Is er een koelingprobleem?

In een recent onderzoek van Gartner geven datacenter managers aan dat het belangrijkste probleem in de nabije toekomst bestaat uit het gekoeld krijgen van de infrastructuur. Uit een andere studie (van het Uptime Institute) is gebleken dat tot 63% van de elektriciteitstoevoer naar een datacenter opgeslorpt wordt door het koelen van de infrastructuur.

IT-leveranciers slagen er in om steeds meer rekenkracht te bundelen in steeds kleiner wordende servers. Typerend voor deze trend is onder meer de komst van de blade servers, die door hun flexibiliteit en efficiënt plaatsgebruik steeds populairder worden. Bij talrijke blade projecten wordt de stroomtoevoer en bijhorende warmteontwikkeling al eens over het hoofd gezien, waardoor de facility manager na de implementatie al snel aan de alarmbel komt trekken bij de IT manager. Het probleem beperkt zich echter niet tot in-house server rooms; ook een aantal professionele datacenters zijn niet zo happig op high density computing oplossingen, en zien de blades – met bijhorend risico op hot spots – liever niet binnenkomen.

Analyse van koelingsproblematiek
Koeling wordt beïnvloed door tal van factoren, waaronder de ruimte onder de verhoogde vloer en eventuele blokkades in de luchtstroom door netwerk- en stroomkabels. Hoewel het mogelijk is om zelf een aantal metingen uit te voeren, is het bijzonder moeilijk om een diepgaand inzicht te krijgen in de luchtstroom binnen uw server room. Daarvoor kunt u een thermal modeling audit laten uitvoeren, waarbij men meetpunten opzet op verschillende locaties binnen de ruimte. Daardoor krijgt u een overzicht van de luchtstromen en potentiële hot spots (ophopingen van warme lucht).
Er bestaan verschillende strategieën om het koelingprobleem aan te pakken.

Cold corridor concept

In het verleden werd de koeling in server rooms vaak via hot-aisle/cold-aisle geïmplementeerd. In deze opstelling worden de servers gemonteerd zodat ze hun koude lucht aanzuigen vanuit een ‘koude gang’, en de opgewarmde lucht achteraan in een ‘warme gang’ wordt gestuwd. Die manier van werken was lange tijd afdoende in de meeste IT-omgevingen, maar heeft een aantal belangrijke nadelen, waaronder:

• De lucht bovenaan de ‘koude gang’ vermengt met lucht uit de ‘warme gang’ die over de racks heen naar de airconditioning wordt afgezogen. Servers of andere componenten die bovenaan een rack gemonteerd zijn, worden dus doorgaans minder goed gekoeld, en gaan minder lang mee.
 

• De lucht die ingeblazen wordt vanonder de verhoogde vloer, moet kouder zijn dan strikt noodzakelijk om ook het materiaal bovenaan de racks nog gekoeld te krijgen.
 

Het cold corridor principe bouwt verder op het klassieke model, maar optimaliseert de koeling van de IT-infrastructuur, door de koude en warme lucht strikt te scheiden. De ‘koude gang’ wordt volledig afgescheiden van de warmere delen van de serverzaal door een horizontale plaat boven de racks, en een aantal verticale wanden (met toegangsdeur). De koude lucht wordt vanonder de verhoogde vloer ingeblazen in de afgesloten koude gang. Op die manier kunnen de servers alléén gekoelde lucht binnentrekken, en is er op geen enkel moment een vermenging van warme en koude lucht. Als gevolg hiervan kan efficiënter omgegaan worden met de koelcapaciteit, omdat het ook niet meer noodzakelijk is om de inkomende luchtstroom extra te koelen . Bovendien is het mogelijk om het cold corridor concept vrij eenvoudig te implementeren in een bestaande server room. Zo zijn er een aantal leveranciers die gespecialiseerd zijn in het monteren van afschermplaten en toegangsdeuren, zodat u ook in een bestaande datacenterinfrastructuur een ‘cold corridor’ kan opstellen.
 

Waterkoeling

De combinatie van een grote elektriciteitstoevoer met waterleidingen binnen dezelfde ruimte lijkt op het eerste inzicht weinig voor de hand liggend. Maar door de grote soortelijke warmte en dichtheid van water ten opzichte van lucht, is waterkoeling in de meeste gevallen efficiënter dan luchtkoeling. Het nadeel van waterkoeling is uiteraard dat de benodigde infrastructuur wat complexer is dan bij een klassieke ventilatorgebaseerde luchtkoeling.
De meest toegankelijke manier om waterkoeling te introduceren, bestaat uit een interne waterkoeling die telkens één of twee racks gaat koelen. Bij deze manier van werken wordt er typisch een extra kast toegevoegd, waarin dan een apart, gesloten koelcircuit is voorzien. Deze extra kast kan bestaan uit een smalle module (ongeveer 30 cm) ter hoogte van een rack, die naast (of achter) een server rack gemonteerd wordt.

In deze opstelling is er een aparte water/lucht heat exchanger, die de lucht wegzuigt achteraan de server rack, instaat voor de koeling van de lucht, en de afgekoelde lucht opnieuw vooraan de (gesloten) server rack inblaast. Op die manier staat het watercircuit volledig los van de server rack, en is er geen enkel risico op lekken. De voordelen van deze oplossing zijn onder meer:

• Het systeem is compatibel met alle servers en IT-infrastructuur, want het staat op zich.

• Koude lucht wordt perfect verspreid over het rack.

• Grote koelcapaciteit (2,5 tot 35 kw en hoger).

• Het systeem is niet afhankelijk van een verhoogde vloer.

Voor waterkoeling is een belangrijk nadeel dat er een aantal leidingen moeten worden geïnstalleerd die het water transporteren tussen de server room en de chiller, die instaat voor het afkoelen van dat water.

Dynamisch koelen van datacenters

De meeste datacenter managers gaan zeer inefficiënt om met de koeling van het datacenter, waarbij ze de volledige ruimte ‘onderkoelen’ om een beperkt aantal hotspots te vermijden. Op die manier gaat kostbare energie letterlijk in lucht op.
Het nieuwe concept van ‘dynamisch koelen’ bekijkt de problematiek op een volledig andere manier: er worden op verschillende hoogtes en op verschillende locaties binnen de server room meetpunten gemonteerd, die constant feedback geven naar een centraal beheerssysteem. Dat centrale beheerssysteem stuurt de airconditioningsystemen aan, en kan de koelcapaciteit variabel aanpassen waar en wanneer dat nodig is, door bijvoorbeeld de fansnelheden van de verschillende airco’s aan te passen. Op die manier kan de beheerssoftware beslissen om extra koelcapaciteit richting een rack gevuld met blade servers te sturen, en zal de koelaanpak ook aangepast worden wanneer nieuwe servers toegevoegd worden in de server room.
Leveranciers van oplossingen gebaseerd op dynamisch koelen beweren dat het een besparing van 20 tot 25% op de operationele kosten voor koeling kan opleveren. De éffectieve besparing zal natuurlijk afhangen van de specifieke situatie en indeling van het datacenter.
Moderne servers zijn ondertussen ook zelf in staat om warmteontwikkeling op te meten of in te schatten, en hun koelingscapaciteit aan te passen via de snelheid van de ventilatoren. Nieuwe blade enclosures, bijvoorbeeld, weten op welke locaties een blade draait, of die zwaar belast is, en hoeveel koeling daarvoor nodig is. Op die manier wordt kostbare energie bespaard. 

Free cooling
Hoewel we koeling niet onmiddellijk als de meest milieuvriendelijke activiteit kunnen bestempelen, kunnen we in bepaalde gevallen toch assistentie krijgen van moeder natuur. Als de buitentemperatuur lager is dan de gewenste temperatuur in het datacenter, dan kan het efficiënt zijn om gebruik te maken van de natuurlijke omgevingstemperatuur. Dit impliceert geenszins dat buitenlucht rechtstreeks naar binnen wordt gesluisd. Zo kunnen namelijk ook storende elementen en vervuiling naar binnen komen, wat dan weer een nefaste invloed zou hebben op de IT-infrastructuur in het datacenter. Free cooling wordt meestal geïmplementeerd via een chiller (het toestel dat instaat voor de effectieve afkoeling) die buiten het datacenter staat, in een magazijn of zelfs buiten de bedrijfsgebouwen. Wanneer de chiller voelt dat de buitentemperatuur lager is dan de gewenste temperatuur in het datacenter, dan maakt hij gebruik van de (gratis) koelcapaciteit van de buitenlucht.
Er zijn twee factoren die free cooling in de hand werken:
• De gewenste temperatuur binnen het datacenter: wanneer u de te bereiken temperatuur op een gecontroleerde manier iets kan verhogen, wordt de kans groter dat u gebruik kan maken van free cooling.
• De buitentemperatuur: zelfs onze weermannen kunnen anno 2008 nog steeds niet de buitentemperatuur beïnvloeden, dus hier is men afhankelijk van het lokale klimaat. Dit verklaart wel de stijgende populariteit van noordelijke landen (zoals IJsland) als locatie voor nieuwe datacenters, omdat de buitentemperatuur zich daar gemiddeld veel meer leent tot free cooling.
 

Holistische aanpak

De energie die nodig is om de warmteontwikkeling van IT-infrastructuur te koelen, is lineair afhankelijk van de hoeveelheid warmte die geproduceerd wordt. De beste manier om de koelingsfactuur omlaag te halen, is dan ook in de eerste plaats minder warmte te produceren. Dat kan door het aantal fysieke servers in uw park te verminderen via een consolidatieproject. Virtualisatie mag ondertussen als een proven technology beschouwd worden, die ervoor zorgt dat machines die niet optimaal gebruikt worden (bijvoorbeeld omdat hun gemiddeld CPU-verbruik niet boven 10% komt), geconsolideerd kunnen worden op een beperkt aantal servers.

Als we het over de waarde van de verschillende koelingsstrategieën zélf hebben, bestaat er geen uniform advies, en moet het datacenter in kwestie en de achterliggende IT-strategie altijd individueel bekeken worden. Zo zal het in een bestaande server room weinig waarschijnlijk zijn dat een volledige conversie naar waterkoeling de meest efficiënte aanpak is. Een gerichte en specifieke implementatie van watergekoelde racks voor een aantal hotspots (bijvoorbeeld racks met een aantal enclosures gevuld met blade servers) kan al een antwoord bieden. De strikte scheiding van de koude en warme luchtstromen via een cold corridor principe zal in een aantal andere gevallen reeds afdoende zijn.

Staat u voor de bouw van een nieuw datacenter of een server room, pak de koelingsproblematiek dan breed genoeg aan, en denk dan aan een beheerssysteem dat dynamisch de koelcapaciteit kan aanpassen naar gelang de noden binnen de zaal.