Hạ nhiệt trung tâm dữ liệu

Các công ty đang theo đuổi nhiều chiến lược làm mát và tăng hiệu suất cho các trung tâm dữ liệu của mình trước những khuyến nghị mới về khoảng nhiệt độ và độ ẩm chấp nhận được.

Ngâm thiết bị trong chất lỏng không dẫn điện để làm mát.

Ngày nay, với xu hướng điện toán đám mây, dữ liệu lớn thì vai trò của các trung tâm dữ liệu (TTDL) ngày càng trở nên quan trọng. Trong các TTDL, một lượng lớn các máy chủ hiệu năng cao được bố trí dày đặc sản sinh ra rất nhiều nhiệt trong quá trình vận hành. Để nâng cao độ tin cậy cho hệ thống máy tính và mạng truyền thông đòi hỏi phải giữ môi trường hoạt động mát mẻ. Hơn nữa, phải không làm tăng chi phí vận hành và lượng khí carbon thải ra. 

Hiện tại, các nhà quản lý công nghệ thông tin đã có nhiều tùy chọn và một danh sách các tiêu chuẩn để tham khảo. Các TTDL có thể kết hợp các phương pháp đơn giản (chẳng hạn như sắp xếp hợp lý các máy chủ và tủ dữ liệu thành các dãy thông nóng và lạnh) với các thành phần phức tạp hơn (ví dụ như những tháp giải nhiệt). Thậm chí một số nơi đã làm mát các máy tính bằng nước như vẫn thường được dùng trong thế giới máy tính lớn (mainframe). Một số TTDL còn dùng giải pháp làm mát bằng cách ngâm các máy chủ trong chất lỏng không dẫn điện.

Nhiều giải pháp làm mát đang được đề xuất, một phần xuất phát từ khả năng chịu đựng cao hơn về nhiệt và độ ẩm của các TTDL.

Trong những thập kỷ trước, các TTDL được kiểm soát chặt chẽ về môi trường hoạt động, với nhiệt độ vào khoảng 20 - 210C và độ ẩm ở mức cực thấp. Nhưng Hiệp hội các kỹ sư Mỹ về sưởi ấm, làm lạnh và điều hòa không khí (ASHRAE) - tổ chức đặt ra các tiêu chuẩn môi trường cho các TTDL, đã mở rộng phạm vi nhiệt độ khuyến nghị lên 270C và tăng ngưỡng độ ẩm lên cao hơn. 

Việc ASHRAE “nới lỏng” điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm đã kích thích các công ty tìm kiếm thêm những giải pháp làm mát mới cho các TTDL của họ. Chẳng hạn, một số tổ chức đã sử dụng phương pháp làm mát nhờ bay hơi. Theo Chris Sedore, CIO của trường đại học Syracuse University (Mỹ), sẽ rất khó để dùng phương pháp bay hơi giữ cho TTDL ở mức nhiệt độ 200C như yêu cầu trước đây, nhưng nay, điều kiện nhiệt độ tiêu chuẩn được nới lên 270C đã tạo ra khả năng cho những kỹ thuật như vậy.

Làm mát nhờ bay hơi giúp TTDL tiết kiệm năng lượng

REI, một nhà bán lẻ quy mô 2 tỷ đô la Mỹ có trụ sở chính đặt ở Seattle, Washington, sử dụng phương pháp làm mát nhờ bay hơi cho một TTDL mới được hoàn thiện vào cuối năm 2013, nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu khí ga gây hiệu ứng nhà kính.

Về mặt kinh doanh, dự án đã giúp tiết kiệm khối lượng điện tiêu thụ đủ để cung cấp năng lượng cho 6 cửa hàng trong một năm. REI mở khoảng 5 đến 8 cửa hàng mỗi năm, do vậy dự án góp phần mở rộng công ty. “Chúng tôi tiết kiệm năng lượng đủ để giữ nhịp phát triển cho công ty qua từng năm”, Kirk Myers, giám đốc trách nhiệm xã hội của REI, cho biết.

Giải pháp mới áp dụng giúp REI giảm được tới 93% năng lượng cần thiết để làm mát TTDL. Các thiết bị cũng sử dụng năng lượng hiệu quả hơn trong khi hoạt động.

Trong các TTDL, người ta đo hiệu quả sử dụng năng lượng PUE (Power Usage Effectiveness) để đánh giá hiệu suất của hệ thống làm mát. PUE được tính bằng tỉ số giữa tổng số năng lượng cung cấp và số năng lượng thực sự tiêu thụ. Hệ số này càng gần bằng 1 nghĩa là hiệu suất làm mát càng cao. Trong trường hợp của REI, TTDL có hệ số PUE là 2,4 trước khi có dự án. Với hệ thống làm mát mới, công ty kỳ vọng PUE đạt giá trị thấp hơn 1,4.

Việc tiết kiệm năng lượng của REI một phần nhờ có tháp giải nhiệt bằng nước bay hơi được lắp trên mái của tòa nhà TTDL. Trước đây, TTDL của REI được làm mát bằng hệ thống cơ thông gió, chuyên dùng trong nhà và không dùng nước.

TTDL của REI sử dụng hiệu quả nguồn tự nhiên để làm mát (free cooling) theo cách mở cửa để dẫn khí (mát) ngoài trời vào. Cách thức hoạt động của hệ thống như sau:

• Một máy bơm bơm nước lên đỉnh tháp giải nhiệt.
• Nước chảy qua một bộ lọc và khi tiếp xúc với không khí sẽ được làm mát nhờ bay hơi.
  
• Một ít nước bay hơi trong quá trình này; phần lớn nước còn lại chảy xuống tháp và đổ dồn vào một đường ống xoắn bên trong tòa nhà.
  
• Không khí được đẩy xuyên qua ống và làm mát TTDL.
  
• Nước sau đó được bơm trở lại tháp.
  

Hiệu quả làm mát của tháp giải nhiệt trong trường hợp này có được là nhờ khí hậu ở Seattle ôn hòa quanh năm trong khi độ ẩm thấp nên nước dễ bay hơi. (Với những nơi có độ ẩm cao, lượng nước bay hơi sẽ thấp nên làm mát theo cách này sẽ thiếu hiệu quả).

Những chất gây ô nhiễm không khí là một nhược điểm của các hệ thống làm mát nhờ bay hơi tiếp xúc với môi trường tự nhiên. Bộ lọc của tháp làm lạnh của REI  là để xử lý vấn đề này, nhằm sàng lọc các sợi bông, lông chim và những chất gây ô nhiễm khác. Bộ lọc tự làm sạch và thải tạp chất mỗi ngày một lần.

Thực tế, hệ thống làm mát nhờ bay hơi đã xử lý 99% nhu cầu làm mát TTDL của REI. Công ty chỉ dùng kèm một hệ thống làm mát bằng cơ khí tự động được kích hoạt thay cho hệ thống bay hơi trong những điều kiện thời tiết nóng và ẩm ướt đặc biệt, mỗi năm chỉ diễn ra khoảng vài giờ trong mùa hè.

Kết hợp nước lạnh với làm mát tự nhiên

Công ty DuPont Fabros Technology, chủ sở hữu và là nhà phát triển và vận hành các TTDL qui mô lớn, đang kết hợp các công nghệ làm mát cơ khí và bay hơi tại một TTDL mới đang được xây dựng tại Bắc Virginia (Mỹ).

TTDL Ashburn Corporate Campus ACC7 sẽ sử dụng một nhà máy làm lạnh nước bằng bay hơi với các bộ tỏa nhiệt bằng khung và tấm kim loại để tiết kiệm nước và các máy ly tâm làm lạnh hỗ trợ trong những tháng hè. Bob Rosenberger, phó chủ tịch phụ trách thiết bị TTDL của Dupont Fabros, tự hào xếp những máy làm lạnh này vào hàng "hiệu quả nhất… hành tinh".

Nhà máy sẽ sản xuất nước lạnh 20°C để làm mát TTDL. Theo Rosenberger, đây là bước đột phá so với cách làm lạnh kiểu truyền thống thường dùng nước lạnh tới khoảng 7°C. Trước đây, nước hấp thụ nhiệt từ các thiết bị trong TTDL sẽ đạt đến nhiệt độ 35°C trong dòng chảy trở lại. Thông thường, nước trở lại có nhiệt độ vào khoảng 12 – 18°C.

Tiêu chuẩn về nhiệt độ của nước cung cấp và quay lại đã được ASHRAE nâng lên cho các TTDL, sẽ cho phép ACC7 sử dụng cách thức làm mát tự nhiên cho khoảng 70% thời gian trong năm. Đó là vì nhiệt độ tại Virginia đủ thấp cho 70% số giờ trong một năm, cho phép các tháp và bộ giải nhiệt sản xuất ra nước lạnh 21°C.

"Đó là một thiết kế khác biệt, hết sức hiệu quả", Rosenberger cho biết.

Trong khi đó, TTDL Xanh (Green Data Center) của Syracuse với sự hợp tác của IBM lại áp dụng phương pháp làm mát khác, sử dụng nhiệt thải ra từ các tuốc bin nhỏ chạy bằng khí tự nhiên, tạo ra năng lượng. Hơi nước nóng 307°C từ ống thải tuốc bin được dẫn đến các máy làm lạnh hấp thụ. Hơi được hấp thụ trong một dung dịch lithi bromua và làm bay hơi nước, rồi được ngưng tụ lại trong một tháp giải nhiệt, theo Syracuse.

Một dòng nước mát với nhiệt độ được giữ trên mức tạo sương, khoảng 15°C, hướng đến TTDL, và chảy theo đường ống tới các bộ giải nhiệt đặt trong các tủ rack lắp máy chủ. Bộ giải nhiệt cửa sau Coolcentric có công suất làm mát khoảng từ 18 đến 24 kW, trong khi loại cửa hông có công suất chừng 30 kW. TTDL Xanh sử dụng 56 bộ giải nhiệt cửa sau và 5 bộ cửa hông.

Các máy xử lý không khí vẫn được sử dụng trong TTDL của Syracuse, nhưng là để kiểm soát độ ẩm và đem lại sự thoải mái cho nhân viên làm việc trong TTDL.

Minh họa cho các luồng khí: màu xanh là luồng khí lạnh thổi vào; màu đỏ là luồng khí nóng thoát ra hệ thông khí

Minh họa chi tiết cho các luồng khí lạnh và nóng.

Tăng hiệu suất làm mát TTDL bằng nhiều phương pháp

Các công ty đang tìm kiếm thêm nhiều phương pháp làm mát hiệu quả hơn nữa. Chẳng hạn như tại REI, cùng với hệ thống làm mát nhờ bay hơi, công ty còn kết hợp với các biện pháp ít sáng tạo hơn.

REI đã thay các quạt truyền động đai (belt-driven) bằng hệ thống quạt chuyển mạch EC (Electrically Commutated) để tăng cao hiệu suất lưu thông không khí trong TTDL của mình. Các quạt belt-driven thường được các hệ thống điều hòa không khí sử dụng trong TTDL. REI lắp các quạt EC dưới sàn nổi thổi khí lạnh làm mát các thiết bị đặt ngay phía trên.

Lượng cáp lớn chất đống trong khoảng không dưới sàn nhà cũng được bó gọn và sắp xếp ngay ngắn tạo thông thoáng cho luồng khí thổi vào. Hiệu suất làm mát của hệ thống còn được tăng tối đa nhờ khí lạnh được thổi vào các tủ rack chứa máy chủ phía trên, thông qua các lỗ thông gió của sàn nổi.

REI còn quan tâm đến các bộ phân phối nguồn (PDU) và các bộ cấp điện liên tục (UPS). Một khi UPS được đưa vào sử dụng, các bộ PDU sẽ dư thừa khá nhiều nên cần bỏ bớt. Các bộ UPS cũng được xem xét để cập nhật firmware và phần mềm nhằm tăng cường hiệu suất hơn nữa.

Với việc kết hợp nhiều phương pháp làm mát cho TTDL, REI đã tiết kiệm được 2,2 triệu kW giờ điện mỗi năm. Trong đó, tháp giải nhiệt và các biện pháp khác qui hoạch các dãy thông nóng và lạnh, giúp tiết kiệm khoảng 1,8 triệu kW giờ điện, trong khi công trình PDU/UPS tiết kiệm được 400.000 kW giờ điện.

TTDL cộng sự với bên ngoài

Một số TTDL đang có được cộng sự hiệu quả từ bên ngoài. Tại TTDL ACC7 của Dupont Fabros, khách hàng sẽ giữ một vai trò trong hệ thống làm mát cải tiến của công ty. Nhà điều hành TTDL sẽ ủy quyền cho các khách hàng ACC7 sử dụng các tủ rack thông khí hoặc chặn luồng nóng (Các hệ thống rack thông khí dẫn luồng hơi nóng lên hệ thống thông gió trên trần nhà. Với phương pháp chặn luồng nóng, các tủ rack chứa máy chủ được sắp xếp theo hướng xả hơi nóng thẳng vào một hành lang nóng và sau đó được dẫn tới hệ thống thông gió trên trần).

Theo đánh giá của Rosenberger, sự kết hợp các phương pháp làm mát sẽ giúp giảm giá trị hệ số PUE hàng năm xuống còn khoảng 1,13 hoặc thấp hơn.

Dupont Fabros đang tiến tới “xanh hóa” hệ thống làm mát. Các nhà máy làm mát nhờ bay hơi tại bốn TTDL ở khu vực Bắc Virginia của công ty đã được chuyển đổi để sử dụng nước tái dụng (reclaimed water) thay vì là nước sạch (uống được).

Việc sử dụng nước tái dụng kết hợp với cải thiện hệ số PUE sẽ giúp giảm chi phí cũng như bảo tồn tài nguyên. Chuyển sang dùng nước tái dụng sẽ giảm chi phí sử dụng nước khoảng 50 đến 65%. Khoản tiết kiệm này là làm lợi cho khách hàng, và đem đến giải pháp thân thiện với môi trường.

PCWorld VN, 05/2014