Tekoälypalvelinten kasvava tehotiheys tekee datakeskusten varmistamisesta aiempaa monimutkaisempaa. Ylimääräiset teholähteet voivat parantaa käyttövarmuutta, mutta samalla ne lisäävät lämpökuormaa ja häiritsevät ilmavirtoja. Siksi tehonsyöttö, varmennus ja jäähdytys on suunniteltava yhtenä kokonaisuutena.

Kun näitä ratkaisuja kehitetään, suunnittelijat saattavat käsitellä lämmönhallintaa, tehonkulutusta ja suorituskykyä erillisinä ongelmakohtina. Usein oletetaan, että kunkin kohteen ratkaiseminen erikseen tuottaa toimivan lopputuloksen koko suunnitelman kannalta. Datakeskukset eivät kuitenkaan ole pelkästään osiensa summia, vaan lämmönhallinta, tehonsyöttö ja suorituskyky kytkeytyvät tiiviisti toisiinsa.

On tärkeää huomata, että tehonsyötön varajärjestelmät, kuten ylimääräiset UPS-laitteet tai varmuusgeneraattorit, eivät ratkaise automaattisesti lämmöstä aiheutuvia ongelmia. Ylimääräinen tehonsyöttökapasiteetti tai epätasainen tehonjako voi lisätä lämmöntiheyttä, muuttaa ilmavirran suunniteltua kulkua ja kasvattaa jäähdytyksen tarvetta.

Tässä artikkelissa tuodaan esille suunnittelijoiden datakeskusten toteuttamisessa kohtaamia haasteita sekä käsitellään varajärjestelmiin ja lämmönhallintaan liittyviä kysymyksiä ja niiden ratkaisuja suunnittelussa.

Datakeskusten suunnittelun ongelmakohtia

Teknologian muutosvauhti on ollut viime vuosina eksponentiaalista. Uudet laitealustat, jatkuvasti kehittyvät algoritmit ja käyttäjien tarpeiden muutokset ovat kaikki vaikuttaneet kasvuun, mutta ennen kaikkea tekoäly – ja erityisesti laajat kielimallit ja visuaaliset käsittelyjärjestelmät – on ollut kehityksen yksittäinen veturi.

Siinä missä miljoonien käyttäjien perinteisten pilvipalvelujen toteuttamiseen tarvitaan verrattain vähän laitteistoa, tekoälylaskenta edellyttää massiivista rinnakkaisuutta. Siihen tarvitaan erikoistuneita palvelinrakenteita, jotka sisältävät tehokkaita suoritinyksiköitä, grafiikkasuorittimia ja suuren määrän RAM-muistia. Lisäksi mallien koulutus ulottuu usein satoihin palvelimiin, joiden tehotiheydet ovat aivan eri luokkaa kuin muutama vuosi sitten.

Tekoälyn ja laitteistototeutusten nopean kehityksen vuoksi on tultu tilanteeseen, jossa HDD-kiintolevyistä ja RAM-muisteista on suuri pula, koska valmistajat ovat priorisoineet tuotantoaan palvelintason komponentteihin vastatakseen tekoälyn kasvaneeseen kysyntään. Myös siellä, missä tekoälytason laitteita on jo saatavilla, järjestelmien tehonkulutuksesta on nopeasti tulossa merkittävä pullonkaula.

Tyypillinen palvelimista koostuva laitekehikko, joka on aiemmin kuluttanut tehoa 15 kW, kuluttaa nykyisin säännöllisesti 80 kW. Seuraavan sukupolven ratkaisuissa tehonkulutuksen arvioidaan yltävän jo 240 kilowattiin. Tällaisilla kulutustasoilla jo muutaman sekunnin koulutusajan menettäminen maksaa satojentuhansien dollarien arvosta energiaa ja aikaa.

Varmennuksen ja lämpenemisen yhteisvaikutus

Palvelinten suunnittelussa varajärjestelmiin ja lämmönhallintaan liittyviä kysymyksiä on perinteisesti käsitelty erillisinä ja itsenäisesti ratkaistavina asioina.

Luotettavuutta arvioitaessa yksi suunnittelijoiden merkittävimmistä valinnoista on ollut, valitaanko rakenteeksi kuuma vai kylmä varajärjestelmä. Kuumassa kokoonpanossa kaikki tehonsyöttöyksiköt pysyvät jännitteellisinä ja jakavat kuorman. Kylmässä kokoonpanossa varayksiköt pysyvät offline-tilassa siihen asti, kunnes pääyksikkö poistuu käytöstä. Kumpikin lähestymistapa vaikuttaa eri tavalla lämpökuormaan, varajärjestelmään siirtymisen nopeuteen ja toimintakustannuksiin taulukossa 1 esitetyn mukaisesti.

Taulukko 1: Datakeskusten tehonsyöttöön tarkoitettujen kuumien ja kylmien varajärjestelmästrategioiden vertailu.

Lämmönhallinnan suunnittelu kohdistuu ilmavirtausten, vastapaineen ja tuulettimien suuntauksen määrittelyyn. Esimerkiksi väärin suunnatut tuulettimet tai liian suuri ilmavirtaus voivat synnyttää negatiivisia painealueita, jolloin kuumaa ilmaa virtaa takaisin palvelimiin ja jäähdytyksen teho heikkenee. Palvelinten väliin sijoitetulla kuumalla keskikanavalla voidaan estää kuuman ilman uudelleenkierto. Niin kauan kuin teholähdeyksikön ja palvelinten tuulettimet puhaltavat oikeaan suuntaan, kuumat kanavat pysyvät eristettyinä kylmistä kanavista.

Perinteisissä, varsin vähän prosessointitehoa vaativissa toteutuksissa edellä mainitut asiat olivat helposti hallittavissa. Tekoälyn myötä prosessointitehon tarve on kuitenkin aivan eri luokkaa.

Koska tekoälypalvelinten laitekehikoissa syntyy merkittävästi aiempaa suurempia lämpökuormia, ylimääräisten teholähdeyksiköiden lisääminen ei enää itsestään selvästi paranna luotettavuutta ja käyttövarmuutta.

Ensinnäkin modernien tekoälysovellusten merkittävästi suurempi tehonkulutus – palvelimen tehontarve voi olla 240 kW – merkitsee sitä, että teholähteiden on oltava suurempia tai niitä tarvitaan useita rinnakkain kytkettyinä. Ylimääräisten teholähdeyksiköiden lisääminen voi kuitenkin häiritä ilmavirtausten etenemistä, mikä puolestaan nostaa komponenttien lämpötiloja yli turvarajojen.

Lisäksi teholähteiden lisääntynyt käyttö kasvattaa datakeskuksen kuuman kanavan lämpökuormaa. Jos positiivista painetta muodostuu liikaa, kuumaa ilmaa voi vuotaa takaisin kylmälle puolelle ja nostaa järjestelmäkomponenttien lämpötiloja.

Näin ollen teholähdeyksiköiden valinta on tehtävä koko järjestelmän lämpöolosuhteiden mukaisesti.

Varmennuksen ja lämpenemisen yhteishallinnan strategiat

Mitä tällä tarkoitetaan? Enää ei riitä, että teholähdeyksikön datalehdeltä poimitaan sen lämpötekniset perusarvot. Suunnittelijan on otettava huomioon, millainen vaikutus varajärjestelmillä on jäähdytykseen ja päinvastoin.

Ensimmäiseksi kannattaa ottaa käyttöön mahdollisimman tehokkaita teholähdeyksiköitä. 80 Plus Titanium -merkinnällä varustetuissa yksiköissä lämpöhäviö tuotettua wattia kohden on pieni, mikä parantaa komponenttien luotettavuutta ja vähentää niihin kohdistuvaa lämpökuormaa.

Toinen suunnittelijan käytettävissä oleva vaihtoehto on tutkia kuormaa jakavien teholähdeyksiköiden käyttöä. Tällaisissa kokoonpanoissa useat yksiköt toimivat rinnakkain ja jakavat kokonaiskuorman sen sijaan, että järjestelmä joutuisi luottamaan yksittäisen yksikön suorituskykyyn. Jos yksi teholähdeyksikkö vikaantuu, jäljelle jäävät yksiköt vastaavat koko kuormasta, jolloin häiriöaika minimoituu. Menetelmä tuottaa myös lisähyötyä hajauttamalla lämpökuormaa, mikä vähentää yksittäisiin teholähdeyksiköihin muodostuvien kuumien pisteiden vaaraa.

Modernien tekoälyyn perustuvien palvelinjärjestelmien suunnittelussa on otettava huomioon myös laitekehikon ja ilmavirtausten hallinta. Teholähdeyksiköiden tuulettimien on toimittava kotelon suunniteltujen ilmavirtausten mukaisesti, jolloin ilmavirran kulkua häiritsevät vastapaine ja muut tekijät voidaan minimoida. Yhtenä parhaista menetelmistä pidetään lämpömallien muodostamista P–Q-ominaistiedoista tai FloTHERM-simulaatioiden ajamista ennen toteutusta.

Lämpökuormitusta voidaan lisäksi vähentää käyttämällä aina kun mahdollista kylmiä varmennuskytkentöjä, jotka ehkäisevät ilmavirtaan vaikuttavia häiriöitä. Niistä voi kuitenkin seurata lyhyitä katkoksia tehonsyöttöön kytkentätilanteissa.

Koordinointi järjestelmätasolla on myös olennainen osa suunnittelua. Teholähdevalmistajilta, kotelointisuunnittelijoilta ja datakeskushenkilöstöltä edellytetään toimivaa yhteistyötä, jotta ilmavirtausten ja lämmön hallinta voidaan optimoida. Tämä tapahtuu usein sovittamalla teholähteet niille suunniteltuihin laitekehikkoihin ja varmistamalla, että kaappikotelot soveltuvat teholähdeyksiköille ja laitekehikoille. Teholähdevalmistajan on esimerkiksi helppo suunnitella järjestelmänsä yhtä tiettyä yksikköä silmällä pitäen. Jos suunnittelija tarvitseekin 20 vieri viereen pakattavaa yksikköä, valmistajan on otettava myös tämä huomioon.

Pidemmällä aikavälillä nestejäähdytyksestä voi tulla standardi tiheästi pakatuissa tekoälyä sisältävissä laitekehikoissa. Se auttaa hallitsemaan keskussuorittimissa, grafiikkasuorittimissa ja useissa teholähdeyksiköissä suljetussa tilassa muodostuvaa lämpöä. Ennen kuin näistä järjestelmistä tulee valtavirtaa, ilma-avusteinen jäähdytys säilyy kuitenkin datakeskusten pääasiallisena jäähdytystekniikkana eri puolilla maailmaa.

Yhteenveto

On tärkeää tunnistaa, että varmennusjärjestelmät eivät yksin takaa koko järjestelmän luotettavuutta. Teholähdeyksiköiden lisääminen kasvattaa lämpökuormaa, häiritsee ilmavirtausten kulkua ja tekee lämmönhallinnasta monimutkaisempaa. Tiheästi komponentteja sisältävissä, tekoälysovelluksiin tarkoitetuissa datakeskuksissa lämpörajat määrittävät myös datakeskuksen toimintakyvyn rajat ja laajemmin koko järjestelmän liiketoiminnallisen kannattavuuden.

Kun teholähdeyksiköitä valitaan tekoälysovelluksiin, lämmönhallintaa ja luotettavuutta on tarkasteltava järjestelmätasolla. Suunnitteluvaiheessa on löydettävä tasapaino teholähdeyksiköiden suorituskyvyn, tuulettimien suuntauksen, ilmavirtausten etenemisen ja varmennusstrategian välillä. Niitä on käsiteltävä yhtenä yhteisenä ongelmana eikä erillisinä kysymyksinä. Älykäs varmennus yhdistää kuumat ja kylmät varmennusstrategiat kuormanjakoon siten, että häiriöiden kesto lyhenee ilman järjestelmän ylikuumenemista.

Tulevaisuuden vaatimukset huomioon ottavien datakeskusten suunnittelussa lämmönhallinta on otettava huomioon alusta lähtien. Siinä yhdistyvät ennakkomallinnus, suorituskykyiset teholähdeyksiköt, koordinoidut ilmavirrat ja edistyneet jäähdytystekniikat yhdeksi kokonaisuudeksi. Kun tehonsyötön tehokkuutta ja lämmönhallinnan strategioita käsitellään yhtenäisenä kokonaisuutena, voidaan toteuttaa luotettavia ja tiheästi pakattuja tekoälyjärjestelmiä, jotka täyttävät suorituskyvylle asetettavat vaatimukset myös tulevaisuudessa.