Опасность солнечных вспышек для центров обработки данных

В список крупнейших угроз для центров обработки данных входят атаки с помощью вредоносного программного обеспечения, землетрясения, политическая нестабильность, ураганы и другие стихийные бедствия, связанные с капризами погоды, и так далее. Однако есть катаклизм, про который составители всевозможных рейтингов угроз для ЦОД зачастую забывают. Это вспышки на ближайшей к нам звезде. Солнечные вспышки или выбросы коронального вещества (между этими двумя понятиями есть некоторые различия, но мы будем считать их синонимичными для простоты) – это события, в ходе которых из солнечной короны в космос выделяется большое количество энергии и частиц.

Резкое изменение состояния Солнца связано с появлением на нем нового центра активности (активной области), то есть группы солнечных пятен, которые окружены очень сильным магнитным полем, превышающем магнитное поле Земли в 100-1000 раз. Эти пятна являются генераторами электрических полей, напряженность которых при фактически бесконечной проводимости вещества может вырастать до уровня 10-100 вольт на сантиметр. В результате вспышки возникает разряд, который по достижении Земли может инициировать красочные атмосферные явления вроде полярного сияния, но при этом он также может нанести ущерб электрическим системам. А это означает проблему для ЦОД.

Воздействие солнечных вспышек / выброса коронального вещества

Заряженные частиц, испускаемые во время солнечной вспышки, создают сильные магнитные поля, которые индуцируют токи в проводящих материалах (например, в электропроводящих кабелях). Эту проблему досконально изучили специалисты Lloyd’s при подготовке доклада, который озаглавлен «Солнечная буря – угроза североамериканской электросети» (Solar Storm Risk to the North American Electric Grid). Эксперты отмечают, что «наиболее серьезной угрозой для систем передачи электроэнергии являются геомагнитные бури», то есть возмущения геомагнитного поля Земли, вызванные приближением к нашей планете возмущенных потоков солнечного ветра и их взаимодействием с магнитосферой Земли. Геомагнитные бури инициируют токи в длинных проводниках на поверхности планеты (к примеру, на линиях электропередач). Эти дополнительные токи могут вызвать перегрузку электросетевого комплекса и даже привести к повреждению значительного количества трансформаторов «.

По данным НАСА, результатом воздействия токов, создаваемых солнечными вспышками, могут быть множественные срабатывания автоматических выключателей. Но вывод из строя предохранителей-автоматов является наименее опасным результатом катаклизма, так как под воздействием чрезмерной активности на Солнце может произойти перегрузка крупных цепей и дорогих повреждение трансформаторов сверхвысокого напряжения (из-за расплавления обмотки).

Согласно мнению аналитиков, вероятность возникновения крупных солнечных вспышек, которые способны повлиять на целостность нашей энергосистемы, очень высока. Наше Солнце в настоящее время находится в очень активной фазе. Выбросы коронального вещества происходят регулярно. Если энергия, возникшая в результате одного из этих возмущений на Солнце, напрямую «ударит» по магнитному полю Земли, мы станем свидетелями множества перепадов напряжения и отключений сетевого электроснабжения.

Хотя нанесение прямого ущерба электронике – в духе результата воздействия электромагнитного импульса (один из «побочных эффектов» ядерного взрыва) – за счет солнечной вспышки и возможно, но это маловероятно. Электромагнитный импульс является внезапным событием и обладает высокой интенсивностью, в то время как солнечные бури характеризуются более высокой продолжительностью и относительно низкой интенсивности. Из-за этих различий солнечные бури, как правило, приводят к генерации токов в очень длинных (более 300 километров) проводниках. Таким образом, наиболее уязвимыми для солнечных штормов являются именно большие системы, такие как электрические сети, трансконтинентальные трубопроводы и системы проводной телефонной связи. Иными словами, дата-центры могут быть затронуты солнечной бурей, вероятнее всего, только опосредовано: через электрическую и коммуникационную инфраструктуру. При этом IT-инфраструктура самих ЦОД сохранит работоспособность.

Произошедшие недавно крупные солнечные вспышки

Возможность массового повреждения электрической инфраструктуры из-за солнечной вспышки нельзя назвать чисто теоретической: в новейшей истории (то есть, после перехода человечества к активному использованию электричества) имели место, по крайней мере, два таких инцидента, которые в полной мере иллюстрируют опасность чрезмерной активности на поверхности нашей звезды. Наиболее ярким примером является инцидент 1859 года. Так называемое “Событие Каррингтона” (по имени астронома, который зафиксировал вспышку) или “Солнечный супершторм” привело к тому, что в западном полушарии ночью было светло как днем. Северные сияния были видны даже в тропиках и субтропиках. Вспышка вывела из строя телеграф и радио. Выход из строя телеграфных систем наблюдался по всей Европе и Северной Америке. По словам экспертов, вспышки на Солнце такой мощности происходят лишь раз в 500 лет (об этом свидетельствуют ледяные керны).

Менее крупный инцидент произошел в 1989 году. Удар приняла на себя Канада: из строя была выедена энергосистема Hydro-Quebec. Та солнечная вспышка, несмотря на меньшую мощность по сравнению с “Событием Каррингтона”, весьма наглядно проиллюстрировала уязвимость электросетевой инфраструктуры. Геомагнитная буря также вызвала нарушения высокочастотной радиосвязи во всем мире, полярные сияния, которые наблюдались даже в Мексике, и нарушения в работе космических аппаратов. В докладе Lloyd’s говорится, что этот инцидент «вызвал среди прочего необратимые повреждения генераторов и повышающих трансформаторов на атомной электростанции в Нью-Джерси (США), принадлежащей компании Public Service Gas & Electric». Пришлось вывести данные устройства из эксплуатации.

Факторы, определяющие уязвимость

Движение заряженных частиц в магнитном поле является сложным явлением, особенно с учетом всех переменных, участвующих в развитии ситуации на макроскопическом уровне (взаимодействие между Землей и Солнцем). К числу физических факторов относится проводимости почвы (чем выше проводимость, тем более сильные токи могут возникать в результате изменения магнитного поля), близость к океану (морская вода является хорошим проводником) и «магнитная широта» (не является эквивалентом параметрической широты). Особого внимания заслуживает роль океанов, которые могут увеличивать интенсивность индуцированных токов во время солнечных вспышек. Изучив снимки Земли со спутника, сделанные в ночное время, можно отметить высокую концентрацию электрической инфраструктуры относительно близко к побережью. Это делает обитателей таких городов более уязвимыми к последствиям солнечных вспышек.

Если абстрагироваться от переменных физической природы, модно отметить присутствие и ряда инфраструктурных факторов (в частности, плотность размещения трансформаторов в определенном регионе). Даже сравнительно слабая вспышка может вызвать огромный ущерб, если она поразит область, в которой размещено большое количество трансформаторов. Продолжительность отключения сетевого электроснабжения в таких случаях, вероятно, будет составлять многие месяцы, так как специалистам коммунальных предприятий придется очень много работать, чтобы ликвидировать последствия аварий. Также следует обратить внимание и на такие факторы, как конструкции трансформаторов, длина подключенных линий электропередачи и так далее.

Воздействие на дата-центры

Очевидно, что любое событие, в результате которого может быть повреждена часть энергосистемы, является потенциальной угрозой для ЦОД. Большинство объектов, владельцам которых нужен высокий аптайм, содержат специальные элементы вспомогательной инфраструктуры для борьбы с перебоями в электроснабжении. Это системы бесперебойного питания и резервные дизельные электрогенераторы (на случай длительного отключения).

Но даже этих систем будет недостаточно, если продолжительность отключения подачи электричества из централизованной сети превысит несколько недель или даже месяцев. Некоторые владельцы и операторы ЦОД имеют достаточно свободных денежных средств и возможности для развертывания экологически чистых генерирующих мощностей в непосредственной близости от своих объектов, что позволяет сделать дата-центры независимыми от электросети. Но таких компаний меньшинство.

Хорошей новостью является то, что крупные солнечные вспышки вроде “События Каррингтона” случаются довольно редко: Земля является довольно небольшой мишенью для Солнца. Но есть и плохая новость. Заключается она в том, что риск появления геомагнитных бурь, возникающих при солнечных вспышках, согласно прогнозам экспертов Lloyd’s, в ближайшие годы будет лишь расти и достигнет пика (для текущего солнечного цикла) в 2015 году. Нам остается лишь смириться с неизбежным, так как повлиять на Солнце человеческая цивилизация не в силах. Но владельцы ЦОД могут принять превентивные меры для обеспечения базовой защиты своих объектов от последствий таких событий.

Многие превентивные меры в случае геомагнитных бурь точно такие же, как и для других стихийных бедствий и ЧС: установка резервных источников электропитания, разработка плана аварийного восстановления и так далее. Выделяется три основных системы для защиты ЦОД от последствий солнечной вспышки:

• Подавитель напряжений переходных процессов (TVSS). Надежная система супрессоров может значительно уменьшить негативный эффект перепадов напряжения, которыми часто сопровождаются солнечные вспышки. Эксперты советуют применять TVSS на различных уровнях цепи.
• Источники бесперебойного питания (ИБП). Система высококачественных «онлайн» ИБП с двойным преобразованием также позволит смягчить негативные последствия переходных процессов в электрических цепях. Кроме того, ИБП продлевают время автономной работы вычислительной инфраструктуры, что позволяет IT-системе корректно завершить свою работу или дождаться запуска резервных электрогенераторов.
• Расположенные рядом с ЦОД резервные генераторы. Неисправности в электросети, вызванные крупной солнечной бурей, могут устраняться очень долго. Поэтому крайне важно снабдить все критически важные объекты вычислительной инфраструктуры собственными генераторами и вместительными резервуарами для хранения топлива.

Выводы

Несмотря на тот факт, что особо интенсивные геомагнитные бури от солнечных вспышек достаточно редки, более мелкие геомагнитные бури случаются достаточно часто, чтобы мы могли рассматривать их как реальную угрозу для дата-центров и энергосистемы в целом. Эти события имеют свою специфику – повреждаются только электрические системы, в отличие от, скажем, землетрясений, которые повреждают всю физическую инфраструктуру. В худшем случае, солнечные вспышки могут привести к каскадному отключению элементов энергосистемы и, возможно, к многомесячному отсутствию электроснабжения в определенных регионах. Эти длительные отключения представляют наибольшую опасность: в таких случаях, даже самые прозорливые операторы ЦОД могут оказаться не в состоянии непрерывно доставлять к генераторам достаточное количество топлива – ведь нельзя забывать и про необходимость минимизации расходов.