راهکار کاهش مصرف برق دیتاسنتر

امروزه با توجه به افزایش اهمیت داده ها و همچنین استفاده مردم از تکنولوژی ابری و Cloud استفاده از دیتاسنترها و مراکز داده نیز بسیار افزایش یافته است و بشر نیازمند این است که درباره کاهش مصرف برق دیتاسنتر فکرهای جدی تر کندو در مقاله های قبل در رابطه با این که دیتاسنتر چیست و یا 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 با تک دیتا همراه باشید .

در سال ۲۰۱۰، دیتاسنترهایی که در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گرفتند در یک ساعت، حدود ۱۹۴ تراوات برق مصرف می‌کردند که این میزان معادل یک درصد از مجموع انرژی برق مصرفی در جهان بود. طبق گزارش NRDC یا National Resource Defense Council، در سال 2013 دیتاسنترهای امریکا 91 میلیارد کیلووات ساعت برق مصرف کرده‌اند و تا سال 2020 این میزان به 140 میلیارد کیلووات ساعت در سال رسیده است که هزینه‌ای معادل با 13 میلیارد دلار را به دنبال دارد.

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

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

هوش مصنوعی

این کلمه شاید یک بار هم که شده به گوشتان خورده است . شرکت های بزرگی بر روی این تکنولوژی سرمایه گذاری کرده اند و البته میتوان گفت این تکنولوژی مخالفان و موافقان زیادی دارد . البته ما قصد نداریم در این مقاله به توضیح هوش مصنوعی بپردازیم ولی یک توضیح مختصر اگر داشته باشیم بد نیست ! هوش مصنوعی به هوشی گفته می شود که میتواند مانند انسان فکر کند  و میتواند برخی کارهای انسان را نیز انجام دهد .

سیستم‌های مجهز به فناوری یادگیری ماشینی از توان پردازشی بسیار بالایی بهره می‌برند، اما شرکت‌ها اخیرا به سمت استفاده از طراحی‌ها و الگوریتم‌هایی روی آورده‌اند که می‌تواند مصرف انرژی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد.

گوگل با استفاده از یادگیری ماشین(Machine Learning)، سهم عظیمی از پردازش اطلاعات را انجام می دهد و مبلغ قابل توجهی را برای تامین انرژی دیتاسنتر های خود می پردازد و 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 دهد 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 سریعتر داده ها ابداع می شود ولی باز هم سرعت ها در برابر پردازش های سنگین کافی نیست. بیشتر زمان اتلاف انرژی دیتاسنتر ها و مراکز داده به علت انتظار در تجهیزات و ذخیره‌سازی روی هارد است و بسیاری ضروری است 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 ذخیره سازی صرف کنند و یا حتی خاموش شوند 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 کمی‌برخوردارند و می‌توانند 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 بود می تواند 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 می‌شود. 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 می‌‌شود، برای شکل گرفتن واکنش، به اکسیژن نیز نیاز است. یکی از بزرگ‌ترین جذابیت‌‌های پیل سوختی این است که الکتریسیته با کمترین میزان آلودگی تولید می‌شود. در واقع، بیشترین میزان از اکسیژن و هیدروژن ورودی به پیل، در نهایت به شکل یک محصول فرعی بی‌‌خطر، یعنی آب، ترکیب خارج می‌‌شود. عملاً، هر پیل سوختی مقدار خیلی کمی جریان مستقیم برق تولید می‌‌کند و به همین دلیل تعداد زیادی پیل در دسته‌‌های بزرگی که پشته یا استک (Stack) نامیده می‌‌شوند برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

روزبه‌روز استفاده از Fuel Cell ها در دیتاسنترها برای کاهش مصرف انرژی و کاهش مصرف برق دیتاسنتر بیشتر می‌شود. Fuel Cell درواقع هیدروژن و اکسیژن شیمیایی را به آب تبدیل می‌کند و از گرمای تولیدی آن می‌توان در کولینگ و هیتینگ استفاده کرد. پس در کنار کاهش هزینه، گرمکن‌ها و خنک‌کننده‌ها را نیز به کار می‌اندازد. 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 راهکار دیتاسنتر را زیر آب راه اندازی میکنند مایکروسافت 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 نگه داشتن تجهیزات با توجه به دمای پایین عمق دریا اشاره نموده که عملا به کاهش مصرف برق دیتاسنتر منجر می شود و راه‌اندازی آنها را نیز ساده‌تر دانسته است. علاوه بر این به گفته این شرکت به دلیل نزدیکی به ساحل و کاهش فاصله با شهرها و مراکز دارای جمعیت، از میزان تاخیر (Latency) نیز کاسته می‌شود. ثبات و امنیت نیز از دیگر مزایای این پروژه می‌باشد که به سادگی توسط طوفان یا سایر عوامل محیطی اثر نمی‌پذیرد. در این راهکاراز آب خنک دریا برای خنک سازی دیتاسنتر ها استفاده می شود و  همچنین می‌توان از منابع انرژی مانند موج، باد، جزر و مد در تولید انرژی استفاده کرد.

Free Cooling

در فصول سرد سال می‌توان با استفاده از این سیستم و استفاده از 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 می‌گیرد.  برخی شرکت‌ها با حذف تجهیزات کولینگ، از مزایای Free Cooling استفاده می‌کنند که به جای هوای خنک شده از هوای محیط استفاده می‌کنند 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، در 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 و 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 می‌شود. 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 خنک‌کننده 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 می‌یابد. در این روش، از مایع رسانای گرما برای کاهش حرارت استفاده می‌شود. این روش نسبت به سیستم‌های تهویه با استفاده از هوا یا CRAC، نود درصد انرژی کمتری مصرف می‌کند.

Kyoto Cooling

این روش کولینگ، روشی منحصر بفرد است ده‌ها سال قدمت دارد. سیستم‌های خنک‌کننده‌ای که مخصوص دفاتر و ساختمان‌هاست 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 می‌کند 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 می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد.

Micro Data Centers

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