Microsoft делает ставку на топливные элементы для электропитания ЦОД

В промышленном здании недалеко от головного офиса своего работодателя в американском городе Сиэтл инженеры софтверного гиганта Microsoft пытаются изобрести центр обработки данных заново.

Работают они в хорошо освещенном белом помещении, напоминающем машзал обычного ЦОД. Внутри этого помещения разместились двадцать необычных серверных стоек. Что в них необычного? В верхней части каждой из этих стоек на стальной раме расположились силовые блоки размером с мини-холодильник каждый. Внутри этих блоков находятся топливные элементы, вырабатывающие электричество с помощью природного газа.

По словам инженера Microsoft Шона Джеймса, эта технология может позволить в будущем полностью отключить дата-центры от центральной электросети. Открывая путь для генерации электричества вблизи от потребляющего его оборудования (в данном случае буквально в нескольких десятках сантиментов — на вершине стойки с вычислительной техникой), новая система Microsoft позволяет свести к минимуму потери при передаче электроэнергии из отдаленной электростанции в дата-центры.

Это может сократить углеродный и энергетический след быстрорастущего бизнеса владельцев корпоративных и коммерческих дата-центров, замедляя глобальное потепление и помогая Microsoft сэкономить много наличных денег.

Проводимое специалистами компании испытание в Сиэтле является предварительным. Но если расчеты Microsoft подтвердятся, и если стоимость топливных элементов будет снижаться, софтверный гигант собирается развернуть топливные элементы во всех своих ЦОД, при этом размер экономии после подобного апгрейда может составить сотни миллионов долларов.

Чтобы сократить свои издержки, такие владельцы корпоративных мега-ЦОД Amazon, Microsoft и Google, а также такие колокейшн-провайдеры с множеством мега-ЦОД вроде Digital Realty и Equinix проектируют и развертывают новые серверные фермы с учетом передовых достижений энергоэффективности.

Они также снижают зависимость от ископаемых видов топлива, покупая электричество из возобновляемых источников энергии или строя свои собственные ветровые или солнечные фермы. Команда инженеров Microsoft настроена на то, чтобы сделать следующий шаг вперед в этом направлении.

Чтобы понять значимость предложенной инженерами софтверного гиганта концепции, для начала следует вспомнить, что собой представляет типичный современный дата-центр. Современные ЦОД работают как маленькие практически незаселенные города, элементы которых иногда рассредоточены на территории земельных участков площадью в десятки гектаров. Несколько десятков операторов управляют всеми элементами инфраструктуры таких ЦОД из диспетчерской, а, когда что-то идет не так, им на помощь приходят подрядчики-ремонтники.

Внутри их машзалов располагаются аккуратные ряды металлических стоек с жужжащими серверами. Эти устройства выделяют много тепла, поэтому для их обслуживания требуются системы организации циркуляции воздуха и охлаждения промышленного класса, не допускающие перегрева ценного критически важного оборудования.

Для организации электроснабжения подобной нагрузки в ЦОД размещаются «лабиринты» электрооборудования. Неудивительно, что большим и мощным дата-центрам обычно требуются их собственные подстанции и выделенные силовые линии для соединения с центральной сетью. С подстанций электричество поступает на трансформаторы и электрораспределительные устройства, которые преобразуют входящий электрический ток, снижая его напряжение, и перенаправляют электричество к нагрузке по километрам медной проводки.

Поскольку внезапная потеря электроснабжения может привести к повреждению оборудования и стиранию данных, к сети также подключаются резервные аккумуляторные батареи. Как последняя линия обороны используются дизель-генераторы размером с транспортные контейнеры, активация которых происходит в течение нескольких секунд.

Концепция организации электропитания ЦОД с помощью топливных элементов, разработанная инженерами Microsoft, позволяет устранить большую часть этого оборудования. Нет генераторов, нет батарей, нет трансформаторов, нет пучков электрического кабеля.

Концепция топливных элементов Microsoft основана на многолетних экспериментах. Так, ранее при реализации испытательного проекта в городе Шайенн, штат Вайоминг (США), инженеры компании разместили ЦОД и топливные элементы для его электроснабжения рядом с системой очистки сточных вод, которая вырабатывает биогаз – топливо для генерирующих мощностей. В периоды перебоев в работе центральной энергосистемы эти топливные элементы приходят на помощь.

Новый тест предполагает использование более продвинутого оборудования. В своем кампусе в Редмонде специалисты компании Microsoft тестируют интегрированные в стойку топливные элементы, пытаясь понять, могут ли крупные массивы таких блоков позволить дата-центрам отключаться от центральной электросети в течение нескольких часов, когда цены будут выше обычного, или когда сеть будет недоступна / перегружена.

Интересно, что Microsoft – не единственный технологический гигант, занимающийся вопросом использования топливных элементов в ЦОД. Корпорации Apple и eBay ранее успешно развернули топливные элементы рядом со своими дата-центрами для организации электропитания с их помощью, заменяя резервные генераторы и/или системы ИБП.

Команда Microsoft использует самые продвинутые на данный момент топливные элементы. Необходимый для их работы природный газ позволяет запускать реакцию, в ходе которой выделяются тепло, а также электричество и вода. Последние могут использоваться при электропитании и охлаждении серверов, соответственно. Кроме того, команда Microsoft добавила детекторы метана для защиты от потенциальных утечек газа и контроля за воздушным потоком.

По словам представителей Microsoft, концепция размещения топливных элементов в стойке поможет им достичь 29-процентного роста эффективности энергетической инфраструктуры ЦОД, потому электроэнергия не будет теряться при длительной передаче от электростанции к нагрузке.

Однако есть проблема. Топливные элементы дороги. Текущие модели стоят примерно в два раза выше, чем необходимо Microsoft для выхода на окупаемости концепции. Но инженеры компании с оптимизмом смотрят в будущее. Производство топливных элементов является относительно новой отраслью. Если крупные покупатели, такие как Microsoft, начнут выстраиваться в очередь за ними, затраты могут снизиться.

В этом случае экономия будет значительной. По мнению исследователей Microsoft, массовое развертывание топливных элементов сократило бы стоимость установки новой стойки в ЦОД на 10 процентов, тогда как затраты на эксплуатацию этой стойки можно было бы сократить на 21 процент.