Софтверный гигант Microsoft намерен перенести механизмы выработки электроэнергии внутрь монтажных стоек и сделать центры обработки данных более дешевыми и экологичными. Специалисты американской компании заявили, что на одном из объектов рэдмондовцев вскоре начнутся испытания серверных стоек со встроенными топливными элементами. Этот шаг позволит устранить необходимость в дорогостоящих системах распределения электроэнергии (PDU), которые можно увидеть в традиционных серверных фермах.
Инженеры Microsoft говорят, что использование топливных элементов на метане внутри серверной стойки обеспечивает наибольшую эффективность и экономию. Это новый этап развития концепции конвергенции ЦОД и возобновляемых источников энергии. Нечто подобное ранее уже реализовал гигант электронной коммерции eBay: топливные элементы используются в качестве источника электропитания для серверной фермы компании в штате Юта (США), устраняя необходимость в источники бесперебойного питания (ИБП) и дизельных электро-генераторах (ДГУ). Но Microsoft пошла дальше, создав технологию интеграции топливных элементов непосредственно в серверные стойки, которая позволяет устранить необходимость не только в ИБП и ДГУ, но и в системах распределения электроэнергии – даже на уровне отдельного сервера. Такой подход позволит значительно сократить потери энергии.
ЦОД с энергоблоком на биогазе
Новая инициатива в полной мере соответствует более масштабной цели Microsoft: рэдмондовцы уже давно мечтают о создании «гибрида ЦОД и электростанции», который сможет эффективно работать без подключения к центральной электросети. Компания уже разработала, создала и запустила небольшую серверную ферму для демонстрации жизнеспособности такой концепции, потратив на проект “всего” $ 8 млн. Объект находится близ города Шайенн, штат Вайоминг (США).
Модульный ЦОД разместился в непосредственной близости от станции водоподготовки. Серверы, сетевое и охладительное оборудование внутри него запитываются с помощью топливных элементов, которые вырабатывают электричество, используя биогаз с водохозяйственного сооружения Dry Creek Wasterwater Reclamation Facility. Инженеры Microsoft, разместили внутри дата-центра IT- и вспомогательное оборудование общей мощностью в 200 кВт. Этот ЦОД представляет собой контейнер 3 метра в ширину и 7 метров в длину.
Система трубопроводов направляет метан, который создается в ходе обработки сточных вод, в подсистему очистки. Затем газ автоматически нагнетается в топливный элемент FuelCell Energy на 300 кВт, который генерирует электроэнергию при помощи серии химических реакций (заменяют традиционное горение с выделением парниковых газов). Реакции происходят во время перемещения природного газа или биогаза через специальные пластины, покрытые катализатором. Побочным продуктом в данном случае выступает обычная вода. Сгенерированное электричество подается на оборудование внутри контейнера Microsoft. Все этапы процесса в полной мере автоматизированы.
Источником энергии для топливного элемента FuelCell Energy рядом с дата-центром Microsoft в городе Шайенн служит биогаз — газ, который образуется в результате разложения органических веществ. Сточные воды должны быть направлены в так называемые метантенки (анаэробные перегниватели). С течением времени анаэробные бактерии переваривают органический материал, создавая тепловую энергию и тот самый биогаз. Во многих случаях в очистных сооружениях биогаз попросту сжигается, потому что его сбор, транспортировка и использование являются, как правило, экономически нецелесообразными.
Развивая перспективные идеи
Теперь Microsoft теперь хочет сделать еще один шаг в направлении экологически устойчивого будущего. Старший руководитель Microsoft Global Services Foundation по исследовательским программам Шон Джеймс полагает, что использование топливных элементов на уровне серверной стойки может привести к «коллапсу всей цепочки поставок электроэнергии от электростанции к серверу и материнской плате, ведь вся энергосистема сможет разместиться в пределах одной серверной стойки».
«Главное различие между этой концепцией и предыдущими архитектурными идеями заключается в том, что в данном случае электростанция размещается непосредственно внутри дата-центра, вместо того чтобы находиться за его стенами», пишет Джеймс в своем блоге. «В современных ЛЭП теряется много электроэнергии. Мы докажем, что интеграция небольших электрогенераторов и IT-оборудования значительно снижает сложность развертывания вычислительной инфраструктуры путем ликвидации всех устройств распределения электроэнергии в электросети и внутри самого ЦОД».
Джеймс отметил, что в настоящее время специалисты Microsoft находятся на «начальной стадии» изучения данной концепции, но топ-менеджер считает, что она вполне может быть реализована на демонстрационном объекте и даже в гипермасштабных ЦОД, повышая их эффективность и снижая общую стоимость эксплуатации. Такой подход также обернется повышением надежности серверных ферм путем распределения риска. Ведь если один топливный элемент или связанная с ним трубопроводная инфраструктура выйдут из строя, это повлечет за собой отключение только одной стойки, а не всего дата-центра.
Правильный масштаб
Команда Microsoft исследует самые разнообразные подходы к внедрению топливных элементов в ЦОД, оценивая их стоимость и эффективность. Один из таких подходов предполагает использование энергоблоков на уровне отдельного сервера. Инженеры рэдмондовцев уже убедились в том, что малые топливные элементы вполне могут быть интегрированы в сервер, позволяя избавиться от множества силовых кабелей. Но моделирование показало, что такой подход не является в достаточной степени эффективным с экономической точки зрения. Взвесив все «за» и «против», специалисты пришли к выводу, что оптимальным вариантом будет интеграция достаточно мощных топливных элементов в отдельные серверные стойки.
Как уже отмечалось выше, интеграция топливных элементов в стойки устраняет необходимость в самых разнообразных составляющих электроэнергетической инфраструктуры ЦОД – в том числе в ИБП, дизельных электро-генераторах и распредустройствах. Данные устройства заменяются на трубы, используемые для подачи крайне взрывоопасного газа. Именно поэтому все трубопроводы должны быть крайне надежными. Эксперты также отмечают, что такой подход к организации электроснабжения серверов приведет к повышению средней температуры внутри серверных стоек (топливные элементы нагреваются во время работы – пусть и не так сильно, как ТЭС, где сжигается углеводородное топливо), что потребует разработки принципиально новых или повышения эффективности уже существующих систем охлаждения.
Так или иначе, по оценкам специалистов Microsoft такая концепция позволит снизить капитальные затраты на 16 — 20 процентов, при одновременном сокращении эксплуатационных расходов на 3 процента или более.
«Размещение топливных элементов в непосредственной близости от серверов делает возможным прямое (не опосредованное) распределения электропитания с помощью постоянного тока. Это также позволяет устранить блоки питания переменного напряжения в самих серверах, которые в настоящее время используются для преобразования переменного тока в постоянный ток, поступающий на внутреннюю электронику. Мы видим огромный потенциал этого подхода, но дальнейшая доработка концепции сопряжена со многими сложностями. Нам еще только предстоит решить фундаментальные технические вопросы, которые связаны с термоциклированием, разработкой системы распределения топлива для энергоблоков, проводимостью отдельных топливных элементов, управлением электропитанием и обучением операторов ЦОД новым правилам техники безопасности. Это требует дальнейших исследований и разработок. Тем не менее, мы решаем все эти проблемы с большим энтузиазмом «, сказал Джеймс.
