راهکارهای مهم کاهش مصرف برق دیتاسنتر و مراکزداده

کاهش مصرف برق دیتاسنتر یکی از مهم‌ ترین چالش‌های امروز مدیریت مراکز داده است؛ زیرا با توجه به افزایش اهمیت داده ها و همچنین گسترش استفاده از تکنولوژی ابری (Cloud)، میزان بکارگیری از دیتاسنترها و مراکز داده نیز رشد چشمگیری داشته است، در نتیجه مدیریت مصرف برق مراکز داده به یکی از اولویت‌های اصلی تبدیل شده است. همانطور که می دانید در مقاله های پیشین در رابطه با مواردی نظیر “دیتاسنتر چیست” و “یک اتاق سرور استاندارد باید چه ویژگی هایی داشته باشد” صحبت کرده ایم. در این مقاله قصد داریم روش هایی را برای کاهش برق دیتاسنتر ها و مراکز داده شرح دهیم در نتیجه با تک دیتا همراه باشید.

نگاهی به بهینه سازی مصرف برق دیتاسنترها در سطح جهان

در سال ۲۰۱۰، دیتاسنترهای مورد استفاده در سراسر جهان در هر ساعت حدود ۱۹۴ تراوات‌ ساعت برق مصرف می‌کردند؛ رقمی که نزدیک به یک درصد از کل مصرف برق جهانی را شامل می‌ شد. طبق گزارش NRDC یا National Resource Defense Council، در سال 2013 دیتاسنترهای امریکا 91 میلیارد کیلو وات ساعت برق مصرف می کردند و تا سال 2020 این میزان به 140 میلیارد کیلو وات ساعت در سال رسیده است که هزینه‌ای معادل با 13 میلیارد دلار را به دنبال دارد.

با این حال که حجم کار دیتاسنترها به نسبت 10سال پیش، حدود 6 برابر شده است؛ اما این مسئله تغییر بسیار کمی را در میزان مصرف انرژی توسط این دستگاه به‌ وجود آورده است؛ چراکه امروزه از فناوری‌های پیشرفته‌ای در این دستگاه استفاده می‌ شود که می‌ توانند با کمترین انرژی، بیشتری میزان بازدهی را داشته باشند.

راه کار هایی مانند مجازی سازی سرور می تواند در مدیریت هزینه ها و همچنین افزایش بازده و کارایی کمک کننده باشد؛ اما در کنار این ها امروزه برای کاهش میزان مصرف برق، از تکنولوژی‌هایی نظیر Liquid Cooling و Hot Aisle Isolation استفاده می‌ شود.

۷ راهکار نوین برای کاهش مصرف برق دیتاسنتر

در این بخش می خواهیم شما را با ۷ راهکار نوین برای کاهش مصرف برق دیتاسنتر آشنا کنیم که می‌ توانند مصرف انرژی تا بالاترین حد ممکن بهینه کرده و کارایی مراکز داده را افزایش دهند. این روش‌ها شامل فناوری‌های پیشرفته، راهکارهای سرمایش و طراحی هوشمند دیتاسنترها می باشند که در ادامه با این تکنیک‌ها و کاربردهای آن‌ها بیشتر آشنا خواهید شد.

سیستم‌های مجهز به فناوری یادگیری ماشین، از توان پردازشی بسیار بالایی بهره می‌برند؛ اما شرکت‌ها اخیرا به سمت استفاده از طراحی‌ها و الگوریتم‌هایی روی آورده‌اند که می‌ تواند مصرف انرژی را به‌ طور قابل‌ توجهی کاهش دهد.

گوگل با استفاده از یادگیری ماشین (Machine Learning) سهم عظیمی از پردازش اطلاعات را انجام داده و مبلغ قابل توجهی را برای تامین انرژی دیتاسنتر های خود می پردازد تا باعث کاهش مصرف برق دیتاسنتر خود می شود. گوگل در سال 2014 مبلغ 600 میلیون دلار برای یک شرکت هوش مصنوعی بریتانیایی با نام Deep Mind صرف کرده است که نتایج بهتری را در این زمینه در پی داشته است. این شرکت توانسته تا 40 درصد مصرف خود را کاهش داده و استفاده بهینه از انرژی یا PUE را تا 15 درصد بهبود بخشد. برای این کار گوگل از شبکه‌های عصبی و تحلیل داده استفاده کرده است.

با این که روز به روز دستگاه های دخیره سازی جدیدی به منظور ذخیره هرچه سریع تر داده ها ابداع می شود؛ اما همچنان سرعت آن ها در برابر حجم بالای پردازش های سنگین کافی نیست. بیشتر زمان اتلاف انرژی دیتاسنترها و مراکز داده به علت انتظار در تجهیزات و ذخیره‌سازی روی هارد است و بسیار ضروری می باشد که با مصرف بهینه تر در امر کاهش مصرف برق دیتاسنتر راه های عملی بیشتری را مد نظر قراردهیم. اگر در این میان بتوان راهکاری را به وجود آورد که دستگاه های ذخیره ساز زمان کم تری را برای انجام عملیات خود صرف کنند یا حتی در برخی دوره‌ها خاموش باشند، صرفه جویی انرژی به شدت افزایش خواهد یافت. در مجموع باید گفت که یکی از بهترین راهکارها، طراحی و توسعه دستگاه‌های جدیدی است که علاوه بر توان محاسباتی بالا، از مصرف انرژی کمی‌ برخوردارند و می‌ توانند فرآیند پردازش حجم زیادی از اطلاعات را با کمترین میزان مصرف انرژی به انجام برسانند تا کاهش مصرف برق دیتاسنتر بیشتر صورت پذیرد.

Fuel Cell یا پیل سوختی

امروزه نقش انرژی‌های نو و تجدیدپذیر در تولید انرژی الکتریکی بر کسی پوشیده نیست، این انرژی ها علاوه بر پاک بودن میتوانند در کاهش مصرف برق دیتاسنتر و مراکز داده نقش بسزایی داشته باشند. در کنار انرژی‌های خورشیدی، بادی، زمین‌گرمایی و زیست‌توده، انرژی حاصل از پیل سوختی نیز اهمیت فراوانی پیدا کرده است. پیل سوختی دستگاهی است که از طریق یک واکنش شیمیایی برق تولید می‌‌کند. همه پیل‌‌های سوختی دو قطب الکتریکی (الکترود) به نام آند و کاتد دارند. در واقع، واکنش‌‌های شیمیایی در این الکترودها صورت می‌‌گیرد و منجر به تولید الکتریسیته می‌ شود. علاوه بر این، هر پیل سوختی الکترولیت و کاتالیست نیز دارد؛ نقش الکترولیت جابه‌جایی ذرات باردار بین الکترودها است، در حالی که کاتالیست سرعت واکنش‌‌ها را در الکترودها افزایش می‌‌دهد.

با اینکه هیدروژن سوخت اصلی ورودی پیل‌‌ محسوب می‌‌ شود، برای شکل گرفتن واکنش، به اکسیژن نیز نیاز است. یکی از بزرگ‌ترین جذابیت‌‌های پیل سوختی این است که الکتریسیته با کمترین میزان آلودگی تولید می‌ شود. در واقع، بیشترین میزان از اکسیژن و هیدروژن ورودی به پیل، در نهایت به شکل یک محصول فرعی بی‌‌خطر (آب) ترکیب خارج می‌‌ شود. عملاً هر پیل سوختی مقدار خیلی کمی جریان مستقیم برق تولید می‌‌ کند و به همین دلیل تعداد زیادی پیل در دسته‌‌های بزرگی که پشته یا استک (Stack) نامیده می‌‌ شوند برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌‌ گیرند.

روز به‌ روز استفاده از Fuel Cell ها در دیتاسنترها برای کاهش مصرف انرژی و کاهش مصرف برق دیتاسنتر بیشتر می‌ شود. Fuel Cell در واقع هیدروژن و اکسیژن شیمیایی را به آب تبدیل می‌ کند و از گرمای تولیدی آن می‌ توان در کولینگ و هیتینگ استفاده کرد. پس در کنار کاهش هزینه، گرمکن‌ها و خنک‌کننده‌ها را نیز به کار می‌ اندازد. شاید برایتان جالب باشد که بدانید شرکت‌هایی چون AT&T، eBay ، مایکروسافت و اپل از این روش استفاد کرده‌اند.

دیتاسنترهای Underwater 

همان طور که از نام این نوع فناوری پیداست، در این نوع فرآیند دیتاسنتر را زیر آب راه اندازی می کنند. شرکت مایکروسافت نیز در پروژه Project Natick خود از ایده قرار دادن دیتاسنتر در آب دریا استفاده کرده است. مایکروسافت با برشمردن مزایای قرارگیری دیتاسنترها در عمق آب، به کاهش شدید هزینه‌ خنک سازی تجهیزاتبه دلیل دمای پایین عمق دریا اشاره نموده است موضوعی که عملا به کاهش مصرف برق دیتاسنتر منجر می شود. این شرکت همچنین راه‌اندازی چنین مراکزی را نیز ساده دانسته است. علاوه بر این به گفته ماکروسافت به دلیل نزدیکی به ساحل و کاهش فاصله با شهرها و مراکز دارای جمعیت، از میزان تاخیر (Latency) نیز کاسته می‌ شود. ثبات و امنیت نیز از دیگر مزایای این پروژه می‌ باشد که به سادگی توسط طوفان یا سایر عوامل محیطی اثر نمی‌ پذیرد. در این راهکار از آب خنک دریا برای خنک سازی دیتاسنتر ها استفاده می شود.  همچنین می‌توان از منابع انرژی مانند موج، باد، جزر و مد در تولید انرژی استفاده کرد.

Free Cooling

در فصول سرد سال می‌ توان با استفاده از این سیستم و سرمای هوای محیط خارج از ساختمان، نسبت به سرد کردن آب در گردش اقدام نمود و باعث کاهش مصرف برق دیتاسنتر و تجهیزات جانبی شد. فری کولینگ (Free Cooling) عمدتاً در سیستم‌های تهویه مطبوع صنعتی مورد استفاده قرار می‌ گیرد. برخی شرکت‌ها با حذف تجهیزات کولینگ، از مزایای Free Cooling استفاده می‌ کنند که به جای هوای خنک شده از هوای محیط استفاده می‌ کنند تا گرما را کم کنند. شاید برایتان جالب باشد که بدانید در سال  2013 فیس بوک دیتاسنتر خود را در قطب شمال تاسیس کرد.

در روش آبی فری کولینگ اتاق سرور (چیلر تراکمی + خنک کننده InRow و یا پکیج مخابراتی)، در صورتی که دمای محیط بیرون به طور نسبی، کمتر از دمای آب سرد برگشتی باشد، می توان با استفاده از هوای محیط بیرون و مبدل های حرارتی هوائی، آب چیلد را تولید و ذخیره نمود یا به صورت آنی مورد استفاده قرار داد. در روش هوائی، زمانی که دمای هوای بیرون، از دمای هوای مورد نیاز در فضا کمتر باشد، می توان با استفاده از مبدل های حرارتی هوا به هوا یا انتقال مستقیم هوای بیرون پس از پردازش و غبارزدایی، سرمای محیط بیرون را به داخل فضا منتقل نمود.

سرمایش بامایع مخصوص (Liquid Cooling)

در این تکنولوژی از مایعات برای تخلیه گرما از محیط استفاده می‌ شود. خنک سازی دیتاسنترها با مایع به راهکارهایی اشاره دارد که اجزای سرورها (مانند پردازنده ها) را در معرض مایعات قرار می‌دهند تا آنها را خنک‌تر کنند. در مقایسه با خنک‌کننده‌های فن دار، سیستم خنک‌ کننده مایع بهترین راه‌حل برای حذف گرما است و راهی برای کاهش مصرف برق دیتاسنتر است. شیوه کار تمام خنک کننده های مایع توسط قانون ترمودینامیک تعریف می شود. طبق این قانون، گرما از جسم گرم به جسم سرد انتقال می‌ یابد. در این روش، از مایع رسانای گرما برای کاهش حرارت استفاده می‌ شود. این روش نسبت به سیستم‌های تهویه با استفاده از هوا یا CRAC، نود درصد انرژی کمتری مصرف می‌ کند.

Kyoto Cooling

این شیوه کولینگ روشی منحصر بفرد بوده که ده‌ها سال قدمت دارد، همان سیستم‌ خنک‌کننده‌ای که مخصوص دفاتر و ساختمان‌ طراحی شده و در سیستم‌های HVAC کاربرد دارد. در این روش از چرخ حرارتی آلومینیومی استفاده می‌شود که وظیفه خنک کردن هوا را هنگام کشیده شدن به داخل ساختمان دارد. در Kyoto Cooling که بر اساس همین ایده قدیمی کار می‌ کند فن‌ها گرما را از سرورها می‌کشد و به سیستم Kyoto می‌دهد تا همانند چرخ حرارتی، گرما را جذب کرده و هوای خنک شده را به دیتاسنتر بازگرداند. این روش نسبت به روش‌های دیگر تا 92 درصد می‌ تواند مصرف انرژی را کاهش دهد.

Micro Data Centers

برای پاسخ به نیازهای روزافزون محاسبه و اینترنت اشیا، میکرو دیتاسنترها پیاده‌سازی می‌ شود. میزان مصرف برق در این دیتاسنتر نسبت به دیتاسنترهای متمرکز 15 درصد کمتر است که در کل، هزینه‌های عملیاتی را تا 50 درصد کاهش می‌ دهد. انتظار می‌ رود میکرو دیتاسنترها  تا مبلغ 6.3 میلیارد دلار در بازار رشد داشته باشند. میکرو دیتاسنترها دارای سیستم های اطفا و اعلام حریق و سیستم های برق اضطراری ups هستند که می‌ توانند در هزاران مکان مختلف در سراسر زمین قرار گیرند و مکان کاربر نهایی نیز در آن مطرح نیست.