エンジニアリングシステム、特に冷却および加熱システムの最大の標準化機関であるASHRAE（米国暖房、冷蔵、空調エンジニア協会）は、2004年以来、アメリカの暖房、冷房、空調エンジニア協会です。サーバーの冷却に推奨される空気温度を+22から+27℃に2倍に上げました。また、2011年に、サーバーA3およびA4の2つの新しいクラスの機器を標準化するように修正されました。。サーバーメーカーはすでにそのようなモデルをリリースしています。まだ普及していませんが、ますます多くのビルダーのデータセンターが冷却にグリーンテクノロジーを使用する傾向があります。

私たちの緯度にあるサーバールームでは、フリークーリングは、古典的な冷却モデルの完全な代替品ではないにしても、寒い季節の冷却に大きな助けとなり、エアコンの電力を削減します。

直接自由冷却の最大の問題は、都市の全体的な大気汚染です。パージのためのフィルターの数、流量、およびファンの電力が、電力と電力のすべての節約を打ち消す可能性があります。この問題は、回路を分離し、それらの間に回転復熱器に基づく熱交換器を導入することで解決されます。この場合、フィルターも必要になりますが、安価で空気抵抗が最小限に抑えられます。

別の大きな問題は、冷凍庫の補助機能では、家庭用システムではうまく動作せず、何よりも精密なシステムではうまく動作しないことです。

長所から：直接フリークーリングを使用すると、サーバールームの空気が過剰に乾燥するリスクがありません。環境と常に空気が交換されています。一方、屋外の空気湿度は、サーバールームの許容湿度基準を明確に満たしていない可能性があり、ここでフリークーリングシステムの切り札の1つである断熱冷却が役立ちます。

少なくとも海風を思い出すために、水域の湿った空気は、それらから遠く離れた平野よりも常に冷たいことが長い間気づいていました。断熱空冷には、バックアップシステムも複雑な技術的ソリューションも必要ありません。湿式冷却塔の原理に従って配置されており、水がチャンバー内の加熱された外部空気にノズルによって噴霧され、冷却により蒸発して空気を保湿します。このシステムは、外気の温度を効果的に下げるだけでなく、必要な湿度も作り出します。確かに、そのようなシステムでは、新しい消耗品が表示されます-水。そのため、PUE（電力使用効率）とともに、ASHRAEは新しい用語WUE（水使用効率（PDF））を導入しました。これらのパラメーターの責任については、誰もが理解していると思います。

そのようなシステムの実装の鮮明な例として、フェニックス（米国）のeBay「Mercury」データセンターとプリエンビル（米国）のFacebookを挙げることができます。

図 6.断熱冷却の動作（ソースwww.es-engineering.ru ）。

結論の代わりに

「それでは、小さなサーバールームを数ダースのkVAでどのように冷却しますか？」と尋ねます。

答えはまちまちです。ほとんどの読者にとって、2つの通常の家庭用エアコンのソリューションが適しています。グリーンイノベーションを保存および導入する必要性を自分のリーダーシップに納得させることができる人は、頭痛の種を受け取り、最終結果を無限に楽しむことができます。

すでに述べたように、特定の解決策は特定の地域の気候条件に大きく依存しています。気候の状況を把握するには、地域または都市での計器観測の全履歴の温度と湿度の最大値と最小値に関する履歴情報を取得し、過去10〜20年間の最も暑い温度に関する詳細なデータを分析するのが最善です。これは、明確な戦略を開発するのに十分以上です。

フリークーリングのすべての利点にもかかわらず、ミドルバンドでは、100のうち80ケースで、コンプレッサーまたは液体コンディショナーなしで行うことはほとんど不可能です。この点で、「大型」のエネルギー効率の高いサーバーを構築する一般的な考え方は次のとおりです。

これは、精密冷却システムを備えた部屋です。部屋には、より正確な熱伝達を提供するために、共通のサーバールームから隔離された冷気と冷気の通路に分けられた冷気を供給するための上げ床が配置されています。
ほとんどの場合、システムは直接フリークーリングで動作し、外気の温度が上昇すると断熱冷却システムが接続されます。湿度温度の許容基準を超えている場合、コンプレッサーまたは液体冷却システムが接続されています。エアコン。

技術的および実用的な観点から非常に興味深い断熱は、それらの特異性のためにここでは考慮されません;それらは実装に対してより微妙なアプローチを必要とします。検討中のオプションについては、将来のエネルギー効率が建設段階で多額の投資を必要とすることは明らかです。

このようなシステムは、内部環境の状態を適切かつ詳細に監視しないと機能しないという事実に注意する価値があります。コールドおよびホットコリドーの温度監視、内外の空気湿度、断熱システム内の水の存在、漏れ制御。これを行うために、イーサネットまたはWifi経由でさまざまなセンサーからデータを公開できる監視デバイスがあります。それらは、ボード、ケース製品、および標準の19インチラックに取り付けるための製品の形で提示されます。たとえば、netpingには、SMSモジュールを備えた組み込みのGSMモデムがすでに装備されており、冷却システムの責任ノードだけでなく、個人的にもパラメーターの大幅な変更やセンサーのトリガーについて通知することができます。

さらに、これらのデータはすべて使用できるだけでなく、グローバル監視システム（Zabbixなど）に入力する必要があります。このシステムでは、グラフとサンプルによってサーバーの温度チャートを分析し、サーバーの内部と外部の変化を相関させることができます。インジケータではなく、インジケータのセットに基づいてインシデントの作成を自動化します。

これにより、冷却システムを構築して最大の効率を実現し、故障を防ぐことができます。

残念ながら、1つの小さな記事では、サーバー冷却のトピックを徹底的に解決することは不可能です。一方では、フリークーリングは誰にとっても道のりのように思えるかもしれませんが、実際にはかなり危険なベンチャーです。歴史は、設計エラーと詳細への不十分な注意のためにデータセンター全体が故障したというかなりの重大な状況を知っています。より高価ではありますが、最良の方法は、通常の冷却システムを代替システムと複製することを含むソリューションです。

ビッグデータセンター、およびサーバールームの絶え間ないノイズ。

サーバー冷却の簡単な余談