Почему будущее дата-центров в глубинах океана

Исследователи из Национального института информатики США близки к выводу на рынок решения, которое позволит охлаждать серверы, погружая их глубоко под воду. Каким образом игроки индустрии ЦОД могут извлечь пользу из результатов этого и других подобных исследований? Какое влияние распространение такой технологии окажет на рынок? Погружение серверов под воду кажется не очень здравой идеей. Но, на фоне роста количества потребляемой системами охлаждения ЦОД электроэнергии идея становится менее странной.

Существует множество технологий охлаждения серверов, включая методы, предполагающие использование воздуха, воды, минерального масла и даже жидкого гелия (в случае необходимости оптимизации температурного режима разогнанных процессоров). Но если существует так много технологий охлаждения, многие из которых довольно широко используются, зачем исследователям из Национального института информатики США понадобилось создавать принципиально новую концепцию?

Больше высокотехнологичного оборудования – больше энергопотребление

Интернет является поистине удивительным изобретением и, возможно, вторым наиболее важным изобретением 20-го века (первое место за транзистором). Он позволяет примерно 3,2 миллиарда людей получать мгновенный доступ к самым ценным активам: знаниям и информации.

По мере распространения облачных вычислений и интенсификации развития интернета вещей (IoT) скорость работы интернета должна расти. Необходимо больше кабелей и вышек сотовой связи для подключения к сети большего числа людей, а также больше дата-центров для обслуживания этих пользователей. И по мере роста числа дата-центров будет расти количество вычислительных и вспомогательных устройств, которым нужно электричество.

Увеличение спроса на электроэнергию со стороны ЦОД вместе с сокращающимся объемом углеводородов и необходимостью выполнять требования законодательства в области защиты окружающей среды будут оказывать все большее давление на энергетические компании.

Вызов тепловыделения

Кроме того, с течением времени будет расти плотность размещения IT-оборудования в стойках, что приведет к увеличению нагрузки на системы охлаждения серверов. На самом деле эффективное рассеивание тепла, вырабатываемого процессорами, уже сейчас является одной из самых важных задач, которые должны решать операторы дата-центров.

В прошлом компьютеры вроде ZX Spectrum вырабатывали такое малое количество тепла, что для их охлаждения изготовители использовали небольшие кусочки металла в форме радиаторов. И в большинстве случаев такой радиатор мог быть удален без какого-либо вреда для машины. Но, со временем серверы и компьютеры становились более компактными и мощными. И сейчас тепловыделение подскочило настолько, что с помощью современного процессора без радиатора вполне можно поджарить мясо.

Как следствие, современные серверы требуют более продвинутых методов охлаждения, использующих поток охлажденного воздуха, воду, минеральное масло и другие жидкости (такие как гелий и азот при очень низких температурах). Все эти методы работают, но у них есть один общий недостаток: в случае каждого из них требуются внешний источник электропитания. Это оборачивается дополнительными эксплуатационными расходами, а также оказывает непосредственное негативное влияние на окружающую среду (если электричество для системы охлаждения генерируется из невозобновляемых источников). Так как же охлаждать серверные системы без использования дополнительной электроэнергии?

Можно использовать окружающую среду

Один из вариантов решения этой задачи, который в настоящее время активно используется строителями гипермасштабюных ЦОД вроде инженеров Google и Facebook, предполагает тщательный выбор местоположения нового дата-центра. А именно: новые ЦОД лучше всего строить там, где и без всяких кондиционеров очень холодно.

Например, в Исландии. Эта страна становится все более популярной площадкой для возведения дата-центров, поскольку их операторы могут беспрепятственно нагнетать холодный воздух извне непосредственно внутрь зданий серверных ферм для оптимизации температурного режима критически важного оборудования: от серверов до аккумуляторов.

Горячий воздух, который вырабатывается серверами, также может быть использован для решения ряда важных задач. К примеру, с помощью системы рекуперации тепла можно обеспечивать нагрев воды или отопление административных зданий на кампусе ЦОД или жилья рядом с ним. Этот метод позволяет владельцам ЦОД не только экономить деньги, сокращая счета за электричество для нужд механической системы охлаждения, но и оказывает положительное влияние на окружающую среду.

Но использование этой концепции также сопряжено с одной проблемой. Не так уже и много людей живет в холодных регионах вроде Исландия. А ведь расстояние между ЦОД и его клиентами является важным аспектом, ведь по мере увеличения расстояния между клиентом и сервером растут и задержки при передаче информации. И чем больше будет подключенных к интернету и облаку устройств, тем критичнее будет минимизация таких задержек. Именно поэтому многие дата-центры все еще находятся вблизи крупных мегаполисов – даже в регионах с жарким и влажным климатом.

Тем не менее, есть одно прохладное место, расположенное в пределах двухсот километров от мест проживания почти половины всех людей на планете: мировой океан. Инженеры Microsoft поняли это и недавно начали эксперименты по погружению небольших дата-центров под воду, чтобы оценить возможности для охлаждения серверных систем с помощью воды океана без использования внешних энергетических и охлаждающих установок.

Эксперимент завершился удачно. Но для достижения цели инженерам пришлось использовать дорогие корпуса со сложной конструкцией, способные выдерживать высокое давление и предотвращать протечки, поскольку расположенная внутри них электроника не является водонепроницаемой.

Защищаем ценную электронику от воды

Водонепроницаемая электроника является сейчас популярным трендом. Особенно в сегменте мобильных устройств. Тем не менее, термин «водонепроницаемый» применительно к электронике может означать много разных вещей. Много электронных устройств на самом деле являются скорее водостойкими, чем водонепроницаемыми и не предназначены для работы во время погружения.

Исследователи Мичихиро Коибучи и Казуки Фудзивара из Национального института информатики США экспериментировали с методами охлаждения электроники непосредственным погружением ее в воду без использования герметичных резервуаров или специального оборудования. Их план заключается в нанесении на электронику покрытий на базе водонепроницаемого материала, чтобы впоследствии погружать оборудование в воду, избегая коротких замыканий между электрическими проводниками, а также повышая эффективность рассеивания тепла.

Исследователям пришлось мириться с множеством проб и ошибок. Первоначально они экспериментировали с покрытием на базе эпоксидной смолы. Тем не менее, из этого ничего не вышло, так как покрытие распределилось недостаточно равномерно. В ходе второй попытки они поместили сервер внутрь алюминиевого корпуса, места сочленения элементов которого были заполнены водонепроницаемым герметиком. Но вода в конечном счете все же начала просачиваться внутрь.

В конце концов, исследователи наткнулись на вещество под названием параксилол, которое имело одно важное преимущество по сравнению с эпоксидной смолой. Это вещество может быть нанесено на электронику, находясь в газообразной форме, что обеспечивает более равномерное покрытие. При нахождении параксилола в газообразной форме его молекулярные связи являются слабыми, но прилипая к поверхности, вещество быстро затвердевает и формирует водонепроницаемое покрытие толщиной в 0.1 мм, чего достаточно для предотвращения короткого замыкания и коррозии.

Чтобы проверить работоспособность покрытия, исследователи нанесли его на материнскую плату, а затем погрузили ее в аквариум. Система проработала непрерывно в течение трех месяцев. Затем настал черед экспериментов в океане, наполненном соленой водой. В таких условиях одной из машин удалось проработать в течение месяца, но остальные очень быстро выходили из строя. Анализ показал, что причиной поломок стала дикая природа: внутри машин селились ракообразные и морские водоросли. Исследователи полагают, что некоторые из них, возможно, повреждали защитный водонепроницаемый слой.

Ученые сделали выводы и решили продолжить эксперименты, чтобы повысить надежность машин, эксплуатируемых в агрессивной среде океана. Они также собираются использовать энергию приливов и волн, чтобы сделать свои серверы независимыми от любого внешнего источника электропитания.