エネルギー制限：新しいデータセンター冷却技術

Uptime Instituteデータセンター認定センターのKen Brillは、チップにトランジスタを増やすことで発生する熱を増加させるプロセスは、新しいテクノロジーを導入しないとデータセンターを冷却する経済的実行可能性が失われる限界点に達すると述べました。



そして、業界は徐々にこの方向に動いており、データセンターのサービス全体のプロセスでエネルギー効率指標の優先順位付けに焦点を当てています。 このため、経済的な考慮により、従来の冷却システムを備えた従来のサーバールームは、企業にとってますます希少な選択肢になりつつあります。2016年第1四半期のIEEE レポートでは、データセンターのさまざまなコンポーネント間のエネルギー消費の分布について説明しています-消費されるエネルギーの50％は冷却システムです。



この点で、企業はデータセンターを冷却するための新しい方法とソリューションを探し始めました。これについては、この記事で説明します。



/写真ロブ・ファヘイ CC



「Clouds Start with Coal」と題されたマークミルズは、次の結論を導き出しました。平均的な推定に基づいて、情報通信技術（ICT）エコシステムは年間1,500 TWhの電力を消費します。



Intelによると 、2002年以降、電力コストは毎年約5.5％増加しています。 組織は、ハードウェアのメンテナンスに費やされるすべてのドルに対して、電気と冷却に約0.50ドルを費やしています。







画像： アップタイム研究所



データセンターの温度が上昇する可能性を最小限に抑えるために、企業は多くの場合、データセンターのラックで、ホットフローとコールドフローのダクトを備えた回廊メカニズムを使用しています。 この場合、システムは、空気の流れを整理、制御、封じ込めるために使用されます。このシステムは、高温の「排気」空気を捕らえ、空調装置を通過させ、サーバー装置の吸気口に直接冷却します。



一部のシステムでは、流体を使用してハードウェアからの熱を吸収および伝達します。 原則として、液体は空気よりも効率的にこの機能を実行します。 液体とラジエーターの接触による冷却や、個々のコンポーネントが非導電性液体に浸漬される浸漬冷却（間接および直接）などのシステムが一般的です。



従来の形態の水冷はより経済的な方法ですが、今日ではまだ二次的なものであり、大量採用に対する多くの障害に直面しています。 次の伝播阻害要因は次のとおりです。

• 物理的な制限。 ラックとは異なり、サーバーの浸漬タンクへのアクセスは上からのみ開くため、インフラストラクチャのスケーリングが複雑になります。
• 安全性 メンテナンスには、特別な液体との接触が必要です。
• システム展開コスト。 新しい水冷ベースのデータセンターの設計は、既存のインフラストラクチャのアップグレードよりも時間がかかりません。
• リソース不足。 大規模なデータセンターにサービスを提供するには、乾燥地域のサーバーを冷却する可能性が経済的および環境的な観点から疑問視されるほどの量の水が必要です。

データセンターを冷却するための代替ソリューション

エネルギーコストの増加と従来の冷却方法の特定の短所により、データセンター業界は「自然」冷却に関連するものを含む革新的なソリューションを探すようになりました。

データセンターの移行

地球上には、自然に冷却システムのメンテナンスに費やされるエネルギーを最大100％節約できる気候の地域が数多くあります。 たとえば、このような気候帯は、ヨーロッパの北部、ロシア、および米国北部のいくつかのゾーンです。



これを確認するために、2013年にFacebookは、スウェーデンの都市ルレオに米国外で最初のデータセンターを建設しました。平均気温は1.3°Cで、Googleはフィンランドの大規模データセンターの建設に10億ドルを投資しました。



寒冷気候は、データセンターに導入される空気と水の温度が低いため、運用コストを削減します。 451 ResearchのAndrew Donoghue氏によると 、自然空冷により、ビルダーは機械式クーラーを廃止でき、施設の資本コストを最大40％削減できます。

自然な形の冷却

前のソリューションの論理的な継続として、自然冷却を考慮する必要があります。 実装には、空気、断熱、水の3つの形式があります。



フリークーリングの空気形式は、サーバーの近くの温風が（全体または一部）環境に送られ、外気が代わりになるという点で、従来の空調とは異なります。



2008年に、インテルは 10か月のテストを実施して 、データセンターの冷却に外気のみを使用することの有効性を評価しました。 その結果、温度と湿度の変動によるサーバー障害の頻度の増加を修正することはできませんでした。 エンジンルームの温度範囲は30度であり、標準的な家庭用エアフィルターのみを使用して、入ってくる空気から大きな粒子のみを除去しました。



その結果、データセンターの湿度は4〜90％の範囲で、サーバーは薄い埃の層で覆われていました。 それにもかかわらず、テスト領域の故障率は4.46％であり、これは同じ期間にインテルのメインデータセンターで達成された3.83％と大差ありませんでした。



2番目の形式は断熱冷却で、これはしばしば蒸発冷却と呼ばれます。 データセンターを冷却するために、低電力ファンが灌漑面に空気を供給し、水の一部を蒸発させます。 結果として生じる空気は、ファンが通過する空気よりもはるかに冷たいです。







画像： サブマー



断熱冷却の別の解決策は、いわゆるヒートホイールです。 このホイールは 、スイスで使用されている京都の冷却システムの一部です。 9 MWのハイブリッド設備では、コンプレッサーを備えた水冷装置に接続された密閉式断熱乾燥ファンからの冷水を使用します。



ホイールは、産業用空調からデータセンター業界にもたらされた、大きくゆっくり回転するアルミニウム製のディスクです。 サーバールームに外気を直接導入する代わりに、外気と排気を混合して熱交換を形成します。 ホイールは1分間に3〜10回転し、回転するには最小限のエネルギーが必要です。



このタイプの冷却には、機械的冷却中に消費される電力の8〜25％しか必要ないと主張されています。 独立した報告書によると、米国モンタナ州に設置されたホイールベースのシステムは、エネルギーに費やされるドルごとに冷却コストを最大5セント削減します。



自由冷却の水形式については、実際の実行では、ノルウェーのフィヨルドの1つにあるグリーンマウンテンデータセンターの原理によって説明されます。 この池は、データセンターの冷却システムに最適な8°Cの温度で途切れることのない水の供給を提供します。





水中データセンターのアイデアを実装するMicrosoft Natickプロジェクトは、水資源のより深い活用を目指しています。 深さ50〜200メートルの海底に、数千台のサーバーを含むカプセルが配置されると想定されています。 ユニットの内部は、熱を空気から水に伝達する熱交換器を備えた標準ラックで構成されています。



次に、液体はカプセルの外側の熱交換器に入り、熱を海に向けます。 実験中、プロトタイプはカリフォルニアの沖で105日間浸漬されました。 水温は14〜18°Cの範囲でした。 冷却のコストは、機械的な冷却方法と比較して大幅に低いことが判明しました。



同様の概念がGoogleによって開発されていますが、IT大手の科学者がはしけにデータセンターを設置することを提案しています。 同様の技術を開発しているNautilus Data Technologiesによると 、このアプローチは自由冷却により最大30％のエネルギーを節約します。



「自然冷却器」を運用するという概念の別の実施形態は、地下のデータセンターと、自然起源の洞窟に基づくデータセンターです。 サーバーを水中に沈めるという考えと比較すると、地下施設は機器へのアクセスの点で利点があります。 実装の例には、フィンランドのタンペレにある洞窟が含まれます。これはAiber Networksによってレンタルされています。



また、ペンシルベニア州のかつての鉱山の深さ67メートルにあるIron Mountainデータセンターに注目する価値があります。 施設の一定温度は自然な方法で11°Cに維持されていると主張されています。これにより、「最も低いエネルギー効率指標の1つ[2014年現在]」が提供されます。

代替の液体ベースの冷却システム

液体への浸漬の原理に基づいて、2bm Iceotopeシステムは非伝導性のクーラントで電子機器をカバーし、そこから熱がラジエーターに伝達されます。 水はラックを通過し、たとえばセントラルヒーティングなど、他の目的に再利用できます。 2bmによると 、このシステムを使用すると、データセンターの保守にかかる総コストの最大40％を節約できます。



2014年、データセンターナレッジリソースは、サーバーをオイルに浸すことによる米国国家安全保障局のデータセンターの冷却プロセスの最適化に関するレポートも発表しました 。 このアプローチでは、ファンによる冷却を中止することもできました。

人工知能冷却

2014年、Googleは人工知能システムの開発を専門とするDeepMindを買収しました。 同社の一連のAIテストは、自社のデータセンターのエネルギー効率評価に関連していました。 調査の結果によると、Googleは冷却に関してエネルギー消費量を40％削減することに成功しました。



このために、データセンターの数千のセンサーと温度センサーによって収集されたデータを使用して、ニューラルネットワークをトレーニングしました。 ネットワークは、次の1時間でデータセンターの温度と圧力を予測することを学び、設定された温度しきい値を確保するために必要なアクションを実行しました。 最適化の結果を次のグラフに示します。







ソース： DeepMind

シリコンウエハー直接変調レーザー

この方法は開発の初期段階にあり、DIMENSIONとして知られるプロジェクトの一部として実装されています。 カーディフ大学とシャフィールド大学の科学者グループは、最大120°Cの温度で10万時間動作可能なシリコンベースのレーザーを作成しました。



科学者によると、そのような技術は、エレクトロニクスとフォトニクスの2つの分野を組み合わせます。 シリコン基板上で直接変調を行うレーザーは、電子システムで膨大なデータ転送速度を提供し、データセンターの冷却とは直接関係しませんが、電気のコストを削減できます。

革新的な冷却システムの展望

エネルギー集約型のデータセンターシステムを最適化することに重点が置かれているため、将来現実になる可能性のあるさまざまな概念が出現しました。 そのような例の1つは、アイスランドの65階建てのデータセンターのプロジェクトです。建築家によると 、高さ50メートルに達し、「クリーン」エネルギーで処理される数十万台のサーバーを含む「巨大なデータタワー」です。 選択した場所が北極圏に近いことを考えると、建物には無料の冷却設備が提供されます。



ただし、革新的なシステムの展開においてより有望な方向性は、無料の冷却ソリューションとデータセンターの機能の結果として生成されるエネルギーの再利用の組み合わせです。 そこで、昨年12月に英国の電気通信会社aqlは、地元の住宅および商業ビルにサービスを提供する地域暖房システムに「廃棄物」熱を送る新しいデータセンターを正式に開設しました 。



Alfonso Capozzoliは、IT機器で発生する廃熱を収集して再利用することが、エネルギー効率戦略の次のステップであると主張しています。 とりわけ、適切な措置の実施は、CO2排出量の削減に大きな影響を与える可能性があります。 セントラルヒーティングに加えて、吸収冷却、 ランキンサイクル、および淡水化も廃熱の可能な用途として考えられています。



そのため、データセンター業界は現在、エネルギー効率を最適化するインテリジェントシステムと組み合わせた自然冷却源の使用に焦点を当てています。 現在プロトタイプ段階にある概念は、将来使用される冷却方法へのアプローチを根本的に変える可能性があります。