Vasevabad andmekeskused: energia, kiudoptika ja digitaalse infrastruktuuri tulevik

Informatec Digital » Ressursid » Vasevabad andmekeskused: energia, kiudoptika ja digitaalse infrastruktuuri tulevik

Selles kontekstis on niinimetatud "vasevabad andmekeskused" ja arhitektuurid, mis minimeerivad vase kasutamist, kerkimas võimsa viisina efektiivsuse, paindlikkuse ja jätkusuutlikkuse saavutamiseks: rohkem fiiberoptikat, toide fiiberoptiliste lahenduste kaudu , modulaarne elektrijaotus ja disainilahendused, mis kasutavad maksimaalselt ära iga vatti ja iga kaablimeetrit.

Andmete, tehisintellekti ja energia järele valitsev tohutu nõudlus

Globaalne infomaht kasvab jätkuvalt: hinnanguliselt luuakse ja tarbitakse 2025. aastal kogu maailmas umbes 181 zettabaidi andmeid , mis on peaaegu kolm korda rohkem kui kümnendi alguses. See hüppeline kasv nõuab andmekeskuste palju skaleeritavamat olekut, mis suudaks arvutus- ja salvestusmahtu peaaegu lennult suurendada.

Selle hüppe suure osa taga on pilvandmetöötluse ja suure jõudlusega tehisintellekti esiletõus . Massiivsed keelemudelid, täiustatud analüütika, 5G-teenused ja reaalajas rakendused suurendavad ribalaiuse nõudlust, vähendavad vastuvõetavaid latentsusmarginaale ja suurendavad dramaatiliselt infrastruktuuri energiavajadust.

BloombergNEF-i prognooside kohaselt võib tehisintellektiga seotud elektrienergiavajadus Ameerika Ühendriikides 2035. aastaks enam kui kahekordistuda. Juhid nagu Jensen Huang (Nvidia) ja Sam Altman (OpenAI) on juba ammu hoiatanud, et selle uue andmekeskuste ja tehisintellekti komplekside laine toetamiseks on vaja triljoneid dollareid uude infrastruktuuri.

Kuid pudelikael ei seisne enam niivõrd kosmoses või serveritehnoloogias, kuivõrd elektrienergia tarnimises ja elektrivõrgu läbilaskevõimes . Ülekandeinfrastruktuur on paljudel turgudel aegunud, regulatiivsed protsessid on aeglased ja uute megavattide võrku ühendamise ajakavad venivad aastateks.

Santa Clara juhtum: valmis hooneid ei saa valgustada

Olukord mõnes tehnoloogiakeskuses on nii hull, et seal seisavad aastaid tühjalt elektrit ootamas valmis andmekeskused, mis on kohe töövalmis . Just see toimub Santa Claras Californias, Nvidia kodulinnas ja ühes maailma arvutite epitsentris.

Üks maailma suurimaid andmekeskuste arendajaid Digital Realty taotles 2019. aastal luba uue rajatise ehitamiseks Santa Clarasse. Umbes kuus aastat hiljem on neljakorruseline, umbes 40 000 ruutmeetri suurune hoone endiselt tühi, oodates munitsipaalettevõttelt Silicon Valley Power (SVP) täielikku elektrivarustust.

Sarnane olukord on ka Stack Infrastructure'i puhul (mis kuulub nüüd Blue Owl Capitalile), kus lähedal asuv kuni 48 megavatise kriitilise võimsusega projekt on endiselt seiskunud . Mõlemad arendajad sõltuvad SVP-st, et viia lõpule nende elektrisüsteemi uuendamine, mille väärtus on ligikaudu 450 miljonit dollarit ja mille valmimistähtaeg on umbes 2028. aasta.

Samal ajal on Santa Claras juba üle viiekümne töös või ehituses oleva andmekeskuse , mis peegeldab seda, mil määral kohalik nõudlus digitaalse võimsuse järele ületab elektrivõrgu kasvuvõime. Sellises keskkonnas on iga vatt oluline ja iga tehnoloogia, mis võimaldab energiasäästu või vähendab kaabelduse ja jaotusvõrgu kadusid, on ülioluline.

Probleem pole ainuomane Californiale: Põhja-Virginias, kuulsas Dominion Energy teenindatavas "andmekeskuste allees", on teateid ühe- kuni kolmeaastastest – ja mõnel juhul kuni seitsmeaastastest – ooteaegadest suurte andmekeskuste ühendamiseks . Oregonis on Amazon kurtnud mitme projekti ebapiisava võimsuse üle, mis näitab kasvavat pinget operaatorite ja kommunaalteenuste pakkujate vahel.

Mis toimub andmekeskuse kaabeldusega?

Lisaks toiteprobleemidele on muutumas ka andmekeskuste sisemine disain: vaskkaabeldus jääb maha fiiberoptilistel lahendustel põhinevatest lahendustest , eriti kuna edastuskiirused on hüppeliselt kasvanud.

Vaid mõne aastaga oleme jõudnud 40 Gbps-lt 100 Gbps-ni peaaegu standardina ja 400 Gbps ühendused on suure jõudlusega juurutustes laialt levinud. Kohe nurga taga plaanib tööstus juba hüppeid 800G-ni ja isegi 1,6 Tbps-ni , järgides IEEE Etherneti tegevuskava. Nende kiiruste säilitamine vase abil muutub üha keerulisemaks, kallimaks ja energiamahukamaks.

Tänapäeval on fiiberoptikast saanud standard praktiliselt kogu andmekeskuse võrgus, alates koondkihist kuni põhikihini, aga ka ruumide ja hoonete vahel. Vase viimane tugisammas on lühikesed ühendused kommutaatorite ja serverite vahel riiulis või selle vahetus läheduses , kus keerdpaarkaableid või DAC-e kasutatakse endiselt väga lühikeste vahemaade ja mõõdukate kiiruste jaoks.

Aastaid on ennustatud vase kadumist andmekeskustes ja kuigi see on suutnud vastu pidada kauem kui paljud arvasid, suruvad vahemaa piirangud, pidevalt kasvav energiavajadus ja surve kujundada energiatõhusaid andmekeskusi uue pöördepunkti poole.

Energiatarbimine: vase Achilleuse kand

Üks suurimaid probleeme vasekaablitega kiiretes keskkondades on selle oluliselt suurem energiatarve võrreldes fiiberkaablitega . Üle 10 Gbps on keerdpaarkaablite (UTP/STP) juurutused missioonikriitilistes keskkondades disaini- ja efektiivsuspiirangute tõttu praktiliselt kadunud.

Vaskühenduses peab iga ots varustama kanali elektrilist signaalimist . 10G vasktransiiverid tarbivad tavaliselt umbes 3–5 vatti igaüks. See võib tunduda tähtsusetu, kuid tuhandete portidega korrutatuna muutub mõju andmekeskuse energiaeelarvele ja jahutusele tohutuks.

Võrdluseks, vaskmoodulid tarbivad peaaegu kümme korda rohkem energiat kui paljud samaväärsed mitmemoodilised kiudtransiiverid . Sellele lisanduvad kaudsed kulud, mis on seotud tekkiva lisasoojuse hajutamisega, mis nõuab kliimaseadmete ja temperatuuri juhtimissüsteemide üledimensioneerimist, suurendades veelgi tegevuskulusid.

Kui arvestada lisasoojuse kompenseerimise kulusid, võivad vasega seotud tegevuskulud kergesti kahekordistuda kiudoptilise infrastruktuuri omadest . Keskkonnas, kus energiamarginaalid on üha kitsamad ja regulatiivne surve efektiivsusele kasvab, on see erinevus kriitilise tähtsusega.

Vase signaali kadu ja kauguse piirangud

Teine vase peamine piirang on signaali kadu kiiruse ja vahemaa suurenedes . Elektrilised signaalid nõrgenevad ning neid piiravad ASIC-ide võimalused ja kompensatsioonitehnikad, mis on vajalikud signaali terviklikkuse säilitamiseks kogu lingil.

Väga suurtel kiirustel on vase abil isegi lühikeste vahemaade läbimiseks vaja oluliselt rohkem energiat , mis on täielikus vastuolus energiatarbimise vähendamise eesmärgiga. Isegi lühikese ulatusega DAC-kaablid hakkavad neid piiranguid näitama, mis raskendab varem suhteliselt lihtsaid konstruktsioone.

Ka kommutaatorite suurenev võimsus muudab mängu reegleid. Tänapäeval saab üks 1U kommutaator teenindada mitut serveririiulit . Tänapäevaste rakenduste nõutavate kiiruste juures ei ole vaskkaablitel enam võimekust katta kõiki neid vahemaid isegi suhteliselt kompaktsetes koridorides, ilma et see energiatarbimist ülemäära mõjutaks.

Seetõttu loobuvad paljud operaatorid klassikalisest lühikestel vaskühendustel põhinevast "riiuli ülaosas" mudelist ja võtavad kasutusele disainilahendused, kus agregaatorlülitid asuvad "rea keskel" või "rea lõpus" ja mida toetab struktureeritud kaabeldus, enamasti fiiberoptiline. See vähendab keerukust, parandab skaleeritavust ning aitab optimeerida signaaliteid ja energiatarbimist.

800G ja 1,6T jaoks suunatud sisevõrkude suunas

Etherneti 800G ja 1,6T tegevuskava ei ole kauge ambitsioon, vaid praktiline vajadus reageerida ribalaiuse plahvatuslikule kasvule, latentsuse vähenemisele ning tehisintellekti, asjade interneti ja massiivse virtualiseerimise esiletõusule . Hüperskaalteenuse pakkujad valmistavad oma infrastruktuure juba ette neid hüppeid silmas pidades.

Selles kontekstis pakub struktureeritud kiudkaabeldus selget edasiminekut. 16-kiulistel infrastruktuuridel põhinevad arhitektuurid võimaldavad korrapärast skaleerimist nendele suurtele kiirustele, kasutades tõhusalt olemasolevat ribalaiust ning hõlbustades linkide agregeerimist ja deagregeerimist.

Hästi planeeritud 16-kiuline disain võib näiteks võimaldada ühel suure võimsusega kommutaatoril teenindada umbes 192 serverit , hõlbustades selliseid ülesandeid nagu serveri seadistamine ja haldamine , saavutades märkimisväärse kasu latentsuse, portide kasutamise ja edastatud biti kogukulu osas.

Spetsialiseerunud tootjad näitavad, et paljud suured ettevõtted ja avalikud pilveandmekeskused on jõudnud murdepunkti, kus serverini ulatuva fiibervõrgu arendamine on kõige ratsionaalsem valik . Nad uurivad hüperskaleeritud keskkondi ja jõuavad järeldusele, et nende strateegiate kopeerimine oma skaalal on ainus viis mahajäämise vältimiseks.

See ei tähenda, et vask täielikult kaob: endiselt leidub väikese ribalaiusega ja väga lühikeste vahemaade nišše , kus hinnavahe õigustab selle kasutamist, eriti väikestes andmekeskustes või vähem nõudlikes olukordades. Kuid selle tähtsus väheneb ja selle kasutamine muutub üha spetsiifilisemaks.

Kiudoptika roll Ladina-Ameerikas ja teistel arenevatel turgudel

Üleminek fiiberoptilistele lahendustele ei piirdu ainult Põhja-Ameerika või Euroopa suuremate jaotuskeskustega. Ladina-Ameerikas kasvab fiiberoptiliste lahenduste kasutuselevõtt kiiresti , pannes aluse kaasaegsematele ja tõhusamatele andmekeskuste võrkudele.

OECD hiljutised andmed näitavad, et sellistes riikides nagu Costa Rica on kiudoptika kasutuselevõtt kasvanud ligi 74% vaid ühe aastaga , samas kui Colombias ja Mehhikos registreeriti samal analüüsitud perioodil vastavalt 43% ja 36% kasv.

See hüpe ei tähenda, et vask kaob võrrandist üleöö, kuid see peegeldab selget investeeringute nihet fiiberinfrastruktuuri suunas , eriti nendes võrgusegmentides, kus eelised vahemaa, läbilaskevõime ja tarbimise osas on kõige ilmsemad.

Praktikas näeme hübriidset ökosüsteemi, kus kiudoptika on reserveeritud magistraalvõrkude, agregeerimise ja kriitiliste võrgusegmentide jaoks , samas kui vaske kasutatakse ümber väga lokaliseeritud stsenaariumides. Kiudoptika kulude langedes ja plug-and-play-lahenduste täiustamisel nõrgeneb vaseinfrastruktuuri laiendamise majanduslik argument.

Paindlikkus: andmekeskuse infrastruktuuri võtmesõna

Lisaks kaabli tüübile on tänapäevastes disainides kõige sagedamini korratud sõna „paindlikkus “. Muutuva töökoormuse, kiiresti arenevate tehnoloogiate ja üha volatiilsema energiavajaduse tõttu peavad andmekeskused suutma kohaneda ilma pikaajaliste seisakute või ulatuslike ehitusprojektideta.

Elektrisüsteemi seisukohast on teenuse järjepidevus kriitilise tähtsusega: igasugune tarne katkestus võib põhjustada andmete kadu, kulukaid teenusekatkestusi ja mainekahju . Seetõttu on töökindlus, koondamine ja vastupidavus elektrijaotussüsteemide projekteerimisel põhialused.

Samal ajal seisavad operaatorid silmitsi üha suureneva survega vähendada oma süsiniku jalajälge ja parandada energiatõhusust . Rahvusvahelise Energiaagentuuri andmetel moodustavad andmekeskused ja sidevõrgud juba 2–3% ülemaailmsest elektritarbimisest ja umbes 1% kasvuhoonegaaside heitkogustest.

Kuigi hinnangud on erinevad, näitavad kõik märgid, et see arv lähiaastatel suureneb, kui otsustavaid optimeerimismeetmeid ei võeta . Sellises stsenaariumis on peamine konkurentsieelis taristu olemasolu, mis võimaldab koormuse ümberkonfigureerimist, võimsuse suurendamist või uute tehnoloogiate integreerimist ilma poolt hoonet ümber projekteerimata.

Paindliku andmekeskuse peamised meetmed

Selle paindlikkuse saavutamiseks toetuvad andmekeskuste operaatorid mitmele üksteist täiendavale strateegiale, mis mõjutavad nii riistvara kui ka haldus- ja operatsioonikihte. Kõige silmapaistvamate hulka kuuluvad modulaarne disain, täiustatud automatiseerimine, pidev jälgimine ja detsentraliseeritud energiajaotus.

Esiteks võimaldab modulaarne disain ja infrastruktuur andmekeskuse alasid laiendada või ümber konfigureerida minimaalse tegevusmõjuga . Modulaarsed ruumid, eelvalmistatud riiulid, kapseldatud kuumad ja külmad vahekäigud ning eelmonteeritud lahendused hõlbustavad kiiret migratsiooni ja vähendavad riske.

Keskset rolli mängivad ka automatiseerimine ja orkestreerimine: intelligentsed ressursihaldustööriistad võimaldavad koormuse ja liikluse tasakaalustamist, optimeeritud serverikasutust ning tippnõudluse tuge reaalajas, väiksema käsitsi sekkumise ja inimlike vigade marginaaliga.

Lisaks pakuvad reaalajas jälgimis- ja analüüsilahendused nähtavust energiatarbimise, temperatuuride, portide kasutamise ja muude oluliste parameetrite kohta. Seejärel saab nendele andmetele rakendada ennustavaid analüüsialgoritme, et ennetada rikkeid, tuvastada ebatõhusust ja planeerida laiendusi täpsemalt.

Lõpuks on populaarsust kogumas idee detsentraliseeritud elektrijaotusest, mis põhineb monteeritavatel elektrijuhtmetel , mis toob energia lähemale sinna, kus seda vajatakse, vähendab kadusid ja lihtsustab moodulites kasvatamist ilma teenuse katkestuste või suuremate sisemiste töödeta.

Detsentraliseeritud elektrijaotus ja tehasetorud

Traditsiooniline, väga tsentraliseeritud elektrijaotus võib suurtes IT-ruumides muutuda jäigaks ja ebaefektiivseks. Selle jaotuse osa detsentraliseerimise ja elektrienergia tarnimispunktide koormustele lähemale toomisega saavutatakse mitmeid igapäevase tegevusega seotud eeliseid.

Üks esimesi eeliseid on ülekandekadude vähenemine . Kui elektriliinid on lühemad ja paremini tegeliku tarbimisega kohandatud, kasutatakse iga tarnitud vatti tõhusamalt ning pingelangud ja juhi kuumenemine vähenevad.

See parandab ka töökindlust: detsentraliseeritud arhitektuur minimeerib ühe rikke mõju . Selle asemel, et üks kriitiline punkt suure ala võrguühenduseta lülitaks, koondatakse intsidendid väiksematesse sektsioonidesse, hõlbustades koondamist ja hooldust, mõjutamata kogu andmekeskust.

Skaleeritavuse osas võimaldavad tehasevalmistatud elektrijuhtmed toitemoodulite või uute harude lisamist praktiliselt "lennult ", kusjuures paigaldusaeg on oluliselt lühem kui traditsiooniliste kaablilahenduste puhul. See tähendab suuremat paindlikkust uute rackide lisamisel või koormustiheduse kohandamisel.

Lisaks annab ruumis elektrijaotuselementide strateegilise paigutamise võimalus vabaduse kujundada koridore, õhuvooge ja andmesidekaablite marsruute tõhusamalt, mis on eriti oluline tiheda asustusega keskkondades, kus iga sentimeeter on oluline.

Näidislahendus: I-liini rööbastee siini kanalite paigutus

Hea näide sellest lähenemisviisist on siinitüüpi tehases valmistatud elektrijuhtmete lahendused , näiteks I-Line Track Busway , mis on spetsiaalselt loodud IT-ruumide ja kaasaegsete andmekeskuste jaoks. Need on vastupidavad ja moodulsüsteemid, mis on loodud pakkuma ohutust, paindlikkust ja tõhusust.

Näiteks I-Line Track Busway toru on sertifitseeritud vastavalt standardile IEC 61439-6 ja kasutab väga kõrge puhtusastmega vaske , umbes 99,9%, mille tulemuseks on juhtivus üle 98%. Selline juhi kvaliteeditase on kadude minimeerimise ja stabiilse energiavarustuse tagamise võti.

Selle omaduste hulka kuulub pistikühendussüsteem harukarpide kiireks ühendamiseks , mis võimaldab haruahelaid ühendada vaid mõne sekundiga tänu painduvatele klambritele, mis tagavad optimaalse elektrilise kontakti. See vähendab oluliselt paigaldusaega ja ühendusvigade võimalust.

See sisaldab ka Easy Lock tüüpi ankurkinnitusi, mis on auhinnatud lahendus karpide kindlale kinnitamiseks toru külge , ning ühendusplokke, mis tagavad sektsioonide vahelise usaldusväärse elektromehaanilise ühenduse, koos kinnitussüsteemidega, mis on loodud kiireks kokkupanekuks tootmiskeskkondades.

Alumiiniumkorpus sisaldab pesasid, mis mahutavad täiendavaid sidesiine või isegi fiiberoptilisi kaableid , näiteks torujuhtme enda pidevaks termiliseks jälgimiseks. Lisaks võimaldavad peajaama jälgimissüsteemid kontrollida energiatarbimist, koormustaset ja häireid, pakkudes täiendavat nähtavust ja turvalisust.

Lõpuks pakuvad harukarbid tavaliselt piisavalt ruumi kaitseseadmete, signaalimisseadmete ja pistikupesade paigutamiseks ning on konstrueeritud nii, et neid saab paigaldada ja eemaldada maksimaalse ohutusega, mis hõlbustab oluliselt hooldus- ja laiendustöid ilma toimimist kahjustamata.

Vasevabad andme- ja toiteühendused: panus energiale fiiberoptika asemel

Lisaks vase asendamisele andmeedastusel fiiberoptikaga lähevad mõned tootjad sammu edasi lahendustega, mis kõrvaldavad vase isegi teatud seadmete toiteallikast , eriti kriitilistes sünkroniseerimis- ja signaalimisrakendustes.

Silmatorkav näide on HUBER+SUHNER, mis on oma globaalse navigatsioonisatelliitide süsteemi (GNSS) ja kiudoptilise toitetehnoloogia lahenduse osana välja töötanud täiesti vasevaba andme- ja elektriühenduse . Sellised süsteemid on eriti huvitavad andmekeskuste ja 5G keskkondade jaoks, mis nõuavad äärmiselt täpset aja sünkroniseerimist.

Traditsiooniliselt toideti GNSS-antenne vaskkaableid kasutades, mis kandsid nii toidet kui ka signaali , sageli koos eraldi toitekaabliga. See raskendab füüsilist paigaldamist, suurendab kaablite kaalu ja piirab töökaugusi.

HUBER+SUHNER GNSS-i valguskaabellahendus välistab vajaduse eraldi toitekaabli järele, kuna signaali ja toite edastamiseks antennile edastab optiline kiud ise samaaegselt . See lihtsustab paigaldamist, vähendab paigaldusaega ja minimeerib sõltuvust toitekanalitest raskesti ligipääsetavates lagedes või süvendites.

Selle lähenemisviisi üks peamisi eeliseid on see, et see suurendab saatja ja vastuvõtja vahelist võimalikku kaugust mõnest meetrist mitme kilomeetrini , ilma vase poolt põhjustatud signaali halvenemise ja piiranguteta. See võimaldab palju suuremat paindlikkust GNSS-signaalide levitamisel hoone või ülikoolilinnaku sisemise fiiberoptilise infrastruktuuri kaudu.

GNSS-i ja valguskaabli kaudu toite eelised andmekeskustes

Satelliidisignaalid jõuavad harva väga isoleeritud siseruumidesse, näiteks andmekeskuste ruumidesse , piisava tugevusega tänu hoone enda konstruktsiooni varjestusele. Välise GNSS-vastuvõtu kombineerimisel sisemise fiiberoptilise jaotusega saab täpsed ajaviited edastada piirkondadesse, kus neid tõeliselt vaja on.

See kombinatsioon võimaldab GNSS-signaale kogu hoones ohutult, usaldusväärselt ja stabiilselt levitada , parandades võrguseadmete, telekommunikatsioonisüsteemide ja rakenduste sünkroniseerimist, mis sõltuvad väga lühikestest võrdlusaegadest.

Kasutades energia ja signaali jaotuskeskkonnana fiiberoptilist kaablit, saavutatakse praktiliselt piiramatu ajaline võrdluskaugus, mis on vähem vastuvõtlik elektromagnetilistele häiretele . Erinevalt vasest ei toimi fiiberoptiline kaabel müraantennina, parandades seeläbi hajutatud signaalide kvaliteeti.

Teenusepakkujate ja operaatorite jaoks tähendab see võimalust ära kasutada olemasolevat fiiberinfrastruktuuri , makstes ainult tegelikult kasutatud võimsuse eest ja jättes ruumi edasiseks laienemiseks ilma nullist ümber ehitamata. See on selgelt tulevikuvalmis strateegia, mis sobib hästi modulaarsete ja skaleeritavate andmekeskuste filosoofiaga.

Tegevuse seisukohast vähendavad täiendavate vaskjuhtmete vältimine ja sama kiudoptika kasutamine toite ja signaali jaoks paigalduskulusid, juurutamisaega ja võimalikke rikkekohti , mis on väga väärtuslik keskkondades, kus hooldusintervallid on minimaalsed.

Kogu see trendide kogum – üleminek vaselt fiiberkaablitele, energiajaotuse detsentraliseerimine, tehasetorude kasutuselevõtt ja vasevabade elektriühenduste, näiteks fiiberoptiliste ühenduste, teke – surub andmekeskusi tõhusamate, vastupidavamate ja skaleeritavamate arhitektuuride poole . Need, kes suudavad neid elemente tõhusalt ühendada, on paremas positsioonis, et vastu pidada andmenõudluse plahvatuslikule kasvule, saavutada jätkusuutlikkuse eesmärke ja kohaneda järgmiste tehnoloogiliste lainetega ilma iga kord nullist alustamata.