RDHx, или как превратить серверную стойку в систему охлаждения ЦОД

В большинстве центров обработки данных для охлаждения серверного оборудования используются специальные кондиционеры для машзалов (Computer Room Air Conditioning Unit; CRAC). Блоки CRAC в связке с фальшполом, посредством которого организуется приточный вентиляционный канал, выступают относительно эффективным и доступным механизмом оптимизации температурного режима IT-оборудования внутри дата-центра. Однако по мере роста плотности размещения вычислительного оборудования внутри монтажных стоек и общего повышения мощности серверных систем в машзале операторы ЦОД начинают задумываться о целесообразности увеличение мощности системы охлаждения. Во многих случаях для решения подобной задачи IT-специалисты выбирают технологию жидкостного охлаждения. Обусловлен такой выбор главным образом тем, что жидкий хладагент может удалять из стойки более чем в 3000 раз больше тепла, чем воздух.

Одной из наиболее интересных и доступных форм жидкостного охлаждения являются низкопрофильные теплообменники RDHx (Rear-Door Heat Exchanger), предназначенные для встраивания в дверцу на монтажной стороне серверной стойки. Модули RDHx, с помощью которых можно быстро понизить температуру высокоплотных вычислительных систем, увеличивают глубину стойки всего лишь на 4-6 дюймов. Они могут быть с легкостью установлены на уже эксплуатируемые серверные стойки или же выступать элементом новых стоек. При этом использовать модули RDHx можно как в связке с фальшполом, так и без него.

В основе конструкция модуля RDHx лежит дверца, которая крепится к монтажной (задней) стороне серверной стойки и содержит теплообменные змеевики, наполненные водой или другим хладагентом. Холодный воздух поступает в переднюю (фронтальную) часть стойки, нагревается благодаря работающему IT-оборудованию и пропускается через модуль RDHx, попутно охлаждаясь до температуры нагнетаемого в стойку воздуха или даже до более низкой температуры. Модули RDHx могут быть как пассивными (конструкция не предусматривает увеличение числа вентиляторов внутри серверной стойки), так и активными (в подобном случае элементами модуля RDHx выступают высокопроизводительные вентиляторы). Для их работы требуется охлажденная вода или иной жидкий хладагент, который должен подводиться к стойкам через дополнительный трубопровод, и блок распределения хладагента (Coolant Distribution Unit; CDU). Стандартный блок CDU по размеру сопоставим с серверной стойкой, но его размер может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от мощности.

К числу компаний, предлагающих своим клиентам модули класса RDHx, среди прочего относятся следующие вендоры (в скобках указаны названия соответствующих продуктов):

• OptiCool (Cool Door);
• Black Box Network Services (Cold Front);
• Emerson-Liebert (DCD и XDR);
• Vette (CoolCentric и LiquiCool);
• IBM (Rear Door Heat eXchanger).

Последствия внедрения RDHx

Использование модулей RDHx при создании нового дата-центра может упростить управление воздушными потоками за счет устранения необходимости в “холодных” / “горячих” коридорах и механизмах их изоляции.

Как известно, организация воздушных потоков является ключевой частью проектирования системы охлаждения дата-центра. Наиболее распространенный подход к решению данной задачи предполагает использование блоков CRAC и фальшпол для нагнетания холодного воздуха в монтажные стойки, при этом во время размещения серверных стоек необходимо использовать конфигурацию с “холодными” / “горячими” коридорами и изолирующими элементами. В данном случае серверные стойки должны быть расположены в два ряда таким образом, чтобы их фронтальные панели находились друг напротив друга – это гарантирует равномерное распределение холодного воздуха (этот процесс схематически изображен на рисунке ниже). Подобный подход помогает избежать смешивания горячего воздуха с холодным, прежде чем последний сможет быть использован для охлаждения оборудования.

При использовании модулей RDHx необходимость в столь сложных инженерных решениях попросту отпадает, потому что воздух, выходящий из серверной стойки, совпадает по температуре с подаваемым в стойку воздухом или даже холоднее его. Именно поэтому массив модулей RDHx может быть использованы как единственное решение для охлаждения ЦОД, но никто не мешает использовать его как часть многоуровневой системой охлаждения, где модули RDHx применяются только для оптимизации температурного режима оборудования с высокой плотностью размещения. Из приведенной выше информации вытекают следующие рекомендации относительно внедрения подобных решений:

• Если IT-оборудование в центре обработки данных значительно отличается в плане запросов к системе охлаждения, следует реализовать многоуровневую стратегию охлаждения, при этом модули RDHx в рамках этой стратегии следует использовать для оптимизации температурного режима серверного оборудования внутри стоек с наиболее высокой термической плотностью;
• Если создается новый ЦОД, не следует использовать фальшпол для размещения стоек с IT-оборудованием, охлаждать которое планируется с помощью модулей RDHx. Это позволит снизить капитальные расходы;
• Используйте модули RDHx для охлаждения высокоплотного серверного оборудования (от 10кВт до 30кВт на стойку). Кроме того, их следует применять в дата-центрах, в которых блоки CRAC уже загружены до предела.

Преимущества активной и пассивной систем, а также различных хладагентов

Первоначально в качестве охлаждающей жидкости в модулях RDHx использовалась вода, при этом они имели пассивную конструкцию. Пассивная система не имеет движущихся частей и состоит только из массива теплообменников, размещенных в дверце на монтажной стороне каждой серверной стойки. Благодаря насосам в CDU жидкость исправно циркулирует через каждую стойку. Горячий воздух изнутри стойки попадает на теплообменник благодаря вентиляторам внутри самих серверов. Подобная конструкция неплохо справляется со своими задачами. Тем не менее, производители модулей RDHx первого поколения столкнулись с рядом проблем после вывода своих продуктов на рынок.

Во-первых, многие операторы ЦОД не решаются использовать системы жидкостного охлаждения на базе воды, опасаясь протечки и последующего повреждения электронного оборудования (даже несмотря на многочисленные успехи, достигнутые вендорами в области производства быстроразъемных соединений и трубопроводов для СЖО). Во-вторых, при использовании серверных вентиляторов для нагнетания горячего воздуха на теплообменник требуется, чтобы они (вентиляторы) работали весьма эффективно. При этом сама стойка / корпус сервера должны быть хорошо изолированы, чтобы воздух направлялся на массив теплообменников и проходил сквозь него, а не обходил вокруг него.

Чтобы сделать свои продукты более конкурентоспособными, в последнее время некоторые производители начали создавать решения на базе специализированных хладагентов, призванных устранить недостатки воды. Эти хладагенты отлично подходят для эксплуатации в контуре с низким давлением, что минимизирует риск возникновения связанных с протечками проблем. Кроме того, в случае возникновения протечки хладагенты могут испаряться, превращаясь в нетоксичные и не вызывающие коррозии газы. Несмотря на то, что использование подобных жидкостей приводит к росту стоимость готовых решений, спрос на усовершенствованные модули RDHx ввиду их высокой надежности постоянно растет.

Еще одним усовершенствованием конструкции модулей RDHx стала разработка активных систем. В подобном случае на внешней стороне массива теплообменников размещаются высокоэффективные вентиляторы, которые работают на выдув, быстро перемещая поток горячего воздух через модуль RDHx. Это гарантирует высокое КПД системы и позволяет избежать выхода горячего воздуха из стойки в обход массива теплообменников. К слову, разработчики некоторых продуктов подобного класса обеспечивают дополнительную избыточность за счет использования нескольких отдельных массивов теплообменников в одной стойке. Подобный подход позволяет эффективно охлаждать серверные стойки, в которые устанавливается IT-оборудование мощностью вплоть до 20 кВт.