Прямое жидкостное охлаждение готово к возвращению в дата-центры?

Впервые разработанная инженерами корпорации IBM в 1960-х гг. для оптимизации температурного режима мэйнфреймов, концепция прямого жидкостного охлаждения становилась все более популярной среди операторов центров обработки данных на протяжении большей части второй половины прошлого века. Но в самом начале 1990-х гг. производители вычислительного оборудования стали переводить свою продукцию на микрочипы, изготовленные с использованием технологии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), ориентируясь на способность подобных чипов обрабатывать намного более задач из расчета на один ватт потребляемой электроэнергии. В результате этого концепция жидкостного охлаждения отошла на второй план, уступив место внутри дата-центров более дешевым аналогам, использующим для передачи тепла воздух.

В настоящее время идея использования в дата-центрах жидкого хладагента, подводимого непосредственно к источнику тепла, переживает нечто вроде ренессанса. К такому выводу пришли авторы свежего доклада исследовательской компании 451 Research под названием «Охлаждаемое жидкостью IT-оборудование — Наводнение или прорыв для дата-центра?» (Liquid-Cooled IT — A Flood or Disruption for the Data Center).

СЖО вряд ли можно назвать мейнстримными продуктами. Тем не менее, концепция прямого жидкостного охлаждения стала основой для бизнеса сразу нескольких новых компаний, специализирующихся на разработке и производстве вспомогательного оборудования для ЦОД. При этом количество дата-центров, схожих по требованиям к системе охлаждения с HPC-решениями (суперкомпьютерными системами), постоянно растет.

Основанная в 2009 году британская компания под названием Iceotope, которая заполняет герметичные серверные стойки с серверами диэлектрической жидкостью, к настоящему моменту успела получить несколько почетных отраслевых наград. В начале этого года вендору также удалось привлечь со стороны инвестиции на сумму около $ 10 миллионов. Есть еще одна компания, датская Asetek, которая подводит охлаждающую жидкость непосредственно к процессорам через небольшие трубки. В 2013 года она провела весьма успешное первичное публичное размещение своих акций (IPO) на фондовой бирже Осло. Существует также ряд базирующихся в США компаний, создающих продукты на базе технологии прядомого жидкостного охлаждения. В их число среди прочих входят LiquidCool Solutions и Green Revolution Cooling. Аналитики 451 Research насчитали в общей сложности около двух десятков ныне действующих поставщиков вспомогательного оборудования для дата-центров, в ассортименте которых имеются продукты, основанные на концепции прямого жидкостного охлаждения. Большинство мелких вендоров зарабатывают на продаже подобных СЖО от $ 5 млн. до $ 10 млн. в год.

Одним из крупнейших поставщиков диэлектрической жидкости для систем жидкостного охлаждения электроники является корпорация 3M. На фото выше представлена распространяемая корпорацией жидкость, которая называется Novec.

Крупные производители IT-оборудования также не утратили интерес в адрес данной технологии. IBM продолжает проводить исследования и разработки в этой сфере. Не отстает от американского «Голубого гиганта» и японская корпорация Fujitsu. Инженеры HP, Dell и Intel тоже трудятся над прямоконтактными СЖО. Несмотря на тот факт, что большинство подобных проектов крупных вендоров направлены на разработку продуктов для рынка HPC-решений (читай: суперкомпьютеров), есть признаки увеличения использования «HPC-подобных систем» обычными корпоративными клиентами. Движимые стремлением к повышению производительности своей IT-инфраструктуры при аналитике больших данных и обслуживании других ресурсоемких приложений, корпоративные клиенты активно скупают высокоплотные и высокопроизводительные вычислительные системы. Эта тенденция может привлечь крупных поставщиков систем прямого жидкостного охлаждения, которые помогут корпоративным клиентам внедрить высокопроизводительные вычислительные системы в свои существующие дата-центры.

Не самый популярный вариант

Да, подходы различных компаний к реализации концепции прямого жидкостного охлаждения на практике могут существенно различаться, но данная технология вне всяких сомнений делает охлаждение серверного оборудования более эффективным. Она позволяет повысить эффективность теплообмена путем более тесно сближения высокоэффективного хладагента с источником тепла. Но это же выступает и препятствиям для активного внедрения СЖО: клиенты беспокоиться о ремонте и обслуживании подобных систем. Их также беспокоят отсутствие стандартов и общие риски, связанные с введением какой-либо революционной технологии.

В новом докладе приводятся результаты опроса, проведенного недавно компанией Uptime Institute («дочка» 451 Group), из которых следует, что из всех «продвинутых» технологий охлаждения наименее активно корпоративными клиентами внедряются именно СЖО. Только 11 процентов от общего числа респондентов заявили о наличии в своих серверных фермах систем жидкостного охлаждения. К категории «продвинутых» механизмов оптимизации температурного режима IT-оборудования относятся среди прочего «холодные» и «горячие» коридоры, повышение температуры воздуха на входе в монтажные стойки, частотно-регулируемые вентиляторы, экономизация со стороны охлажденного воздуха, экономизация со стороны охлажденной воды.

Вот диаграмма с полными результатами опроса Uptime Institute:

При всем при этом в пользу прямого жидкостного охлаждения «работает» ряд рыночных трендов. Одним из таких тредов является появление дата-центров гипермасштабный категории. Интернет-компании вроде Facebook и Google пропагандируют менее консервативный подход к разработке и эксплуатации ЦОД, при этом их примерами вдохновляются другие операторы ЦОД, рассматривающие возможность использования передовых технологий вроде интересующего нас прямого жидкостного охлаждения.

Плотность размещения IT-оборудования внутри стойки растет не так быстро, как ожидалось

Плотность размещения серверного и сетевого оборудования внутри монтажных стоек растет не так быстро, как ожидали аналитики еще несколько лет назад. По данным Uptime Institute, медианная плотность размещения IT-решений в стойках корпоративных и коммерческих дата-центров по всему миру (колокейшн) сейчас ниже, чем 5 кВт на стойку. Такие нагрузки находятся в пределах возможностей воздушных систем охлаждения, что делает экономическое обоснование внедрения систем прямого жидкостного охлаждения менее убедительным.

Так выглядит система жидкостного охлаждения Asekek внутри сервера. (Фото: Asetek)

К числу других барьеров на пути массового внедрение СЖО относится страх того, что использование жидкости в среде с большим количеством электроники и электроэнергетического оборудования высокого напряжения чревато даунтаймом ЦОД. Кроме того, растет число дата- центров, операторы которых используют наружный воздух для охлаждения серверов (фрикулинг). Число ЦОД, серверы внутри которых функционируют при более высоких температурах, чем обычно, также увеличивается. Для производителей систем жидкостного охлаждения это и хорошо и плохо. Вот простой пример. С одной стороны, для сред с низкой плотностью использование прямого жидкостного охлаждения становится малоцелесообразным, так как в подобном случае серверы гораздо дешевле охлаждать с помощью наружного воздуха. С другой стороны, если операторы дата-центра с низкой плотностью размещения IT-оборудования, в котором используется фрикулинг, захотят установить высокоплотные стойки, им, скорее всего, придется прибегнуть к помощи прямого жидкостного охлаждения, чтобы не нарушить работоспособность остальной части IT-инфраструктуры (с низкой плотностью размещения комплектующих).

У производителей систем жидкостного охлаждения есть и другие проблемы, такие как растущий интерес к маломощным микросерверам на базе чипов с архитектурой ARM или процессоров Intel Atom. Но одним из самых больших барьеров является консерватизм. Во-первых, операторы крупных дата-центров финансовых, медицинских, страховых компаний не хотят рисковать и переводить свои ЦОД с воздушного охлаждения на жидкостное, несмотря на его эффективность. Во-вторых, крупные поставщики не хотят ставить под угрозу продажи свих систем воздушного охлаждения.

Iceotope продает герметизированные и наполненные жидкостью Novec от 3М вычислительные модули как на основе процессоров AMD, так и на базе чипов Intel. (Фото: Iceotope)

Физики недостаточно

Но даже самые ярые апологеты воздушного охлаждения должны признать, что если бы появилась возможность отмотать время вспять, следовало бы всячески способствовать внедрению в дата-центрах по всем миру систем жидкостного охлаждения, являющихся более энергоэффективными и, как следствие, экологичными. Но в настоящее время связанных с физикой доводов недостаточно для убеждения большинства операторов дата-центров.

Успех технологии СЖО будет зависеть от желания поддержать ее со стороны крупнейших производителей IT-оборудования (Dell, HP, IBM и так далее), а также от того, будут ли операторы гипермасштабных дата-центров и HPC-решений активно и достаточно убедительно демонстрировать на своем примере бизнес-преимущества прямого жидкости охлаждения всем остальным.