Table of Contents

وتشكل مراكز البيانات العمود الفقري للاقتصاد الرقمي الحديث، مما يُعطي كل ما يُستمد من خدمات الحوسبة السحابية وبث التدفق إلى تطبيقات المشاريع والاستخبارات الاصطناعية، حيث أن الطلب على تجهيز البيانات ما زال مستمراً في نموه الهائل، والحرارة التي تولدها الرفوف الكثيفة، ومفاتيح الربط الشبكي، ونظم التخزين قد أصبحت من أهم التحديات التشغيلية، وبدون نظام إدارة تدفق جوي مصمم بدقة، حتى أكثر تكلفة

The Fundamentals of Data Center Airflow

ولتصميم إدارة أفضل للتدفق الجوي، يجب أولاً فهم الديناميات الحرارية الأساسية الموجودة داخل مركز البيانات، وكل قطعة من معدات تكنولوجيا المعلومات تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة، ويجب إزالة هذه الحرارة بنفس المعدل الذي تنتجه لإبقاء درجات الحرارة في إطار نطاقات التشغيل الآمنة تتراوح بين 18 درجة مئوية و27 درجة مئوية في الخادم، كما توصي بذلك المبادئ التوجيهية الحرارية لنظام إدارة الموارد البشرية/السوق المشتركة.

مسارات التدفق الجوي والمناطق المضغوطة

وفي مركز بيانات نموذجي مثار من حيث الحجم، يتم توفير الهواء البارد من خلال البلاط المكشوف تحت الأرض، أو السفر إلى واجهة الخواديم (المقبوضة)، أو امتصاص الحرارة عند مرورها بالمعدات، أو الخروج من المؤخرة جوا حارا، ثم يعود هذا الهواء العادم الساخن إلى مشغلي غرف الحواسيب عند ظهور سباكات البرودة، أو إلى مبردات التنظيف.

ويمكن أن تدفع مجموعات الوحدات الحديثة من نوع GPU والتشكيلات العالية الكثافة للحواسيب المركزية الكثيفة الكثافة الكثافة الكثيفة الكثافة إلى ما يتجاوز 30 إلى 40 كيلوواط، وهو رقم كان يمكن تصوره منذ عقد من الزمن، ويجب أن تكون التصميمات التقليدية للتشهير بالهواء كافية لخمسة إلى عشرة كيلوواط في كل ثكنة، وهي تكافح الآن لإزالة الحرارة دون وجود سُبل جوية ضخمة تؤدي إلى تعطلات توزيع أعلى، ويجب على المصممها.

مشاكل الترميز المشتركة وأسبابها

ويعمل العديد من مراكز البيانات بتدفقات جوية دون المستوى الأمثل بسبب الرقابة أثناء التصميم الأولي أو نتيجة للتوسع غير المخطط له، والاعتراف بهذه المجازفات المشتركة هو الخطوة الأولى نحو تصميم نظام يتجنبها.

مخازن ساخنة من توزيع التدفق الجوي غير المسمى

وتُحدَّد المناطق التي تتجاوز فيها درجات الحرارة العتبات الآمنة، وغالبا ما تكون ناجمة عن حواجز مكتظة، أو عن إعاقة في قاعات القاع (البراميل، الرصيف)، أو وحدات الأشعة السينية التي لا تتتابع على النحو المناسب، وفي سيناريو نموذجي، يمكن أن يرسم صف من الخواديم العالية الكثافة هواء بارد أكثر من التي يمكن أن تُمدّد بها، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة في أعلى من الحدود المقبولة.

استهلاك الطاقة المفرط

وتمثل نظم التبريد ٣٠-٤٠ في المائة من مجموع استخدام الكهرباء في مركز البيانات، كما أن عدم كفاءة معدات إدارة التدفق الجوي لتدفئة سرعة المعجبين الأقوى، وانخفاض درجات الحرارة المائية الباردة للتعويض عن الخلط والتجاوزات في الهواء، وهذا لا يزيد من فعالية استخدام الطاقة فحسب، بل يعجل أيضا بارتداء المكثفات والمعجبات، بل يمكن أن يؤدي إلى تحسين في معامل التخصيب في منتصف الحجم، حتى إلى تحقيق وفورات قدرها ١,٠ دولار في نظام الطاقة الكهربائية.

عدم كفاية الاحتواء وتداول الهواء

فبدون الفصل المادي لمجاري الهواء الساخنة والباردة، يمكن أن يعاد الهواء العادم إلى متناول الخواديم، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة في مخططات مفتوحة حيث يستخدم الحد الأقصى أيضاً في الهواء العائد، ويرفع التداول درجة الحرارة في الهواء المتحصل، ويقلل من قدرة التبريد، ويؤدي إلى ظهور ملامح حرارية غير قابلة للتنبؤ.

الثغرات المتعلقة بالقدرة على التصعيد وتخطيط القدرات

وتتطور مراكز البيانات بمرور الوقت، وتضاف معدات جديدة، وتتوقف المعدات القديمة عن العمل، وتتغير كثافة الطاقة، وتتحول تصميمات التدفق الجوي التي تكون صلبة أو غير نمطية إلى اختناقات، وعلى سبيل المثال، يمكن تحديد فترات المداخن المتصدعة، مما يجعل من الصعب زيادة تدفق الهواء عند الحاجة، وينبغي أن يتضمن التصميم الآجل أحكاما بشأن مسارات التدفق الجوي القابلة للاعادة التشكيل، مثل أجهزة تكييف الهواء.

النهج الاستراتيجية لتحسين إدارة التدفقات الجوية

وتتطلب معالجة التحديات المذكورة أعلاه مزيجا من التغييرات في الهياكل الأساسية المادية، وأفضل الممارسات التشغيلية، والتخطيط المدروس، فيما يلي استراتيجيات ثبتت جدواها تستخدمها مراكز البيانات الرائدة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في التبريد.

احتواء حار وملول

وتستعمل نظم الاحتواء الحواجز المادية - الأبواب، والسقف، والتعريات - لفصل الهواء البارد من الهواء العائد الساخن. وفي [Fgurt] Aisle containment، يُغلق الممر البارد بحيث ينتقل الهواء المزود إلى متناول الخواديم؛ ويقلل أي تسرب من مكانه إلى أدنى حد

التعظيم الأمثل للزهور المتحركة والتوزيع الجوي تحت سطح الأرض

(ب) أن تكون الطوابق المتحركة شائعة في الإرث والكثير من مراكز البيانات الحديثة لأنها تسمح بوضع محركات الإمداد المرنة، غير أن أداءها يتوقف على التصميم المناسب، ويجب أن يكون الضغط غير المدفوع بالفلور خالياً من العوائق (القابلات، الحطام) للحفاظ على الضغط الثابت.

دال - تواتر المركبات وتفاوتها

ويُعدّ المعجبون المُختلطون من ذوي السرعة العالية طاقة النفايات لأنهم يرتدون 100 في المائة حتى عندما يكون الطلب على التبريد منخفضاً، أما الوحدات الحديثة من مركز البحوث الزراعية ومشجعي الخواديم فهي مجهزة بمركبات متغيرة في الترددات (VFDs) تُعدّل السرعة استناداً إلى أجهزة استشعار درجة الحرارة في الوقت الحقيقي، وتُبقي أجهزة توزيع الطاقة على نحو أفضل.

نظام التبريد النموذجي والنظم القائمة على أساس سطحي

وبالنسبة للمناطق الكثيفة، يمكن أن تكون وحدات التبريد القائمة على التصفيف أو داخل القاع التي تفصل مباشرة بين الرفوف أكثر فعالية من مناطق المستودعات، حيث توجد هذه الوحدات طريقاً جوياً أقصر، مما يتيح لها التعامل مع الحمولات العالية ذات الطاقة الأقل، كما أنها تفكك التبريد من الطابق المُرفع، مما يجعلها مناسبة لبيئة مُنْطَّقة، ويمكن أن تُعدَّد مبردات مُصَة كثِّرة.

الابتكارات التكنولوجية

وفي حين أن الاحتواء المادي والتصميم ما زالا أساسين، فإن التكنولوجيات الجديدة تتيح نهجا أكثر غرابة وتكيفا وذكاء لإدارة التدفقات الجوية.

أجهزة الاستشعار

إن نشر شبكة كثيفة من درجات الحرارة والرطوبة ومجسات الضغط في جميع أنحاء مركز البيانات - في كل من الخواديم وفي متناولي الهواء داخلي - يوفر البيانات اللازمة للمراقبة الدينامية، ويمكن أن تحلل خوارزميات التعلم الآلات هذه من خلال تحديد المواقع الساخنة الناشئة، والتنبؤ بتحولات الطلب على التبريد، وتكييف سرعة المحركات، ودرجات الحرارة المفتوحة، والكشف عن وجود نماذج مبردة.

النمذجة الحاسبية للغاز الفلوري

وقد أصبح نموذج " CFD " أداة لا غنى عنها لمصممي ومشغلي مراكز البيانات، إذ إن إنشاء نسخة افتراضية من المرفق - بما في ذلك مخططات الرف، والتنسيب في إطار نظام CRAH، وحتى في مواقع التعطل في الكابلات يمكن أن يحفز أنماط التدفق الجوي في إطار سيناريوهات مختلفة.

الاستخبارات الأثرية والرقابة الافتراضية

وبخلاف التغذية المرتدة من أجهزة الاستشعار البسيطة، يمكن للمنابر التي تحركها شركة AI - من شركات مثل Vertiv] و أن تؤدي الآن إلى زيادة سرعة استخدام البرمجيات ، وتولد هذه النظم بيانات تاريخية، وتتعلم بعد الوقت الحقيقي، بل وتتعلم التنبؤات الجوية، زيادة الاحتياجات إلى التبريد.

التبريد الهجين و التطويع الجوي

وفي كثير من المناخات، يمكن استخدام الهواء الخارجي لاستكمال التبريد الميكانيكي أو استبداله، ويدخل التطويع في الهواء الخارجي المبرد، ويرشّحه، ويوزعه عبر مركز البيانات، بينما يستنفد الهواء الساخن، ويقلل بشكل كبير من طاقة التكرير والمبردات، غير أنه يتطلب إدارة دقيقة للرطوبة والملوثات، وتجمع النظم الهجينية بين التبريد الحر وبين نظم التبريد التقليدية توفر المرونة.

أفضل الممارسات لتصميم نظام فعال للتدفق الجوي

وتنفيذ الاستراتيجيات المذكورة أعلاه هو الأكثر نجاحا عندما يسترشد بمجموعة من المبادئ التصميمية المثبتة، وتساعد هذه الممارسات الفضلى على ضمان بقاء نظام التدفقات الجوية فعالا ومرتقبا ومرنا على دورة حياة مركز البيانات.

بدء بتقييم حراري شامل

قبل إجراء التغييرات، إجراء مراجعة شاملة للظروف القائمة، واستخدام التصوير الحراري، وقياسات سرعة تدفق الهواء، ورسم خرائط الضغط لتحديد التسربات، والحواجز، ومناطق الخلط، ويسترشد هذا الخط بجميع القرارات اللاحقة المتعلقة بالتصميم، ويوفر معيارا لقياس التحسينات. (يرجى الرجوع إلى المبادئ التوجيهية الصادرة عن [(FLT:0]]]] المعهد غير الرسمي ] لوضع المعايير المرجعية.

تصميم نظام الوحدات وإعادة التنظيم

وكثيرا ما تتغير مخططات مراكز البيانات، حيث تستخدم وحدات التبريد المتحركة، وألواح الاحتواء القابلة للتنقل، وأجهزة إطفاء التدفق الجوي القابلة للتعديل التي يمكن إعادة تشكيلها بسهولة، وينبغي أن تكون الألواح الخفيفة قائمة جرد موحدة، وألا تترك أبدا أماكن للطرق المفتوحة، وينبغي أن تظل الطرق المتحركة فوق الأرض أو في صنابير عامة لإبقاء المستودعات الناقصة خالية، وهذا النهج النموذجي يقلل من تكلفة التوسع وزته.

تنفيذ مسارات الهواء الرادعة

ويجب أن تكون إدارة التدفقات الجوية مرنة لفشل المعدات، وإذا فشلت وحدة من وحدات إدارة الرحلات الجوية، فهل لا تزال الوحدات المتبقية تقدم التبريد الكافي لجميع الرف؟ تصميم نظام الصمامات والإطارات بحيث لا يؤدي فشل أحد المعجبين إلى وجود بقعة ساخنة حرجة، واستخدام التصليحات من طراز N+1 لوحدات التبريد وضمان عدم اعتماد مسارات التوزيع الجوي اعتمادا مفرطا على صف واحد من الرواسب أو من الصفائح.

الرصد والتحسين المستمر

ولا يصلح أفضل تصميم إلا بقدر ما هو عليه الحال في تشغيله، إذ ينشر الرصد الدائم لدرجات الحرارة والرطوبة وفرق الضغط واستخدام الطاقة، ويستخدم لوحات التنبيه التي تحذر المشغلين من الانحرافات عن نقاط معينة، وتستكمل الاستعراضات المنتظمة لنموذجي الديوكسينات المميتة مع بيانات العالم الحقيقي، وتجد العديد من المرافق أن أداء التدفق الجوي ينخفض بمرور الوقت مع ارتدائه في الكابلات المتراكمة وختمات.

إدماج نظم إدارة المباني وتكنولوجيا المعلومات

ولا ينبغي أن توجد ضوابط للتدفق الجوي في مكان واحد، إذ يمكن للنظام أن يخفض التدفقات الجوية عموماً مع الحفاظ على التبريد الكافي للحواسيب العاملة، كما أن إدماج نظام إدارة المعلومات والاتصالات يتيح أيضاً تنسيق عمليات التبريد مع الجدول الزمني لحجم العمل في مجال تكنولوجيا المعلومات، وعلى سبيل المثال، خلال فترات الحمل المنخفض، يمكن أن يقلل من التدفقات الجوية عموماً مع الحفاظ على التبريد الكافي للحواسيب العاملة.

خاتمة

ولا تزال إدارة التدفقات الجوية الفعالة من أقوى المعالم لتحسين كفاءة تشغيل مركز البيانات والحد من الأثر البيئي، إذ إن الجمع بين استراتيجيات الاحتواء المادي، والنموذج المتقدم وشبكات الاستشعار، والالتزام بالتصميم النموذجي والمرن، يمكن للمشغلين أن يحققوا أداء التبريد الذي يواكب ارتفاع الطلب على الكثافة مع خفض تكاليف الطاقة، وقد يتطلب السفر من بيئة جوية غير متحكم فيها إدارة جيدة إلى نظام محكم لاستدامة أعلى من حيث التكلفة، ولكن