تعد الطاقة والتبريد الفعال أمرًا ضروريًا لعمليات مركز البيانات. وينطبق هذا بشكل متساوٍ على أداة التوسعة السحابية الفائقة، أو منشأة التجميع التجاري، أو مركز البيانات الخاص بالمؤسسة. وبدون طاقة كافية، ودون القدرة على إزالة الحرارة الزائدة، لا يمكن للخوادم أن تعمل.
إن الحاجة إلى الطاقة والمساحة المنخفضة التكلفة، إلى جانب تحسين الاتصال والأتمتة، سمحت لمشغلي مراكز البيانات بالابتعاد عن المناطق الحضرية. وفي أوروبا، كان هذا يعني الابتعاد عن المناطق التجارية. وفي الولايات المتحدة، اختار المشغلون ولايات مثل أريزونا ونيفادا وتكساس حيث الأراضي رخيصة.
لكن التطورات في تكنولوجيا الحوسبة، والطلب من خدمات مثل الذكاء الاصطناعي، تعمل على تغيير آليات واقتصاديات تطوير مراكز البيانات.
على جانبي المحيط الأطلسي، الضغط على شبكات الكهرباء وإمدادات المياه الحد من التنمية. ومن المتوقع أن يستمر الطلب في النمو بشكل حاد، حيث يتطلع المشغلون إلى تجميع المزيد من المعدات في مواقعهم، ويجمع مصممو الكمبيوتر المزيد من المعالجة في حزم خوادم أكثر كثافة، ويتطلب المزيد من التطبيقات وحدات معالجة الرسومات المتعطشة للطاقة (GPUs) ومعالجات متخصصة أخرى.
يضيف النمو السريع للذكاء الاصطناعي مجموعة أخرى من الضغوط. وفي عام 2023، قام الباحثون في جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد، بحساب ذلك ChatGPTيستخدم نموذج اللغة الكبير (LLM) الخاص بـ 500 مل من الماء للإجابة على 5 إلى 50 مطالبة. تقريبا كل هذا الماء يذهب للتبريد. ووفقاً لألفين نجوين، أحد كبار المحللين في شركة Forrester، عندما ماجستير عندما ينشئ صورة، فإنه يستهلك من الطاقة ما يعادل تقريبًا ما تحتاجه سيارة ذات محرك احتراق داخلي لقطع مسافة ميل واحد.
وتضع هذه التطورات ضغوطًا على صناعة مراكز البيانات التي غالبًا ما تكون متحفظة، كما تدفع مدراء تكنولوجيا المعلومات إلى النظر في تقنيات بديلة.
لا يمكن لمشغل المؤسسة أو مركز البيانات أن يفعل الكثير تعزيز شبكات الكهرباء. وعلى الرغم من أن الشركات يمكن أن تنتقل إلى شرائح أقل استهلاكًا للطاقة، إلا أن الاتجاه لا يزال قائمًا على زيادة استخدام الطاقة في مراكز البيانات.
وفق توني لوك، محلل متميز في Freeform Dynamicsوهذا أمر لا مفر منه حيث تقوم الشركات برقمنة عملياتها. ينتقل العمل الذي تم إنجازه يدويًا إلى أجهزة الكمبيوتر، وتنتقل أجهزة الكمبيوتر من المكتب أو غرفة البيانات إلى مركز البيانات أو السحابة.
ويقول: “مركز البيانات مسؤول عن تقديم المزيد والمزيد من خدمات الأعمال، لكن مدير مركز البيانات القديم المسكين هو المسؤول عن الزيادات في الكهرباء”.
ومع ذلك، فإن تحديث التبريد يمكن أن يوفر فوزًا سريعًا سواء من حيث التمويل أو الأداء.
إذا تمكن المشغلون من تحسين كفاءة التبريد، فيمكنهم تعبئة المزيد من المعدات في مركز البيانات. يعد التبريد الأفضل أمرًا ضروريًا لتشغيل وحدات معالجة الرسومات للذكاء الاصطناعي. تتطلب منصة Blackwell من Nvidia تبريدًا سائلًا، حتى مع وعدها بالعمل بتكلفة واستهلاك طاقة أقل بنسبة تصل إلى 25% عن سابقاتها.
ومن خلال تحديث تكنولوجيا التبريد، تتاح للشركات أيضًا فرصة لخفض فواتير الطاقة الخاصة بها. إجماع الصناعة هو أن حوالي 40٪ من طاقة مركز البيانات يتم استخدامها للتبريد.
اتفاقيات التبريد
الطريقة التقليدية لتبريد الأنظمة في مراكز البيانات هي عن طريق تدوير الهواء. يتم تجهيز الرفوف والخوادم بمراوح، ويتم تركيب مراكز البيانات تكييف هواء غرفة الكمبيوتر (CRAC) وحدات أو معالج هواء غرفة الكمبيوتر (CRAH) وحدات للحفاظ على الهواء في درجة الحرارة الصحيحة. عادةً ما تقوم هذه المبردات بإخراج الحرارة المهدرة إلى الهواء الخارجي. إذا استخدموا التبريد التبخيري، فهذا يحتاج إلى الكهرباء والماء.
سيحدد حجم وسعة وحدتي CRAC وCRAH أيضًا التصميم المادي لمركز البيانات، وحتى حجمه الإجمالي. بصفته ديفيد واتكينز، مدير الحلول في مشغل مركز البيانات مراكز بيانات فيرتوسويشير إلى أن كل وحدة مصممة لتبريد عدد معين من الكيلووات (كيلوواط) من السعة، وسيكون لها أقصى “رمية”، أو المدى الذي سيصل إليه الهواء البارد. مع أخذ كل ذلك في الاعتبار، يمكن للمصممين أن يقرروا أبعاد البناء ومكان وضع الرفوف.
يؤدي تبريد الأرضية المرتفعة في مراكز البيانات إلى دفع تدفق الهواء البارد إلى أعلى عبر الأرضية، وصولاً إلى الخوادم السابقة وإلى مدخل CRAC حيث يتم تبريد الهواء
يمكن لمهندسي مراكز البيانات أيضًا جعل تبريد الهواء أكثر كفاءة عن طريق تركيب ممرات ساخنة وباردة. يؤدي ذلك إلى تحسين دوران الهواء عن طريق فصل الهواء البارد الوارد وعادم الهواء الدافئ. كما أنه يساعد على التحكم في درجة الحرارة المحيطة في بقية مركز البيانات، مما يجعله أكثر راحة للمشغلين البشريين.
لكن تبريد الهواء يظل عملية مزعجة ومكلفة، ولها حدودها – ففوق مستوى معين من قوة الحوسبة، لا يعد الهواء قادرًا على توفير التبريد الكافي. يقول واتكينز: “حوالي 40 كيلو واط هو الحد الأعلى للمكان الذي تصل إليه بالهواء”.
وهذا يعني أن مشغلي مراكز البيانات بحاجة إلى النظر في البدائل.
عند الصنبور: تبريد سائل
لقد تحسن تبريد الهواء تدريجياً على مدى العقدين الماضيين، ومن المؤكد أنه أصبح أكثر كفاءة مما كان عليه من قبل. يقول ستيف والاج، المدير الإداري لشركة Danseb Consulting المتخصصة في مراكز البيانات: “إن تبريد الهواء أمر راسخ ومثبت، وقد شهد تحسينات تدريجية في الأداء”.
ويشير والاج إلى أن هناك ابتكارات في مجال تبريد الهواء. على سبيل المثال، يمكن لنظام KyotoCooling، الذي يستخدم “عجلة حرارية” للتحكم في تدفقات الهواء الساخن والبارد عبر مركز البيانات، توفير ما بين 75% إلى 80% من التبريد التقليدي. يقول والاج: “السبب الرئيسي وراء بقاء الحلول المتخصصة لديهم هو افتقارهم إلى قاعدة مثبتة”.
وبدلاً من ذلك، ظهر التبريد السائل كبديل رئيسي لتبريد الهواء، خاصة بالنسبة لمنشآت الحوسبة عالية الأداء (HPC) والذكاء الاصطناعي.
ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الأنظمة عالية الأداء يتم شحنها مع نظام تبريد سائل مدمج. لكن عيوبها، بما في ذلك تعقيدها وبصمتها اللوجستية، تقابلها كفاءتها المتأصلة. يعد التبريد السائل أكثر كفاءة من تبريد الهواء، ويمكنه أيضًا استخدام كمية أقل من المياه مقارنة بأنظمة CRAH لتبريد الهواء.
يأتي التبريد السائل في عدة أشكال، بما في ذلك التبريد المباشر للرقاقة، والتبريد بالغمر، حيث يتم الاحتفاظ بالجهاز بأكمله في سائل غير موصل، ومجموعة من الأنظمة التي تعمل على تبريد الرفوف. في كثير من الأحيان، السائل ليس ماء بل زيت متخصص.
يجب إنشاء الأنظمة الغامرة بالتعاون الوثيق مع الخادم أو الشركة المصنعة لوحدة معالجة الرسومات حتى تعمل دون الإضرار بالمكونات. أنها تحظى بشعبية ل التعدين العملة المشفرة وغيرها من الأنظمة المتخصصة.
مرة أخرى، يحتاج التبريد المباشر إلى الشريحة إلى التكامل من قبل الشركة المصنعة للخادم. ونتيجة لذلك، غالبًا ما يتم شحن الأنظمة ذات التبريد السائل مع تكوين التبريد بالفعل. يحتاج مشغل مركز البيانات فقط إلى توصيله بالكامل بالأنظمة الرئيسية، بما في ذلك المبادلات الحرارية أو وحدات توزيع التبريد.
ويقول نجوين من شركة Forrester: “هناك تقنيات موجودة يمكنك من خلالها الاستفادة من التبريد السائل المباشر”. “لكنه يتطلب مساحة إضافية، ولا يمكنك أن تكون كثيفًا جدًا لأنك تحتاج إلى أنابيب لجميع الأغراض [heat]-إنتاج الرقائق أو الأصول داخل الخادم.
“والكثير من الناس لا يحبون البدائل مثل الغمر السائل، لأنك تعمل بشيء قد يقلل من عمر المعدات، ومن الناحية التشغيلية يجعل الأمر أكثر تعقيدًا.” تشمل الأسباب الحاجة إلى إيقاف تشغيل الأنظمة، والسماح للسائل بالتبريد، وتصريفه قبل إجراء الصيانة أو الترقية.
يمكن لفرق تكنولوجيا المعلومات أيضًا اختيار أبواب خلفية أبسط أو وحدات جانبية أو وحدات صفية للتبريد السائل.
يعد التبريد السائل حلاً مبتكرًا، لكن التكنولوجيا ليست في وضع يسمح لها بعد باستبدال تبريد الهواء في مراكز البيانات بشكل كامل
أليستير بارنز، خدمات مركز بيانات كولت
يحظى تبريد الباب الخلفي، أو المبادلات الحرارية من الهواء إلى السائل، بشعبية كبيرة حيث يمكن تعديله وتحديثه على الرفوف الموجودة. لا يوجد اتصال مباشر مع الشريحة، وبالتالي فإن الهندسة أقل تعقيدًا والمخاطر أقل. لكن هذا يأتي على حساب انخفاض أداء التبريد. تعتبر أنظمة تبريد الأبواب الخلفية سلبية تمامًا، وعادةً ما تقوم بتبريد الأنظمة في نطاق 20 كيلووات إلى 120 كيلووات، مع مطالبة بعض الشركات المصنعة بتصنيفات أعلى.
وهناك ميزة أخرى لتبريد الباب الخلفي أو الجانبي للسيارة وهي أنه من الأسهل دمجها مع تبريد الهواء التقليدي. في المستقبل المنظور، ستقوم معظم مراكز البيانات بتشغيل أنظمة تبريد الهواء، مثل التخزين والشبكات، إلى جانب الأجهزة عالية الأداء والمبردة بالسوائل.
“يعد التبريد السائل حلاً مبتكرًا، لكن التكنولوجيا ليست في وضع يسمح لها بعد باستبدال تبريد الهواء بالكامل في مراكز البيانات،” يحذر أليستير بارنز، رئيس قسم الهندسة الميكانيكية في Colt Data Center Services.
“وحتى إذا تم تبريد المعدات بواسطة سائل، فسيتم نقل الحرارة إليها وسوف يتبدد بعض هذا إلى غرفة أو مساحة محيطة حيث سيتطلب الأمر هواءًا لإزالة هذا. نوصي بالهجين حيث يتم استخدام تقنيات السائل والهواء معًا.
يتيح ذلك لمشغلي مراكز البيانات تحقيق أقصى قدر من الكفاءة التشغيلية والكفاءة في استخدام الطاقة، أو فعالية استخدام الطاقة (PUE).
السماء الزرقاء، والمسبح الأزرق، يفكر
هناك قيود أخرى على التبريد السائل، وهذه، إلى جانب الطلب المتزايد على الحوسبة من الذكاء الاصطناعي، تدفع مشغلي مراكز البيانات إلى النظر في حلول أكثر ابتكارًا.
يمثل الوزن مشكلة تتعلق بالتبريد السائل لأن الحوامل أثقل ويمكن أن تتجاوز التصميم الهيكلي لمركز البيانات. “ستكون هناك مواقع يمكنك تعديلها إلى حد ما، ولكن هذه العوامل قد تجعل الأمر صعبًا إذا كان لديك لوح [concrete base] يقول واتكينز من Virtus Data Centres: “بقوة معينة”.
تستخدم بعض مراكز البيانات تبريد الهواء مجانا، والذي يعمل بشكل جيد في المناخات الباردة مثل شمال أوروبا أو الدول الاسكندنافية أو شمال غرب المحيط الهادئ في الولايات المتحدة. يقول Freeform’s Lock: “لا يزال تبريد الهواء المجاني قابلاً للتطبيق، على الرغم من أن بعض الأشياء لم يتم وضعها في الاعتبار من البداية”. “أعتقد أنه تم أخذ الرطوبة في الاعتبار، ولم يكن الغبار كذلك.”
تنتقل بعض مراكز البيانات الآن إلى مناجم الملح بسبب انخفاض نسبة الرطوبة فيها. ويتصل البعض الآخر بشبكات التدفئة البلدية على هذا النحو يمكن استخدام الحرارة المهدرة لتدفئة المباني المجاورة. وهذا ليس جديدًا، إذ يعمل عدد من مراكز البيانات الإسكندنافية بهذه الطريقة منذ السبعينيات. لكن الأنظمة الأوروبية تتحكم بشكل متزايد في كيفية استنفاد مراكز البيانات للحرارة الزائدة، وتنص على أنه لا يمكن ضخها ببساطة إلى الغلاف الجوي.
وتشمل التصاميم الأكثر جذرية بناء خزانات مياه كبيرة تحت مراكز البيانات لتخزين الحرارة المهدرة لاستخدامها في المستقبل. يستخدم مركز بيانات AM3 التابع لشركة Equinix في أمستردام المياه الباردة من طبقات المياه الجوفية تحت الأرض، بالإضافة إلى تبريد الهواء مجانًا. مراكز البيانات الأخرى استخدام الحرارة المهدرة لتدفئة حمامات السباحة.
لا يستطيع الجميع الانتقال إلى منجم ملح، أو تركيب حمامات سباحة، ولكن يمكن لمديري تكنولوجيا المعلومات التخطيط الآن للاستثمار في تحسين تبريد مراكز البيانات. ويمكنهم التساؤل عما إذا كان موفرو الخدمات السحابية والمواقع المشتركة لديهم يستخدمون تكنولوجيا تبريد أرخص وأكثر نظافة.
