Датацентри можна назвати «фундаментом» інтернету, адже на них тримаються більшість процесів, що відбуваються в мережі. Тож уявіть, яке навантаження вони витримують, щоб пропустити крізь весь цей потік даних.
У результаті сервери виділяють значну кількість тепла. Тому щоб забезпечити їхню безперебійну роботу, використовуються системи охолодження.
У цій статті ми розглянемо найпопулярніші методи підтримки оптимальної температури у центрах обробки даних і розберемо їх переваги та недоліки.

Як працюють датацентри

Для початку пропонуємо розібратися загалом у тому, як працюють датацентри або як їх ще називають центрами обробки даних. 
Це високотехнологічний об’єкт, у якому розміщуються сотні або навіть тисячі серверів, систем зберігання даних, мережевих пристроїв і телекомунікаційного обладнання.
Ці центри виконують три ключові функції:
  • зберігання даних — усі хмарні сервіси, вебсайти, відео та застосунки зберігаються на серверних дисках;
  • обробка інформації — процесори виконують мільйони операцій, підтримуючи роботу програм і сервісів;
  • передавання даних — завдяки маршрутизаторам і комутаторам інформація миттєво переміщується між користувачами та серверами.
Однак робота датацентру — це не лише сервери. Це цілий екосвіт технічних систем, які забезпечують безперервність і стабільність процесів.
Електроживлення
Усі пристрої підключені до безперебійних джерел живлення (UPS) і резервних генераторів, які миттєво вмикаються у разі збою електромережі.
Безпека та моніторинг
Кожен параметр — від температури до вологості — контролюється автоматизованими системами. Доступ до серверних зон обмежений, а роботу обладнання відстежують інженери 24/7.
Мережеві з’єднання
Датацентр має кілька незалежних каналів зв’язку, що гарантує безперебійність інтернет-підключення навіть у разі відмови одного з них.
Резервування
Дублюються усі критичні елементи: від кабелів живлення до систем охолодження ЦОД. Це забезпечує безперервну роботу навіть у разі аварії.
Усі ці процеси супроводжуються величезним споживанням електроенергії. Найбільша її частка припадає саме на охолодження серверів, адже під час роботи вони виділяють колосальну кількість тепла.
За оцінками, до 40% енергоспоживання датацентру йде саме на підтримання оптимальних умов: температури та вологості повітря. Саме тому пошук енергоефективного охолодження ЦОД став одним із ключових напрямів їх розвитку.
Далі розглянемо основні методи та технології, які дозволяють підтримувати оптимальну температуру в таких центрах.

Типи систем охолодження датацентрів

Кондиціювання серверних кімнат

У перші роки розвитку ІТ-інфраструктури, коли датацентри фактично були звичайними офісними або технічними кімнатами, для підтримання потрібної температури використовували традиційні кондиціонери.
Так з’явилися перші системи Computer Room Air Conditioning (CRAC) — рішення, що забезпечували базове охолодження серверного обладнання.
У класичній CRAC-системі охолоджене повітря подається безпосередньо в серверне приміщення — найчастіше через під raised floor (підняту підлогу) або вентиляційні канали. Повітря, проходячи через серверні шафи, нагрівається й повертається до кондиціонера, де цикл повторюється.
Основна перевага CRAC — простота впровадження та обслуговування. Такі системи легко інтегруються у вже наявну вентиляційну інфраструктуру будівлі, не потребують складного проєктування чи додаткових гідравлічних контурів. 
Для невеликих серверних або локальних вузлів зв’язку це може бути ефективним і економічним рішенням.
Хоча у великих центрах обробки даних CRAC є менш ефективними. Система має обмежену здатність рівномірно розподіляти холодне повітря, особливо за високої щільності обладнання. 
Тепле повітря може змішуватися з холодним, утворюючи «гарячі зони» в серверній, що ускладнює підтримання стабільної температури в межах допустимих стандартів ASHRAE (18–27 °C).
Водночас CRAC часто доповнюють системами ізоляції холодних і гарячих коридорів або розподіленими охолоджувальними модулями, які встановлюються ближче до серверних шаф (in-row або in-rack cooling). 
Це зменшує втрати енергії на перемішування потоків і дозволяє точніше регулювати температуру в конкретних зонах.
Сучасні системи кондиціювання еволюціонували у напрямку Computer Room Air Handler (CRAH) — коли замість компресорів використовують холодну воду для відведення тепла.
Системи CRAH забезпечують кращу енергоефективність та інтегруються зі складнішими системами охолодження, такими як чилери чи фрікулінг.

Периметральне охолодження датацентрів

Периметральна система охолодження — один із найпоширеніших методів підтримання мікроклімату в датацентрах середньої та великої потужності.
Кондиціонери розташовуються по периметру вздовж стін серверного залу, подаючи холодне повітря до передніх панелей серверних шаф. 
Підігріте повітря, що виходить із задніх частин шаф, збирається у гарячих коридорах і відводиться назад до кондиціонерів для повторного охолодження.
Щоб уникнути змішування потоків, у таких системах часто застосовують ізоляцію холодного коридору — спеціальні перегородки, стінки або стелі, які фізично розділяють холодну та гарячу зони. 
Це підвищує ефективність охолодження, зменшує втрати енергії й дозволяє точніше контролювати температуру в межах стандартів ASHRAE.
Саме ця технологія використовується у GigaCenter. Відповідно до міжнародних стандартів у нашому центрі реалізовано холодний коридор шириною 1,2 метра, постійний моніторинг температури (приблизно 20C) і дотримання вологості в межах норми (40–60%).
Перевага периметрального охолодження  — збалансованість між ефективністю та надійністю. Цей метод забезпечує високий рівень енергоефективності та повну відповідність стандартам Tier III датацентрів.

Випарне охолодження

Ця технологія відводить тепло шляхом випаровування води — технічної або демінералізованої, залежно від вимог системи.
Рідина подається з центральної системи водопостачання датацентру або з окремих резервуарів, звідки надходить у контури зволоження чи теплообміну.
У сучасних датацентрах, зокрема у Facebook, Microsoft і Google, застосовують два типи випарного охолодження: пряме та непряме.
У системах прямого випарного охолодження вода подається до зволожувальних панелей чи форсунок, через які проходить гаряче повітря із серверної. Частина води випаровується, знижуючи температуру повітря перед його поверненням у серверну зону. 
Такий метод підходить переважно для датацентрів, розташованих у сухому кліматі, де контроль вологості не є складним.
У непрямому випарному охолодженні вода циркулює в закритому контурі через теплообмінники, які відводять тепло, але не контактують із повітрям серверної. Це дозволяє уникати надмірного зволоження обладнання.
Загалом у датацентрах, які використовують цю систему охолодження, щоб регулювати температуру та рівень вологості (40–60%), застосовують автоматичні системи контролю мікроклімату.
Стосовно переваг цієї технології, то випарне охолодження може бути високоефективним у сухому кліматі — воно знижує споживання електроенергії на 60–80% порівняно з традиційними компресорними системами.
Водночас у регіонах із підвищеною вологістю його ефективність зменшується через потребу додаткового осушення повітря, що частково нівелює енергозбереження.
І ще один вагомий недолік цієї технології — значне споживання води. Великі датацентри можуть витрачати сотні тисяч або навіть мільйони літрів води щомісяця.

Пряме охолодження процесорів

Технологія Direct-to-Chip (D2C) — один із найефективніших сучасних методів охолодження серверного обладнання. 
Вона передбачає відведення тепла безпосередньо від найгарячіших компонентів, таких як процесори (CPU), графічні прискорювачі (GPU) чи блоки пам’яті високої щільності.
Через спеціальні теплообмінні пластини (cold plates), закріплені безпосередньо на чипах, циркулює охолоджувальна рідина — зазвичай дистильована вода або діелектричний розчин, який не проводить електричний струм. 
Тепло передається з процесора до рідини, після чого вона повертається у теплообмінник, де охолоджується й знову подається в контур.
Такий підхід дозволяє точково відводити тепло лише від критичних елементів, не витрачаючи енергію на охолодження усього повітряного об’єму серверної. 
Завдяки цьому Direct-to-Chip може знижувати споживання електроенергії на охолодження до 30–50% порівняно з традиційними повітряними системами.
Однак технологія ставить перед оператором й непрості виклики. Монтаж та обслуговування складніші, ніж у систем з охолодженням повітря. При заміні або додаванні серверів потрібно адаптувати рідинні контури.
Крім того, існує ризик витоку охолоджувача. Рідина хоч і не проводить струм і навряд чи пошкодить обладнання, але витік все ж може призвести до простою системи та потребуватиме негайного втручання.

Однофазне занурювальне охолодження

Single-Phase Immersion Cooling — це технологія, за якої серверне обладнання повністю занурюється у спеціальну діелектричну рідину, що не проводить електричний струм. 
Вона безпосередньо контактує з компонентами, поглинаючи тепло з поверхні процесорів та інших елементів, після чого охолоджується через зовнішній теплообмінник.
На відміну від традиційних систем охолодження, цей метод повністю усуває потребу у вентиляторах, кондиціонерах та повітряних потоках. Тепло відводиться значно ефективніше, а енерговитрати на охолодження можуть зменшуватись у 5–10 разів.
У таких системах використовують спеціальні діелектричні рідини на основі синтетичних вуглеводнів або фторованих сполук. Вони мають високу теплопровідність і стабільність, не випаровуються та не пошкоджують електроніку.
Переваги однофазного занурювального охолодження:
  • майже повна відсутність споживання води та висока енергоефективність;
  • низький рівень шуму й вібрацій через відсутність вентиляторів;
  • стабільна робота навіть за високих температур навколишнього середовища;
  • просте виявлення потенційних витоків, оскільки рідина циркулює в закритій системі.
Головним недоліком технології є вартість впровадження. Побудова системи для охолодження 1 МВт серверного обладнання обходиться приблизно у $1 мільйон, тоді як аналогічне рішення на базі Direct-to-Chip коштує близько $650 тисяч.
Попри це, однофазне занурювальне охолодження активно розглядається як «зелене» рішення майбутнього, оскільки поєднує високу ефективність, екологічність і стабільність роботи без шкоди для ІТ-інфраструктури.

Багатофазне занурювальне охолодження

Two-Phase Immersion Cooling — це найінноваційніша технологія у сфері тепловідведення датацентрів. Її принцип ґрунтується на використанні діелектричної рідини з низькою температурою кипіння (зазвичай 40–60 °C), у яку занурюються сервери. 
Під час роботи процесори та інші компоненти нагрівають рідину до точки кипіння — вона переходить у газоподібний стан, відводячи тепло від поверхні обладнання.
У верхній частині резервуара пари конденсуються на спеціальних теплообмінниках і повертаються у рідкий стан, утворюючи замкнений цикл охолодження без потреби в помпах чи вентиляторах.
Переваги двофазного занурювального охолодження:
  • найвища ефективність серед усіх сучасних методів (PUE може наближатися до 1,03–1,05);
  • придатність для високощільних обчислювальних навантажень — AI, HPC, рендеринг, квантові симуляції тощо;
  • мінімальне споживання енергії на охолодження й можливість повторного використання тепла для обігріву будівель;
  • стабільна робота навіть у спекотних регіонах без додаткових систем кондиціювання.
Однак цей підхід має й недоліки. Рідини, що використовуються у таких системах (наприклад, 3M Fluorinert, Engineered Fluids EC-series), є дорогими й потребують ретельного контролю герметичності. 
Крім того, самі резервуари та теплообмінники мають високу вартість виробництва і складність обслуговування.
Тому двофазне занурювальне охолодження сьогодні впроваджують переважно провідні оператори масштабних ЦОД або дослідницькі центри, які працюють із надвисокими навантаженнями.

Висновок

Вибір оптимальної системи охолодження датацентру — це не лише про техніку, а й про економію ресурсів і турботу про екологію.
Світові оператори ЦОД усе активніше впроваджують гібридні системи, що поєднують повітряне й рідинне охолодження, відновлювані джерела енергії та повторне використання тепла для опалення.
У майбутньому саме такі підходи — коли датацентр не лише споживає, а й повертає енергію у навколишнє середовище, — стануть стандартом для «розумних» міст і екологічно сталого ІТ-бізнесу.
До речі, якщо хочете дізнатися більше про те як дата-центри впливають на розподіл природних ресурсів, можете прочитати нашу статтю на цю тему.