ЦОДы на постоянном токе. Необходимость поменять парадигму в целях устойчивости и экономии

Источники питания постоянного тока позволяют создавать более компактные и мощные системные архитектуры центра обработки данных, которые, благодаря умелому планированию, также могут снизить общую стоимость системы. Но сначала мы должны сменить акценты.
Огромные объемы не использованной электроэнергии просто исчезают в центрах обработки данных, теряясь из-за утомительных, непрерывных и в конечном итоге ненужных процессов преобразования и трансформации. Но переключение преобладающего переменного тока (AC) на постоянный ток (DC), которое эффективно устранит значительный процент этих потерь, потребует значительного изменения мышления.

^{Глобальная тенденция к цифровизации повышает спрос на хранение данных и способствует как крупномасштабному производству оборудования для центров обработки данных, так и увеличению числа новых центров обработки данных.}

Однако преимущества энергосбережения, которые дает переход архитектур ЦОД к источникам питания постоянного тока, выходят далеко за рамки экологической устойчивости. Источники питания постоянного тока позволяют создавать более компактные и мощные системные архитектуры центров обработки данных, которые - за счет умелого планирования - также могут снизить общую стоимость системы, а также время и усилия, затрачиваемые на установку и обслуживание. Так что решение проблем связанных с переходом на новое питание будет стоящим делом.

Если AC менее эффективен, зачем это нужно?
Тот факт, что любое упоминание электрического напряжения почти всегда относят к переменному току, не означает, что так будет всегда. Во время Войны токов в конце 19- го века сторонники AC Никола Тесла и Джордж Вестингауз выступили против Томаса Альвы Эдисона, который привел серьезные доводы в пользу постоянного тока (DC), в первой в мире войне формального формата. Мы знаем, чем заканчилась эта история, но в то время результат не был очевиден.

Постоянный ток: нестандартный, но существующий
К счастью, поражение Эдисона в борьбе за стандартизованный источник электроэнергии первичного напряжения не стало концом существования теории постоянного тока. Фактически, в цифровую эпоху существует множество электроники с питанием от постоянного тока, включая пользовательские устройства, промышленное ИТ-оборудование, коммуникационные технологии, электромобили и многое другое. В конце цепочки поставок энергии быстро развиваются технологии, имитирующие первичную цепь питания переменного тока в альтернативном энергетическом оборудовании, которое генерирует постоянный ток, например в фотоэлектрических элементах, топливных элементах и ​​ветряных турбинах. Существует также важное исключение из обычно преобладающего использования переменного тока в качестве стандарта для передачи энергии: системы передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC), которые обеспечивают мощную передачу электроэнергии с низкими потерями на большие расстояния.
Таким образом, несмотря на проигрыш в битве за стандартизацию более 100 лет назад, все больше и больше электроэнергии в настоящее время поставляется в форме постоянного тока, по крайней мере, в один сегмент цепочки энергоснабжения, который состоит из оборудования для производства, передачи и хранения энергии и, на дальнем конце — самого устройства. Хотя по определенным техническим причинам для снижения напряжения может потребоваться преобразование постоянного тока в переменное, напряжение и частота переменного тока, во многих случаях, в значительной степени все еще используются из-за преобладания существующей инфраструктуры, построенной для поддержки стандартизированной мощности переменного тока. Однако эти преобразования всегда приводят к довольно значительным потерям мощности и суммам потраченной впустую энергии и всегда генерируют ненужное тепло, что также негативно влияет на электронные системы, и этого можно легко избежать, переключив системы электропитания на постоянный ток.

Энергозатратные центры обработки данных
Согласно независимому британскому отчету от 2016 года, центры обработки данных потребляют примерно 3% мировой электроэнергии и составляют 2% от общего объема выбросов парниковых газов, что, учитывая огромное количество существующих электронных систем и устройств, является довольно большой цифрой. Фактически, глобальный экологический след центров обработки данных примерно эквивалентен влиянию авиационной отрасли, которую часто критикуют за ее воздействие на окружающую среду. В глобальном масштабе центры обработки данных ежегодно потребляли в среднем 416,2 тераватт-часов (ТВт-ч) электроэнергии в течение последних нескольких лет, в то время как все Соединенное Королевство, в котором проживает более 66 миллионов человек, постоянно входит в десятку лучших регионов мира по ВВП — потреблялось в среднем только около 300 ТВтч в год за тот же период. Итак, можно с уверенностью сказать, что современные центры обработки данных — настоящие пожиратели энергии.
Показатель, обычно используемый для оценки энергоэффективности центра обработки данных, PUE сравнивает общий объем энергопотребления центра обработки данных с количеством энергии, потребляемой его компьютерами. Например, значение PUE 1,3 означает, что 30% потребляемой энергии рассеивается в виде тепла и не используется. Может показаться, что это много, но на самом деле это считается отличным показателем PUE. Значения около 2 и выше — это скорее правило, чем исключение.

Почему возникают потери?
Потери мощности возникают повсеместно — в процессорах, охлаждающих устройствах, в распределенных энергосистемах и т.д. Традиционные центры обработки данных получают энергию от сети переменного тока среднего напряжения. Это переменное напряжение сначала понижается и конвертируется в постоянный ток, чтобы питать батареи в системах бесперебойного питания, которые обеспечивают центры обработки данных достаточным запасом энергии для поддержки непрерывной работы, по крайней мере, на определенное время, в случае длительного отключения. Затем напряжение преобразуется обратно в переменный ток и подается на блоки распределения питания центра обработки данных, которые питают отдельные серверные блоки питания перед преобразованием обратно в постоянный ток для питания самих серверов, которые работают от постоянного тока. Во время каждого из этих многочисленных преобразований энергия рассеивается в виде потерь тепла.

DC подход к центрам обработки данных
Поскольку каждое преобразование переменного тока в постоянный приводит к потерям мощности и тепловыделению, а серверы центров обработки данных уже работают от постоянного тока, имеет смысл обеспечение центров обработки данных постоянным током и продолжение его использования по всей цепочке питания с максимальной стабильностью. Чтобы внести это изменение, используя как можно больше существующей инфраструктуры,входное напряжение должно быть преобразовано в постоянный ток с помощью мощного выпрямителя. Затем источник постоянного тока будет обеспечивать аккумуляторы для ИБП перед передачей в распределительное устройство постоянного тока для дальнейшего распределения на новые серверные источники питания постоянного тока и, наконец, на серверы, которые уже используют напряжения питания постоянного тока. Еще более эффективный вариант мог бы заменить традиционное электроснабжение переменного тока на прямые источники постоянного тока, генерируемые альтернативными энергетическими системами.

Преимущества DC центров обработки данных
Схема постоянного тока к архитектуре энергоснабжения центра обработки данных использует значительно меньше компонентов, чем текущая схема переменного тока. Меньшее количество компонентов требует меньше времени на установку и обслуживание, снижает вероятность ошибок, повышает надежность системы и снижает затраты на установку и обслуживание, что также делает использование схемы постоянного тока экономичным решением. Согласно исследованию, проведенному компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT), можно ожидать, что надежность системы центра обработки данных вырастет в десять раз просто за счет меньшей сложности. Кроме того, согласно расчетам и исследованиям таких компаний, как ABB, Amstein+Walthert и Stulz, устранение различных преобразований и конверсий мощности позволяет повысить эффективность передачи данных на сервер на 10%, снизить инвестиционные затраты на инфраструктуру примерно на 15%, и сокращает необходимое пространство примерно на 25%.
Архитектура центров обработки данных постоянного тока также улучшает качество электропитания. Она устраняет проблемы с нежелательными гармоническими колебаниями, а также необходимость фазовой компенсации, синхронизации (для подключения различных источников и сетей) и даже выпрямителей и инверторов, поскольку батареи напрямую подключены к источнику постоянного тока.
Кроме того, поскольку центры обработки данных почти исключительно расположены в сельских районах из-за более высокой стоимости более плотно заселенных населенных пунктах, в них гораздо проще интегрировать возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические элементы, топливные элементы или ветряные турбины, особенно если они уже поставляют электричество в виде постоянного тока.

Стандарты
На данный момент уже существует несколько центров обработки данных постоянного тока в Китае, Японии, США, Германии и Швейцарии. Однако пока не существует обязательных стандартов, которых необходимо придерживаться. Международная электротехническая комиссия (МЭК) поставила перед собой задачу создать недостающее звено со стандартизованными вилками и розетками в соответствии с TS 62735. Стандарт IEC TS 62735-1 для систем распределения электроэнергии мощностью до 2,6 кВт был принят августа 2015 года, а также IEC TS 62735 -2 для систем распределения электроэнергии с выходной мощностью до 5,2 кВт, которые больше не могут быть разделены под нагрузкой, был утвержден в декабре 2016 года.
Следующим шагом является официальное утверждение разъема на стороне потребителей. На рынок было выведено несколько различных подходов к соединителям постоянного тока, но ни один из них не смог занять преимущественное положение из-за отсутствия стандартов. Таким образом, различные поставщики работают с органом по стандартизации МЭК, чтобы создать международно признанный стандарт для разъемов постоянного тока на основе предыдущего стандарта переменного тока IEC 60320.
Глобальное преобразование источников напряжения в центре обработки данных должно быть постепенным, чтобы все устройства с питанием не нужно было переключать с источника переменного тока на постоянный одновременно. Тем не менее, активно ведутся поиски решений для поддержки этого изменения, включая оборудование, которое может питать устройства центра обработки данных от источника переменного и постоянного тока. Блоки питания этих устройств могут обрабатывать оба напряжения питания, но международное эффективное решение должно также гарантировать соблюдение всех мер безопасности.

Какие недостатки DC?
Там, где есть свет, есть и тень. Этот универсальный принцип также применим к центрам обработки данных постоянного тока. По сравнению с преобладающими архитектурами систем переменного тока, архитектур центров обработки данных постоянного тока все еще относительно мало. Таким образом, отсутствуют данные об их долгосрочной эффективности и преимуществах. Доступность компонентов постоянного тока все еще находится в в стадии становления, и требуют не только стандартизации, но также нового системного подхода к источникам постоянного тока с интегральным планированием от сети до микросхемы. Например, поскольку потери происходят в каждой энергосистеме, центры обработки данных постоянного тока по-прежнему испытывают такие потери, как потеря тепла, и требуют наличие системы охлаждения с источником постоянного тока. Им также потребуются системы кондиционирования воздуха постоянного тока, системы противопожарной защиты, системы контроля доступа и системы управления зданиями.
Сотрудничество на массовом рынке между всеми производителями, поставщиками, инженерами, проектировщиками, организациями по стандартизации, операторами и другими участниками цепочки поставок электроэнергии будет необходимо для эффективного достижения этой масштабной смены теории и использования многих преимуществ данных постоянного тока.

Прогнозы
Дата-центры на базе источников питания постоянного тока обладают огромным потенциалом. Преимущества включают значительную экономию энергии, а также значительную экономию эксплуатационных расходов и затрат на инфраструктуру, требований к физическому пространству и времени, необходимого для установки и обслуживания. Поскольку в них используется меньше компонентов, они также обеспечивают более высокую надежность. Центры обработки данных постоянного тока также имеют возможность напрямую использовать энергию постоянного тока из возобновляемых источников энергии без дополнительных процессов преобразования или конверсии, что еще больше повысит эффективность, общую стоимость системы и устойчивость. Наконец, качество питания постоянного тока однозначно лучше, чем у переменного тока. Таким образом, поставщики компонентов связи, и международные организации по стандартизации, активно работают, для того чтобы реализовать огромный потенциал архитектур ЦОД постоянного тока.

07.09.2020