Система электроснабжения — один из ключевых компонентов любого центра обработки данных (ЦОД) и гарант бесперебойного функционирования объекта. Какие решения помогут сделать работу системы более эффективной и повысят КПД центров обработки данных?

ЦОДы остаются критически важными объектами для обеспечения надежной непрерывной работы ИТ-инфраструктуры предприятий. Их электроснабжение предполагает обеспечение постоянного электропитания для оборудования в пределах заданных параметров, таких как напряжение, частота, стабильность. С этой целью используются системы бесперебойного питания (UPS) и дизель-генераторы резервного питания, подающие электропитание в случае сбоя основной сети.

Также требования к системе электроснабжения включают мониторинг и управление энергопотреблением для определения источников потери энергии и их купирования. Подобные системы помогают предотвратить перегрузку сети и избежать возможных сбоев. А вычислительные способности искусственного интеллекта позволяют прогнозировать и сокращать ЧП в работе, что улучшает общие показатели надежности ЦОДа.

Внимание на потери

Во многих исследованиях на тему наиболее выгодных технологий для энергоснабжения центров обработки данных можно встретить следующую схему распределения потребления энергии «среднего» ЦОДа:

• Оборудование ИТ — 30%
• Освещение — 1%
• Основная распределительная система — 1%
• Системы кондиционирования воздуха — 9%
• Увлажнитель — 3%
• Устройства бесперебойного питания — 18%
• Устройство/блок распределения электропитания — 5%
• Холодильная установка — 33%.

«И хотя такая классификация достаточно спорна (например, увлажнение — часть кондиционирования), она продиктована перечнем монтируемого оборудования. Отсюда виден, во-первых, невысокий КПД данного «усредненного» ЦОДа, а во-вторых, — возможные меры по его повышению. Видно, что значительную долю «потерь» составляют системы охлаждения и бесперебойного питания», — пояснил в беседе с корреспондентом «Энергетика и промышленность России» кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий и автоматизированных систем ПНИПУ Даниил Курушин.

Поскольку вычислительные мощности дата-центров постоянно растут, то воздушная система охлаждения постепенно утрачивает свою эффективность. В этой связи требуются современные решения для обслуживания более высокой вычислительной нагрузки серверных шкафов.

Наряду с совершенствованием воздушного охлаждения возможно внедрение жидкостной системы. Так как жидкость обладает большей теплоемкостью, чем воздух, это дает возможность использовать более высокопроизводительные процессоры и размещать оборудование плотнее.

Принимая во внимание тот факт, что значительная часть электроэнергии, потребляемой ЦОДом, тратится на систему охлаждения, улучшение последней положительно отразится на энергоемкости всего дата-центра.

ЦОДы — в Арктику

Одним из направлений повышения энергоэффективности ЦОДов является размещение их в таких географических и климатических зонах, где есть возможность снизить влияние негативных факторов. В связи с этим некоторые ученые находят возможным построение кластеров центров обработки данных в Арктике. Действительно, регион защищен от большинства естественных угроз: землетрясений, тропических штормов или последствий потепления климата.

Но есть в этом предложении и негативные стороны. Среди них — сравнительно слабое развитие инфраструктуры, потребность в дополнительных источниках энергии. В частности, отмечается, что располагать новые ЦОДы в Арктике в имеющихся условиях более эффективно на материковой части, которая либо электрифицирована, либо находится рядом с ВИЭ.

«В нашей стране имеется опыт внедрения некоторого функционального аналога «арктического ЦОДа» — ПАТЭС «Академик Ломоносов». Разумеется, основное назначение данной станции — обеспечение теплом и электроэнергией города Певек и промышленных объектов в нем. Но сама ПАТЭС, как и любая атомная станция, в том числе имеет и информационно-телекоммуникационную подсистему, которая нуждается в тех же системах обеспечения, что и ЦОД, с поправкой на масштаб, конечно.

Кроме того, член Президиума Коорсовета по развитию Арктики и северных территорий, профессор Александр Федотовских ранее акцентировал внимание на том, что до 2017 года в Норильске и на Таймыре невозможно было представить создание дата-центров. Но с появлением волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) с высокими скоростями интернета ситуация резко изменилась. На Севере нет проблем со зданиями и помещениями для дата-центров. В арктических городах часто пустуют здания закрытых предприятий, при этом к ним подведены все коммуникации», — отметил Даниил Курушин.

Он уверен, что в ближайшие годы стоит ждать экстенсивного развития «компьюта», потребного для развивающихся нейросетевых архитектур. Нейросети «глубокого обучения» будут нуждаться в вычислительных мощностях, которые, в свою очередь, необходимо обеспечивать энергией.

«Частично эта проблема может решаться за счет виртуализации, но она не снимает саму проблему утилизации тепла и обеспечения энергией. Создание СЭС и ветропарков тоже не решает проблему: дата-центры нуждаются в электроснабжении без скачков мощности, так как потребляют энергию достаточно равномерно, вне зависимости от времени суток и сезона.

Одним из решений проблемы обеспечения энергией являются АЭС, в том числе малой мощности, включенные в так называемый «замкнутый топливный цикл». Таким образом, стоит стремиться к инвестированию в инфраструктуру материковых районов Севера, развитие новых направлений в энергетике, расширение существующих и строительство новых каналов связи», — подытожил эксперт.

В настоящее время существуют множество дата-центров, требующих модернизации с целью обеспечения потребности в вычислительных мощностях. Ориентиром трансформации действующих ЦОДов останутся энергоэффективность, масштабируемость и автономность.

Наряду с этой тенденцией автоматизация процессов в ЦОДах продолжается, все больше функций делегируются системе, не требующей прямого участия персонала в обслуживании дата-центра. Очевидно, что развитие отрасли ЦОДа неразрывно связано с технологиями будущего, которые уже сейчас становятся реальностью.

В ожидании роста

Эксперты Международного энергетического агентства (МЭА) в ежегодном отчете «Электричество-2024. Анализ и прогноз до 2026 года» прогнозируют, что через несколько лет глобальные потребности в электроэнергии со стороны ЦОДов могут вырасти в два раза. По оценкам аналитиков МЭА, центры обработки данных, криптовалюты и искусственный интеллект (ИИ) потребили около 460 ТВт•ч электроэнергии во всем мире в 2022 году, почти 2% от общего объема мирового производства электроэнергии. Центры обработки данных являются важной частью инфраструктуры, которая поддерживает цифровизацию вместе с энергетической инфраструктурой, которая их питает.

Постоянно растущее количество цифровых данных требует расширения и развития центров обработки данных для их обработки и хранения. Спрос на электроэнергию в центрах обработки данных в основном состоит из двух компонентов, при этом на вычисления приходится 40% спроса на электроэнергию дата-центра. Потребности систем охлаждения для достижения стабильной работоспособности средств обработки аналогично составляют еще около 40%. Остальные 20% приходятся на другие элементы ЦОДа и сопутствующее ИТ-оборудование (системы хранения, системы связи и т. п.).

Будущие тенденции сектора центров обработки данных сложно определить, поскольку технологические достижения и цифровые услуги быстро развиваются. В зависимости от темпа развертывания, ряда улучшений энергоэффективности, а также развития задач искусственного интеллекта и тенденций в области криптовалют мы ожидаем, что центры обработки данных будут потреблять электроэнергию (включая на традиционные задачи, на криптовалюты и на задачи искусственного интеллекта) в целом от 620 до 1050 ТВт•ч в 2026 г., при базовом сценарии — на уровне чуть более 800 ТВт•ч — по сравнению с 460 ТВт•ч в 2022-м.

Это означает дополнительно от 160 ТВт•ч до 590 ТВт•ч потребления электроэнергии в 2026 году по сравнению с 2022 годом, что примерно эквивалентно добавлению как минимум еще одной экономики Швеции или как максимум одной экономики Германии.