در دنیای دیجیتالی امروزی، هیچ چیز بدون داده اجرا نمی شود. از خدمات استریم و پلتفرم های رسانه های اجتماعی گرفته تا تجارت الکترونیک و محاسبات ابری، افزایش بی امان در تولید داده به این زودی ها کاهش نمی یابد. آخرین تخمین ها حجم داده های تولید شده در روز را در حدود 328.77 میلیون ترابایت، با پیش بینی جهانی برای سال 2025 به 180 زتابایت می رسد.
برای زمینه، 1 زتابایت برابر با 1 میلیارد ترابایت داده است – و به همان اندازه که این اعداد برجسته هستند، انتظار می رود که حتی بیشتر هم شوند. این تعجب آور نیست، به خصوص زمانی که در نظر بگیرید در چند دهه گذشته داده های بیشتری نسبت به تاریخ بشر ایجاد شده است.
با این حال، این رشد تصاعدی با یک قیمت همراه است – افزایش موازی تقاضا برای مراکز داده برای ذخیره، پردازش و توزیع همه این داده ها.
مربوط: پروژه COOLERCHIPS چالش خنکسازی تراشههای مراکز داده را پذیرفته است
و با افزایش تقاضا برای مراکز داده، تقاضا برای انرژی برای راه اندازی این مراکز داده و خنک نگه داشتن آنها به طوری که بیش از حد گرم نشوند و آسیب نبینند یا خراب نشوند، نیز افزایش می یابد. به همین دلیل است که آژانس پروژه تحقیقاتی پیشرفته وزارت انرژی ایالات متحده – انرژی (ARPA-E) این پروژه را ایجاد کرد تراشه های خنک کننده برنامه: “توسعه فن آوری های خنک کننده تحول آفرین، بسیار کارآمد و قابل اعتماد برای مراکز داده.”
چالش های خنک نگه داشتن مرکز داده
ذخیره سازی داده ها به ویژه از نظر ردپای محیطی هزینه دارد. این ردپاها از مصرف انرژی، مصرف آب تا حتی چرخه عمر سخت افزار را شامل می شود. آ بررسی جامع تخمین های انرژی مرکز داده که توسط دیوید میتون و ماسائو اشتین نوشته شده است نشان می دهد که مراکز داده تقریباً 1 تا 2 درصد انرژی جهانی را مصرف می کنند. 2 درصد از کل برق مصرفی در ایالات متحده.
با این حال، بخش قابل توجهی از این انرژی به یک تابع حیاتی اختصاص دارد: خنک کردن مراکز داده. کامپیوترهای قدرتمند هنگام پردازش و ذخیره مقادیر انبوه داده، گرمای زیادی تولید می کنند و اگر این دما کنترل نشود، گرمای بیش از حد ممکن است رخ دهد و به تجهیزات سرور آسیب برساند و باعث خرابی شود.
مربوط: رویکرد منحصر به فرد پروژه HomeDUCS برای خنک نگه داشتن مراکز داده مدولار
موشه تانچ، بنیانگذار و مدیر عامل NeuReality، هنگامی که در مورد چالش های فعلی با مراکز داده خنک کننده سؤال شد، گفت: دانش مرکز داده: “انرژی خنک کننده مرکز داده یک اثر جانبی مصرف انرژی زیرساخت محاسباتی و اتلاف گرما است. به همان اندازه که یک قطعه حیاتی در مراکز داده است، مشکل بزرگتری که باید به آن پرداخته شود منبع گرما است – زیرساخت محاسباتی.”
به گفته تاناخ، بزرگترین عامل افزایش گرمایی که مراکز داده تولید میکنند، سیستمهای شتابدهنده یادگیری عمیق (DLA) مانند GPU، واحدهای پردازش تانسور (TPU) و غیره هستند. و زمانی که هوش مصنوعی مولد و مدلهای زبان بزرگ تولید میشوند، بدتر میشود [LLMs] استقرار آنها را گسترش دهیم.”
خنک کننده برای عملکرد مرکز داده بسیار مهم است، شبیه به نیاز به فن یا تهویه مطبوع برای خنک نگه داشتن خود در یک روز گرم تابستان در غیر این صورت ممکن است از گرمازدگی رنج ببرید. به همین دلیل است که به طور متوسط، بیش از 40 درصد انرژی مصرف شده توسط این مراکز داده صرف تامین انرژی سیستم های خنک کننده و تهویه می شود. و چه یک واحد تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر (CRAC)، یک واحد کنترل هوای اتاق کامپیوتر (CRAH)، مبدل های حرارتی درب عقب، یا خنک کننده با انبساط مستقیم (DX)، این سیستم های خنک کننده ارزان نیستند.
ولادیمیر گالبوف، مدیر تحقیقات مرکز ابر و داده در شرکت تحقیقاتی Omdia، موافق است که یک چالش بزرگ برای خنک کردن مرکز داده، کاهش مصرف انرژی تهویه مطبوع و سرورهای خنک کننده فن ها است. گالبوف “بیش از یک دهه است که بزرگترین اپراتورهای مرکز داده روش هایی را برای خنک کردن کارآمدتر سرورها آزمایش می کنند. یکی از راه های آزمایش، جنبه مکانیکی خنک کننده است – فن ها. فن های سرور سهم قابل توجهی از برق مصرفی سرور را مصرف می کنند.” گفت دانش مرکز داده. حذف کامل فن ها و تنها استفاده از خنک کننده مایع یا استفاده از ترکیبی از فناوری های خنک کننده مانند مبدل حرارتی درب عقب به علاوه خنک کننده مستقیم به تراشه، راه دیگری است که در حال بررسی است.
او افزود: “انتظار دارم که بهینه سازی پیرامون اجزای مکانیکی محاسبات و تبدیل توان، دو راه کلیدی برای بهره وری مرکز داده باشد که توسط اپراتورهای مرکز داده بررسی خواهد شد.” بهتر است به جای استفاده از یک پردازنده کم قدرت، کارایی اجزای غیر حیاتی را بهبود بخشید.
مربوط: آیا خنک کننده تراشه پاسخی به پایداری مرکز داده است؟
آ گزارش بینش بازارهای جهانی در بازار خنک کننده مرکز داده نشان داد که در سال 2022، اندازه بازار 10 میلیارد دلار بود. این گزارش همچنین اشاره کرد که نیاز فوری به کاهش ردپای کربن مراکز داده (که در حال حاضر بیش از 1٪ از انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با انرژی جهانی و 3 درصد در آمریکا.) اجرای سیستم های خنک کننده با انرژی کارآمد را هدایت می کند.
دور شدن از طرحهای مرکز داده قدیمی
جدای از مصرف انرژی، مصرف غیرمستقیم و مستقیم اب برای تولید برق یا خنک کننده مراکز داده نیز خطر آب و هوا را به همراه دارد اگر بدون علامت به کار خود ادامه دهد. این را برونو برتی، معاون ارشد محصولات و بازار در مراکز داده جهانی NTT تکرار کرد، که گفت: دانش مرکز داده که طراحی های قدیمی مرکز داده از “فناوری خنک کننده تبخیری که آب زیادی را هدر می دهد” استفاده می کند. در حالی که برتی اعتراف کرد که این فناوریهای قدیمی «بسیار کارآمد هستند و به خنک کردن مراکز داده کمک میکنند، [they are] بدیهی است که از منظر آب بسیار اسراف کننده است،” او افزود که بر اقلیم به روش های نامطلوب تأثیر می گذارد.
به گفته برتی، به همین دلیل است که مراکز داده جهانی NTT از فناوریها و تکنیکهای خنککننده تبخیری به سمت چیلرهای هوا خنک حرکت کردند – یک سیستم آبی بسته که آب را هدر نمیدهد.
برنامه COOLERCHIPS
برتی بر اهمیت استفاده از راهحلهای خنککننده پیشرفته مانند چیلرهای هوا خنک که میتواند خنکسازی مرکز داده را بهبود بخشد و هزینهها را کاهش دهد، تاکید کرد.
مربوط: چگونه پیشرفت در مدیریت حرارتی می تواند خنک سازی مرکز داده را متحول کند؟
اینجاست که برنامه COOLERCHIPS (که مخفف Cooling Operations Optimized for Leaps in Energy, Reliability, and Carbon Hyperefficiency for Information Processing Systems) می تواند کمک کند. ARPA-E برنامه COOLERCHIPS را طراحی کرد تا با استفاده از فناوری های پیشرفته و اجرای استراتژی های انرژی کارآمد برای کاهش کل انرژی مورد نیاز برای خنک کردن مراکز داده در هر مکان ایالات متحده، خنک کننده مرکز داده را متحول کند.
با بودجه 42 میلیون دلاری برای این برنامه، 15 پروژه مستقر در دانشگاه ها، مشاغل و آزمایشگاه های ملی کمک های مالی برای توسعه راه حل های خنک کننده با کارایی بالا و کارآمد برای مراکز داده دریافت خواهند کرد. برخی از دریافت کنندگان شامل انویدیا، دانشگاه کالیفرنیا، هیولت پاکارد (HP)، دانشگاه آرکانزاس، اینتل فدرال، و دانشگاه پردو هستند، با کمک مالی بین 1.2 تا 5 میلیون دلار برای هر دریافت کننده.
اینها پروژه ها بر توسعه فناوریهایی مانند اجزای حلقه خنککننده ثانویه، نرمافزار سیستم خنککننده، سیستمهای خنککننده برای مراکز داده ماژولار/لبه، و حتی امکانات پشتیبانی برای آزمایش فناوریهای جدید نظارت خواهد کرد – که همه برای کاهش توان مصرفی برای خنکسازی صرفاً طراحی شدهاند. 5٪ از کل انرژی مصرفی مرکز داده، در مقابل 33٪ تا 40٪ که در حال حاضر برای خنک کردن استفاده می شود.
به نوبه خود، این کاهش ردپای کربن عملیاتی این مراکز داده را کاهش می دهد و به پایداری محیطی کمک می کند.
جنیفر ام. گرانهولم، وزیر انرژی ایالات متحده، گفت: «ایجاد راهحلهایی برای خنکسازی کارآمد مراکز داده و کاهش انتشار کربن مرتبط، از پیشرفتهای تکنولوژیکی مورد نیاز برای مبارزه با تغییرات آبوهوایی و تأمین امنیت آینده انرژی پاک ما پشتیبانی میکند».
مربوط: آیا نرم افزار DCIM می تواند تلاش های پایداری مرکز داده را هدایت کند؟
برای گالبوف، “هر تحقیق و بودجه ای که بتواند کارایی داده ها را فراهم کند، بسیار مورد استقبال قرار می گیرد.” اما، او افزود، “این که برنامه چقدر موفق خواهد بود بستگی به جذابیت نوآوری هایی دارد که در نتیجه تامین مالی توسعه می یابد.”
یکی از نگرانیهای بزرگی که گالبوف به بسیاری از پروژههای COOLERCHIPS توجه نمیکند، در دسترس بودن مایعات غیرسمی و مقرون به صرفه برای خنککننده مایع است. وی گفت: این منطقه نیازمند توسعه است. “این چیزی است که همه ما باید به آن اهمیت دهیم.”
گالبوف نتیجه گرفت که به دلیل حجم عظیم الکتریسیته ای که توسط مراکز داده استفاده می شود، حتی تغییرات کوچک نیز می تواند تفاوت های بزرگی ایجاد کند. او گفت که در صنعتی که سالانه 3 تریلیون دلار برای قبض برق هزینه می کند، حتی کاهش 5 یا 10 درصدی مصرف برق منجر به صرفه جویی زیادی در هزینه های مرکز داده و بهبود کارایی می شود.