Ключевые тренды “зеленых” дата-центров

Мы живем в эпоху, где цифровая инфраструктура стала неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Серверы, маршрутизаторы, коммутаторы, километры кабелей и другие технологии поддерживают все: от потокового видео на TikTok и YouTube до обмена сообщениями с друзьями и коллегами. Они обеспечивают видеозвонки на Zoom, совершают покупки и банковские операции, позволяют слушать музыку, подкасты и наслаждаться вечерними шоу, размещенными в центрах обработки данных.

Эта масштабная сеть вычислительных и хранилищных ресурсов распределена примерно по 7086 дата-центров по всему миру, из которых почти половина расположена в Соединенных Штатах. Сегодня на центры обработки данных приходится около 3-5% мирового энергопотребления по разным оценкам и примерно 2% выбросов парниковых газов, что сопоставимо с выбросами крупнейших авиакомпаний.

Цифровая инфраструктура обеспечивает нашу связь, работу и социализацию, открывая невиданные ранее возможности. Однако её развитие сопровождается значительными экологическими издержками. Дата-центры стали крупными источниками выбросов парниковых газов, потребляют огромное количество воды и производят значительные объемы электронных отходов. Их влияние на окружающую среду — это вызов, который требует инновационных решений для достижения устойчивого цифрового будущего.

Определение курса «зеленых» центров обработки данных

Экологичный центр обработки данных — это энергоэффективное сооружение, спроектированное таким образом, чтобы свести к минимуму воздействие на окружающую среду за счет сокращения потребления энергии и воды при максимальном использовании экологически чистых ресурсов. В таких центрах приоритет отдается возобновляемым источникам энергии, современным системам охлаждения, энергоэффективному оборудованию и экологичным строительным материалам. Что интегрировано в “зеленые” дата-центры?

Возобновляемые источники энергии
Инновационные технологии охлаждения
Эффективное использование электроэнергии
Оптимизация ресурсов

Стремление к экологичности стало частью глобальных корпоративных целей, направленных на достижение углеродной нейтральности к 2050 году. Разберем подробнее каждое направление “зеленого” дата-центра.

Возобновляемые источники энергии

Дата-центры все активнее переходят на использование возобновляемых источников энергии для снижения углеродного следа и повышения устойчивости. Вот основные виды возобновляемых источников энергии, используемых в дата-центрах:

Солнечная энергия

Солнечная энергетика преобразует энергию солнца в электричество с помощью фотоэлектрических панелей или концентрирующих зеркал. Фотоны солнечного света, попадая на панели, высвобождают электроны из атомов, создавая поток электричества. Вырабатываемая постоянным током (DC) энергия проходит через инвертор, превращаясь в переменный ток (AC), используемый для питания центров обработки данных.

Солнечные панели могут устанавливаться на крышах, земле или интегрироваться в архитектуру дата-центра. Эффективность генерации энергии зависит от размера и качества панелей, уровня солнечного освещения и угла их установки.

Для обеспечения бесперебойного электроснабжения солнечная энергия может накапливаться в батареях, включая существующие системы ИБП. Днем панели заряжают аккумуляторы, а ночью или при отсутствии солнца накопленная энергия питает критически важные нагрузки.

Однако внедрение солнечной энергетики связано с высокими капитальными затратами (CAPEX) на приобретение панелей и аккумуляторов, необходимых для стабильной работы ЦОДов. Кроме того, эффективное использование таких систем требует размещения дата-центров в регионах с высокой солнечной активностью.

Эффективность солнечных батарей хоть и в разы повысилась. Но даже в особенно солнечных регионах для поддержки одной стойки с 5 кВт нагрузки на 10 стоек, потребуется массив солнечных батарей площадью в 2600 кв.м., что становится неэффективным в использовании площадей.

В основном, солнечные панели располагают на крыше дата-центров для покрытия частичного потребления электроэнергии до 10%. Например, солнечная ферма SPG Solar общей площадью до 6.7 тыс. кв.м. занимает почти всю крышу ЦОД. При этом общая генерирующая мощность составляет примерно 0.67 МВт (около 10% электроэнергии, которой достаточно для работы ЦОД Topaz). Эксперты eBay отмечают, что солнечная ферма должна окупиться за 4 года.

Ветровая энергия

Ветроэнергетика использует кинетическую энергию ветра для генерации электроэнергии. Основным элементом системы являются ветряные турбины, состоящие из лопастей, установленных на высоких башнях. Когда ветер обдувает лопасти, они начинают вращаться, приводя в действие генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Для питания центров обработки данных турбины обычно располагаются непосредственно на объекте или рядом с ним, что минимизирует потери энергии и обеспечивает стабильное снабжение возобновляемыми источниками энергии. Эти турбины обычно имеют значительные размеры: высота может достигать 50–100 метров, а размах лопастей — 50 метров и более, что оптимизирует захват энергии ветра. Генератор, расположенный в гондоле на вершине башни, вырабатывает переменный ток.

Выработанная электроэнергия передается через кабели на трансформатор, который повышает напряжение для передачи на короткие расстояния. Затем высоковольтный ток подается на подстанцию центра обработки данных, где напряжение понижается до уровня, пригодного для использования.

Проблема лишь в том, что сильные ветры дуют далеко не всегда и не везде, а значит, такого рода энергия доступна в ограниченном объеме. Например, дата-центр Apple в Северной Каролине (США) производит 244 млн кВт*ч энергии в год с помощью собственной ветровой электростанции. А Google закупает ветро-электроэнергию у ветровых операторов.

Гидро-электроэнергия

В отличие от ветра, вода является более стабильным и предсказуемым источником энергии. Благодаря этому энергия, вырабатываемая гидроэлектростанциями, отличается высокой стабильностью. В России около 98% всей энергии, производимой из возобновляемых источников, поступает именно от ГЭС. В Норвегии же почти вся электроэнергия, необходимая для промышленности и городов, генерируется с помощью гидроэнергетики. Однако у этого источника есть и свои недостатки: высокие затраты на строительство и сложность конструкции. Малейшая ошибка может привести к затоплению прилегающих территорий, а резкие колебания уровня воды наносят ущерб экосистемам водоемов, затрудняя жизнь флоры и фауны.

Процесс выработки электроэнергии с использованием гидроэлектростанции включает в себя следующие этапы:

Вода хранится в резервуаре, созданном плотиной, построенной поперек реки
Когда требуется электричество, вода выпускается из резервуара и поступает по трубе (напорному каналу) к турбогенератору, расположенному ниже по течению.
Текущая вода вращает лопасти турбины, которые соединены с генератором.
Генератор преобразует механическую энергию вращающейся турбины в электрическую энергию, вырабатываемая электроэнергия затем передается по линиям электропередачи в центр обработки данных.
После прохождения через турбину вода сбрасывается обратно в реку вниз по течению

Hydro66 — дата-центр площадью 1 000 кв.м., в котором вся IT-инфраструктура будет работать на гидроэлектроэнергии, получаемой от расположенной всего в 500 метрах от комплекса гидроэлектростанции, близ города Боден, Швеция. Такой выбор источников энергии позволяет значительно снизить затраты на колокацию по сравнению с аналогичными площадками в Европе и Великобритании. Комплекс расположен рядом с новой подстанцией мощностью 120 МВт, которая обеспечит его энергией от гидроэлектростанции мощностью 78 МВт на реке Луле. Согласно предварительным расчетам, среднегодовой коэффициент PUE этого дата-центра составит около 1,07.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло, накопленное в недрах Земли, для выработки электроэнергии. Для центров обработки данных геотермальные системы разрабатываются путем бурения глубоких скважин в горячие горные породы с последующим использованием теплообменника для передачи подземного тепла в жидкости, например, в воде. Нагретая жидкость подается на поверхность, где она проходит через турбину, подключенную к генератору, вырабатывая электроэнергию для питания дата-центра. После охлаждения жидкость возвращается в грунт, где вновь нагревается, создавая замкнутый цикл.

Геотермальные установки могут быть размещены вблизи центров обработки данных, что позволяет минимизировать потери энергии при передаче. Системы такого типа используют стабильные температуры, находящиеся глубоко в земле, обеспечивая надежное и непрерывное энергоснабжение. Несмотря на высокие начальные затраты на бурение и установку, геотермальная энергетика является устойчивым и долгосрочным решением для питания центров обработки данных с минимальными выбросами углекислого газа по сравнению с ископаемыми источниками энергии.

Это решение идеально подходит для вулканических регионов, но поиск подходящего места для установки геотермальных станций может быть затруднен из-за сейсмической активности в таких районах.

К 2030 году Google планирует достичь углеродной нейтральности в энергетическом обеспечении своих дата-центров и офисов. Для этого компания заключила партнерство с Fervo, стартапом, специализирующимся на геотермальной энергетике, с целью создания электростанции мощностью 5 МВт. Для оптимизации работы станции были использованы решения на базе искусственного интеллекта. В отличие от традиционных геотермальных станций, Fervo применяет горизонтальное бурение, типичное для нефтегазовой отрасли, что позволяет достигать ранее недоступных источников тепла. Данные о температуре и других параметрах системы собираются в реальном времени с помощью установленных оптоволоконных кабелей. Такие технологии значительно сокращают площадь, необходимую для установки геотермальной электростанции.

Google также сотрудничает с некоммерческой организацией Project InnerSpace для ускорения внедрения таких технологий. В числе других крупных компаний, поддерживающих такие инициативы, — Microsoft, которая в мае подписала контракт на закупку 51 МВт геотермальной энергии в Новой Зеландии. Примером использования геотермальной энергии непосредственно для дата-центров служит проект в Кении: здесь началось строительство Ecocloud Data Centre, которое будет использовать геотермальную энергию для собственных нужд и обеспечения электроэнергией других предприятий.

Энергия из биомасс

Использование биомассы для обеспечения энергоснабжения центров обработки данных включает процесс сжигания органических материалов, таких как древесная щепа, сельскохозяйственные отходы или специально возделываемые энергетические культуры, с целью выработки электроэнергии. Этот процесс обычно осуществляется в котле, где сжигание биомассы генерирует пар, который приводит в движение турбину, подключенную к генератору для выработки электроэнергии. В качестве альтернативы биомассу можно подвергать газификации для получения биогаза — горючего газа, который затем используется в газовом двигателе или турбине для производства электроэнергии, которая в свою очередь служит для питания дата-центра.

Биомасса считается возобновляемым источником энергии, поскольку растения, используемые для ее производства, можно вновь выращивать, что делает этот источник теоретически углеродно-нейтральным.

Примером использования биомассы в энергетике является биомассовая электростанция в городе Стенлешам, Великобритания, которая сжигает древесные гранулы для выработки электроэнергии. Эта станция, известная как “Suffolk Biomass Power Station”, имеет мощность 35 МВт и ежегодно производит около 250 ГВт·ч электроэнергии, что достаточно для снабжения примерно 60 000 домов.

Использование альтернативных технологий производства электроэнергии

Водород и производные

Использование водорода в центрах обработки данных становится все более актуальным, и этому есть несколько причин, включая экологические, экономические и технологические аспекты. Водородные системы привлекают внимание благодаря своей высокой надежности и долговечности, возможностям масштабирования и легкости адаптации к меняющимся требованиям без необходимости существенных изменений инфраструктуры. Автономность таких систем от традиционного электроснабжения значительно повышает устойчивость дата-центров к возможным перебоям в подаче электроэнергии.

Однако водородные топливные элементы имеют и свои недостатки. Например, по данным Microsoft, для обеспечения 48 часов резервного энергоснабжения для дата-центра потребуется до 100 тонн водорода. Кроме того, для его транспортировки и хранения требуется поддержание температуры -253°С, что накладывает определенные ограничения.

В качестве альтернативы водороду все чаще рассматривают аммиак. Этот газ проще в обращении, так как для его хранения и транспортировки достаточно поддерживать условия около 10 бар при температуре -25°С. Аммиак также отличается большей эффективностью при транспортировке, а его молекулярная структура позволяет разложить его на водород и азот, при этом полученный водород можно использовать для генерации энергии.

В отличие от водорода, аммиак является менее взрывоопасным, а его утечки легко обнаружить благодаря характерному запаху. С экологической точки зрения аммиак имеет преимущество, так как при разложении не выбрасывает углерод, а возможные выбросы оксидов азота можно эффективно нейтрализовать. Дополнительным преимуществом является тот факт, что технологии использования аммиака хорошо изучены, что значительно ускоряет их внедрение.

Модульные АЭС

Атомная энергия теоретически может быть добавлена к списку альтернативных источников энергии, поскольку она соответствует основным критериям «зелености» — её генерация не способствует образованию парниковых газов. В некоторых странах этот вопрос уже решен положительно: в 2022 году Еврокомиссия включила атомную энергетику в «зеленый клуб». Главным критерием для этого стало соответствие принципам перехода к безуглеродной экономике и использованию климатически нейтральных методов генерации энергии.

Однако статус «зеленой» энергии для атомной энергетики официально признан не во всех странах. Вслед за Европейским Союзом на данный момент к числу сторонников присоединились только Китай, Россия и Бангладеш. Основная проблема заключается в утилизации радиоактивных отходов и обеспечении надежности атомных электростанций. Несмотря на отсутствие выбросов парниковых газов, атомная энергетика всё ещё не может считаться полностью безопасной.

Малый модульный ядерный реактор (ММР) отличается от традиционных больших реакторов АЭС прежде всего своими компактными размерами. Например, американский ММР компании NuScale Power представляет собой стальной цилиндр высотой всего 23 метра и диаметром 5 метров. Эти реакторы производят меньше энергии — до 300 МВт, хотя чаще всего их мощность ещё ниже. Для сравнения, стандартные большие реакторы способны генерировать более 700 МВт электроэнергии. На первый взгляд это может показаться значительным ограничением, но стоит взглянуть на ситуацию под другим углом.

Одним из ключевых преимуществ ММР является их модульная конструкция. Элементы таких реакторов изготавливаются на заводе, после чего они быстро собираются на месте установки. Это значительно снижает затраты на строительство, а процесс возведения занимает существенно меньше времени, чем при строительстве больших традиционных реакторов.

Проекты с использованием ММР для центров обработки данных (ЦОД) постепенно становятся всё более популярными. Так, компания Standard Power планирует внедрить такие реакторы, использующие технологии NuScale, на нескольких дата-центрах к 2029 году. В рамках этого проекта NuScale поставит 24 реакторных модуля, каждый мощностью 77 МВт.

Принцип работы реактора NuScale Power заключается в преобразовании энергии, выделяемой при ядерной реакции, в пар. Этот пар приводит в движение турбину, которая, в свою очередь, генерирует электричество. Процесс достаточно прост: вода нагревается в внутреннем контуре реактора, затем передает тепловую энергию во внешний контур, где образуется пар. Важной особенностью является то, что реактор автоматически прекращает ядерную реакцию при возникновении любой нештатной ситуации.

Малые размеры и инновационные технологии производства делают ММР более безопасными по сравнению с традиционными реакторами. Они имеют гораздо меньший риск повреждений вследствие природных катастроф, таких как землетрясения. Даже в случае аварии вероятность радиоактивных выбросов сводится к минимуму благодаря небольшой мощности реактора, низкому внутреннему давлению и уникальным особенностям конструкции. Это устраняет главный страх, связанный с эксплуатацией классических АЭС.

Примечательно, что Россия стала первой страной, внедрившей два ММР мощностью по 35 МВт. Этот проект был реализован на плавучей атомной электростанции «Академик Ломоносов».

Существует ли реально выраженный интерес со стороны российских компаний к выбору уникальных локаций для своих дата-центров? В отличие от европейских стран, где вопросы экологии и устойчивого развития обсуждаются уже на протяжении многих десятилетий, в России наблюдается отсутствие активной гонки за зелеными технологиями. Эта ситуация объясняется тем, что стоимость электроэнергии в России очень привлекательна в сравнении с европейскими и американскими маршрутами.

Совершенно очевидно, что возобновляемые источники энергии в нашей стране не получили широкого распространения. Однако даже если такие технологии имеются в некоторых регионах, например, на Дальнем Востоке, то потенциальная экономия от установки дата-центров в «особых» локациях окажется незначительной. Причиной этому служит необходимость прокладки дополнительных каналов связи.

Ведение бизнеса с использованием дата-центров в России, как и в любой другой стране, подчиняется двум ключевым факторам: доступности каналов связи и стоимости электроэнергии. В некоторых областях цена за киловатт может достигать всего 3 рублей, особенно вблизи крупных электростанций. Благодаря этому не удивляет, что дата-центры часто строятся в непосредственной близости от таких объектов. Ярким примером служит одна из российских государственных корпораций, которая выбрала строительство своих дата-центров вблизи атомных электростанций.

Эффективное использование электроэнергии

Электроэнергия является самым главным расходом в эксплуатации ЦОД, поэтому многие ЦОД-операторы используют разные варианты получения дешевой электроэнергии.

Попутный нефтяной газ

Использование попутного нефтяного газа (ПНГ) для получения электроэнергии для ЦОД актуально для новых нефтяных месторождений, где не построена газотранспортная инфраструктура, или на удалённых нефтепромыслах Сибири, где существует избыток электричества в энергосистеме, а транспортировка ПНГ нерентабельна.

Например, компания BitRiver, один из крупнейших операторов ЦОД в России, сотрудничает с нефтегазовыми компаниями и использует ПНГ для обеспечения электроэнергией своих майнинговых ферм. Это позволяет решить проблему утилизации попутного газа и снизить экологический ущерб от его сжигания.

Также использование ПНГ помогает снизить затраты на электроэнергию и повысить конкурентоспособность услуг.

Повторное использование тепла и продажа его другим потребителям

Некоторые дата-центры нашли способ преобразовать «отходящее» тепло в полезный ресурс для общества. Рассмотрим несколько примеров:

Отопление близлежащих офисов или жилых комплексов: В холодных странах, таких как Швеция или Дания, дата-центры интегрируются в местные системы теплоснабжения, предоставляя тепло для отопления.

Нагрев воды в бассейнах: В рамках отдельных проектов тепло, выделяемое серверами, перенаправляется на обогрев воды в бассейнах и общественных банях.

Тепличное хозяйство: В Китае и некоторых европейских странах реализованы проекты, где тепло от серверов помогает в круглогодичном выращивании овощей в теплицах.

Отопление производственных комплексов и индустриальных парков

Такое использование отходящего тепла не только способствует экономии на коммунальных услугах, но и позволяет значительно снизить общий углеродный след, что имеет важное значение для устойчивого развития.

Периферийные вычисления

Обработка больших объемов данных зачастую подразумевает необходимость передачи информации от источника к дата-центру и обратно, что ведет к перегрузке сетевой инфраструктуры и увеличению расходов. В настоящее время многие региональные компании вынуждены прибегать к облачным услугам, предоставляемым крупными столичными дата-центрами, поскольку в их регионах часто не хватает облачных провайдеров, а доступные решения ограничиваются услугами VDS/VPS.

В этой ситуации на помощь приходят модульные дата-центры, которые можно быстро возводить практически на любой территории, обеспечивая обработку данных как можно ближе к их источнику. Одним из ключевых преимуществ модульного дата-центра является его масштабируемость: количество модулей и стоек может увеличиваться постепенно в соответствии с потребностями бизнеса. При этом уровень отказоустойчивости аналогичен тому, что предлагают крупные дата-центры. Каждый критически важный элемент инфраструктуры имеет резерв в соответствии с принципом не менее чем N+1, включая множество энергомодулей.

Компактные «edge»-решения, которые располагаются в непосредственной близости к источникам данных, таким как города, заводы и узлы сети 5G. Эти микромодульные центры обработки данных имеют потенциал более эффективного использования локальных возобновляемых источников энергии и альтернативных систем охлаждения. В результате, общая «зеленость» всей сети может значительно возрасти благодаря распределенной архитектуре.

Кроме того, модульные дата-центры имеют возможность использовать региональные источники энергии. В некоторых регионах действуют льготные тарифы, что существенно снижает затраты на электроэнергию и перегрузку общей энергетической сети, делая такие решения еще более привлекательными для бизнеса.

NiZn-аккумуляторы

NiZn-аккумуляторы (никель-цинковые) предлагают ряд преимуществ перед литий-ионными батареями, которые делают их привлекательным выбором для использования в дата-центрах. Одним из ключевых достоинств является их экологичность: никель-цинковые аккумуляторы не содержат токсичных или редких металлов, таких как кобальт, используемый в литий-ионных батареях. Это делает их утилизацию значительно проще и безопаснее для окружающей среды, что особенно важно в условиях растущей озабоченности экологической устойчивостью.

Еще одним важным преимуществом является высокая энергоемкость и долговечность NiZn-аккумуляторов. Они обладают большей устойчивостью к высокому числу циклов зарядки и разрядки, что снижает затраты на их замену и обслуживание. Для дата-центров, где непрерывность работы и надежность энергоснабжения являются приоритетом, такая характеристика критически важна.

Кроме того, никель-цинковые батареи характеризуются лучшей устойчивостью к высоким температурам, что делает их идеальными для использования в серверных помещениях, где тепло, выделяемое оборудованием, может быть существенным фактором. Их способность работать в экстремальных условиях снижает затраты на охлаждение и повышает общую энергоэффективность дата-центра.

С точки зрения безопасности NiZn-аккумуляторы также выигрывают у литий-ионных. Они имеют более низкий риск возгорания или взрыва, что особенно важно для объектов с высокой концентрацией чувствительного оборудования и строгими требованиями к надежности. В сочетании с относительно низкой стоимостью производства, эти преимущества делают никель-цинковые батареи перспективным выбором для современных дата-центров.

Инновационные технологии охлаждения

Энергоэффективность является основополагающим аспектом при проектировании дата-центров, и все применяемые технологии и решения так или иначе сосредоточены на этой теме. Одним из таких аспектов является система холодоснабжения. После IT-нагрузки именно системы холодоснабжения занимают второе место по уровню потребления энергии в дата-центрах. Системы охлаждения в центрах обработки данных традиционно занимают значительную часть от общего потребления энергии, составляя примерно 30-50% всего энергозатрат.

В связи с этим инженеры активно ищут способы, которые помогут сократить затраты на «холод» и, тем самым, снизить один из ключевых показателей эффективности дата-центров — PUE (Power Usage Effectiveness).

Free-cooling

Free-cooling — это метод охлаждения, который использует низкую температуру окружающего воздуха для снижения потребления энергии в системах кондиционирования воздуха в дата-центрах через внутреннюю фильтрацию воздуха. Этот подход позволяет значительно сократить расходы на электроэнергию и уменьшить углеродный след, что делает его более экологически чистым.

Как работает free-cooling?

Прямой фрикулинг использует предварительно очищенный наружный воздух для охлаждения серверных помещений. Если не углубляться в технические детали, можно выделить ключевые преимущества этой системы: простота конструкции и легкость внедрения, а также низкое потребление электроэнергии.

Косвенный фрикулинг, в свою очередь, предполагает охлаждение внутреннего воздуха дата-центров через промежуточные теплообменники, что позволяет сохранить циркуляцию одного и того же очищенного воздуха в машинных залах. В некоторых случаях эффективность фрикулинга можно повысить с помощью адиабатического охлаждения, при котором температура воздушного потока снижается за счет распыленной в нем воды.

Гибридные системы: В некоторых случаях используются гибридные системы, которые комбинируют free-cooling с традиционными системами кондиционирования. Когда температура наружного воздуха не подходит для охлаждения, система автоматически переключается на механическое охлаждение.

Этот тренд уже явно проявляется на Западе, где благодаря использованию фрикулинга удается достигать среднегодового коэффициента эффективности PUE в диапазоне от 1,05 до 1,15. А если дополнительно внедрить солнечные батареи, можно добиться еще более впечатляющих результатов. Для сравнения, традиционные системы охлаждения демонстрируют среднегодовой PUE в пределах 1,4-1,6.

Жидкостное охлаждение

Воздушное охлаждение, несмотря на свои преимущества, имеет ряд недостатков, таких как шум, высокая потребность в мощности вентиляторов и ограниченная эффективность при плотной компоновке серверов. В этой связи жидкостное охлаждение (Liquid Cooling) выступает более эффективным решением:

Охлаждающая жидкость, будь то вода или диэлектрические жидкости, подводится непосредственно к процессорам и видеокартам, что позволяет эффективно отводить тепло.

Системы иммерсионного охлаждения, при которых серверы полностью погружаются в специализированные жидкости, обеспечивают возможность достижения более высокой плотности размещения и снижают затраты на вентиляторы.

При этом выведенное тепло может быть направлено в теплообменник или использовано для вторичных нужд, таких как обогрев помещений или поддержание технологических процессов.

Полное погружение

С 2014 года Microsoft активно экспериментирует с концепцией подводных дата-центров, стремясь сократить энергозатраты на охлаждение оборудования. Идея проста: холодные воды океана обеспечивают естественное охлаждение серверов, минимизируя необходимость в дополнительной энергии. Однако перспективы массового внедрения этой технологии в ближайшее время остаются под вопросом.

Во-первых, основным вызовом является отсутствие прямого доступа к подводным серверам. В случае их поломки проведение ремонта или замена компонентов становятся крайне затруднительными. Во-вторых, такая технология неизбежно приводит к выделению тепла в окружающую воду, что в долгосрочной перспективе может негативно сказаться на экосистеме океана. По этой причине размещение подобных объектов в более чувствительных водоемах, таких как озера, исключено. И, наконец, географические ограничения: далеко не у всех стран есть прямой доступ к морю, что сужает возможности внедрения данной концепции.

Тем не менее, первые результаты оказались впечатляющими. В 2018 году Microsoft провела эксперимент, разместив подводный дата-центр на дне Шотландского моря. Герметичный контейнер, содержащий 864 сервера и 27,6 петабайт хранилища, был погружен на глубину 35,7 метра. Благодаря естественному охлаждению морской водой уровень энергоэффективности значительно возрос. Результаты показали, что количество отказов серверов в подводном центре было в 8 раз ниже, чем у традиционных наземных площадок. Этот успех подчеркивает одно из главных преимуществ технологии: высокая надежность оборудования в условиях стабильной и защищенной среды.

Однако сложность обслуживания серверов в герметичных контейнерах и экологические вопросы продолжают оставаться сдерживающими факторами для широкомасштабного внедрения этой технологии.

Оптимизация ресурсов

DCIM — управление инфраструктурой ЦОД

Оптимизация работы дата-центра с помощью DCIM (Data Center Infrastructure Management) начинается с полной прозрачности всех процессов. Это программное обеспечение позволяет централизованно управлять физической и ИТ-инфраструктурой ЦОД, включая электроснабжение, охлаждение, сервера и сети. DCIM дает возможность в режиме реального времени отслеживать показатели работы оборудования, что позволяет оперативно выявлять узкие места и предотвращать аварии.

Системы DCIM обеспечивают точный контроль за потреблением энергии и температурой внутри дата-центра, что способствует снижению показателя PUE (эффективности использования энергии). Например, анализ данных о нагрузке на серверы и системе охлаждения помогает перераспределять мощности или снижать интенсивность работы оборудования в периоды низкой активности. Кроме того, автоматизация процессов через DCIM минимизирует человеческий фактор и позволяет точнее планировать обслуживание, что снижает эксплуатационные затраты.

В конечном итоге, ИИ способен предложить эффективные решения для проблемы увеличения энергозатрат. Используя методы машинного обучения, компании Google удалось добиться впечатляющего результата — сократить потребление энергии системой охлаждения на 40%. Нейросеть была обучена для прогнозирования показателя PUE, основываясь на 19 различных факторах. Для этого был использован обширный массив данных, включающий 184 435 точек с разрешением в 5 минут; после завершения обучения точность предсказаний PUE составила поразительные 99,6%.

К примеру, если в дата-центре возникает необходимость временно отключить некоторые серверы на несколько дней, данная модель сможет рекомендовать, какие небольшие изменения следует внести в систему охлаждения, чтобы минимизировать влияние на PUE.

Дашборд новой русской компании SCADA для ЦОД

Виртуализация и облачные вычисления

Виртуализация и облачные вычисления играют ключевую роль в оптимизации ресурсов дата-центра, помогая максимально эффективно использовать серверное оборудование. Суть виртуализации заключается в создании множества виртуальных машин на одном физическом сервере, что позволяет распределять вычислительные ресурсы по мере необходимости. Это избавляет от необходимости выделять отдельный сервер для каждой задачи или приложения, что существенно снижает потребление энергии и расходы на оборудование.

Например, в традиционном подходе к хостингу компания может использовать 10 физических серверов для размещения 10 приложений, каждое из которых задействует лишь 20–30% вычислительных мощностей. С внедрением виртуализации те же приложения можно перенести на 2–3 физических сервера, поскольку каждый из них будет обслуживать несколько виртуальных машин, динамически перераспределяя нагрузку.

Облачные вычисления усиливают этот эффект за счет более гибкого подхода к использованию ресурсов. Они позволяют клиентам арендовать мощности «по запросу» вместо того, чтобы постоянно держать их в резерве. Например, компания, запускающая сезонную рекламную кампанию, может арендовать дополнительные виртуальные серверы на время высокой нагрузки, а затем отключить их, когда потребность в них отпадет. Такой подход сокращает капитальные затраты на оборудование и снижает расходы на эксплуатацию.

Практический пример хостинга: без виртуализации 50 клиентов могут потребовать 50 физических серверов для своих нужд, каждый из которых будет использовать лишь 25% своих ресурсов. После внедрения виртуализации эти же 50 клиентов могут быть обслужены на 10 физических серверах, работающих с 80–90% загрузкой, что значительно уменьшает потребность в оборудовании и сокращает энергопотребление на 60–70%.

Таким образом, использование виртуализации и облачных вычислений позволяет минимизировать избыточное использование оборудования, снизить эксплуатационные затраты и повысить экологическую эффективность работы дата-центра, одновременно обеспечивая высокую гибкость и надежность для клиентов.

Заключение

Современные дата-центры сталкиваются с множеством вызовов: от стремительного роста энергопотребления до необходимости снижения экологического воздействия. Решением становятся инновационные подходы, такие как внедрение DCIM-систем, виртуализация, использование альтернативных источников энергии и технологии, повышающие энергоэффективность. Например, виртуализация позволяет существенно сократить количество физических серверов, что снижает энергозатраты. В одном из случаев Google за счет виртуализации уменьшила использование серверного оборудования на 40%, повысив загрузку серверов до 90%.

Free-cooling становится стандартом для ЦОД в регионах с прохладным климатом: такой подход уже доказал свою эффективность в российских дата-центрах, таких как Selectel, где энергозатраты на охлаждение были снижены на 30%. Кроме того, NiZn-аккумуляторы заменяют традиционные литий-ионные батареи, предлагая повышенную плотность энергии и меньший экологический след.

Эксперименты с водородом и подводными ЦОД, как это сделала Microsoft, показывают, что инновации позволяют не только оптимизировать энергопотребление, но и повысить надежность оборудования. Несмотря на высокую стоимость реализации, такие подходы имеют огромный потенциал для будущего.

Таким образом, грамотная оптимизация работы дата-центров с использованием новых технологий и источников энергии позволяет бизнесу достигать двух целей одновременно: снижения затрат и перехода к экологически ответственным решениям, создавая базу для устойчивого цифрового будущего.

Приглашаю Вас в свой telegram‑канал «охота за технологиями», там я пишу о технологиях и инновациях, которые завоевывают признание миллионов людей. Я называю свой канал — пространство для стратегов и новаторов, для тех, кто меняет правила игры и готов пойти на риск ради будущего, разрушив старые стереотипы. К тому же, делюсь своим опытом — коммерциализации идей.
Буду рад видеть вас среди единомышленников!

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/872884/