Kobberfrie datasentre: energi, fiber og fremtiden for digital infrastruktur

Informatec Digital » Ressurser » Kobberfrie datasentre: energi, fiber og fremtiden for digital infrastruktur

I denne sammenhengen fremstår såkalte «kobberfrie datasentre» og arkitekturer som minimerer bruken av kobber som en kraftig måte å oppnå effektivitet, fleksibilitet og bærekraft på: mer fiberoptikk, strøm-over-fiber- løsninger , modulær elektrisk distribusjon og design som får mest mulig ut av hver watt og hver meter med kabel.

Enorm etterspørsel etter data, kunstig intelligens og energi

Den globale informasjonsmengden fortsetter å vokse: det anslås at rundt 181 zettabyte med data vil bli opprettet og forbrukt på verdensbasis i 2025 , nesten tre ganger så mye som ved begynnelsen av tiåret. Denne økningen krever at datasentre er mye mer skalerbare, i stand til å øke databehandlings- og lagringskapasiteten nesten på farten.

Fremveksten av skytjenester og høytytende kunstig intelligens står bak mye av dette spranget. Massive språkmodeller, avansert analyse, 5G-tjenester og sanntidsapplikasjoner øker båndbreddebehovet, reduserer akseptable latensmarginer og øker energibehovet til infrastruktur dramatisk.

Ifølge BloombergNEF-prognoser kan strømbehovet knyttet til AI-databehandling i USA mer enn dobles innen 2035. Ledere som Jensen Huang (Nvidia) og Sam Altman (OpenAI) har lenge advart om at det vil være behov for billioner av dollar i ny infrastruktur for å støtte denne nye bølgen av datasentre og AI-komplekser.

Flaskehalsen ligger imidlertid ikke lenger så mye i romfart eller serverteknologi, men i strømforsyning og kapasiteten til kraftoverføringsnett . Overføringsinfrastrukturen er utdatert i mange markeder, regulatoriske prosesser er trege, og tidslinjene for å koble nye megawatt til nettet strekker seg ut i årevis.

Tilfellet Santa Clara: Ferdige bygninger kan ikke belyses

Situasjonen i noen teknologiknutepunkter er så alvorlig at det finnes ferdigstilte datasentre, klare til drift, som står tomme i årevis og venter på strøm. Dette er hva som skjer i Santa Clara i California, Nvidias hjemby og et av verdens datasentre.

Digital Realty, en av verdens største datasenterutviklere, søkte i 2019 om tillatelse til å bygge et nytt anlegg i Santa Clara. Omtrent seks år senere står den fire etasjer høye bygningen på omtrent 40 000 kvadratmeter tom og venter på full strøm fra det kommunale strømselskapet Silicon Valley Power (SVP).

En lignende situasjon eksisterer for Stack Infrastructure (nå eid av Blue Owl Capital), med et nærliggende prosjekt på opptil 48 megawatt kritisk kapasitet som også fortsatt står stille . Begge utviklerne er avhengige av at SVP fullfører en oppgradering av sitt elektriske system verdt omtrent 450 millioner dollar, med et ferdigstillelsesmål rundt 2028.

I mellomtiden har Santa Clara allerede mer enn femti datasentre i drift eller under bygging , noe som gjenspeiler i hvilken grad den lokale etterspørselen etter digital kapasitet overstiger vekstkapasiteten i strømnettet. I slike miljøer teller hver watt, og enhver teknologi som muliggjør energibesparelser eller reduserer tap i kabling og distribusjon blir avgjørende.

Problemet er ikke unikt for California: i Nord-Virginia, den berømte «Data Center Alley» som betjenes av Dominion Energy, er det rapporter om ventetider på ett til tre år – og i noen tilfeller opptil syv – for å koble til store datasentre . I Oregon har Amazon klaget over utilstrekkelig strøm til flere prosjekter, noe som illustrerer en økende spenning mellom operatører og forsyningsselskaper.

Hva skjer med kablene i datasenteret?

Ved siden av strømforsyningsproblemene gjennomgår også den interne utformingen av datasentre en transformasjon: kobberbasert kabling henger etter fiberoptiske løsninger , spesielt ettersom overføringshastighetene skyter i været.

På bare noen få år har vi gått fra 40 Gbps til 100 Gbps som nesten standard, og 400 Gbps-koblinger blir stadig mer utbredt i høyytelsesinstallasjoner. Rett rundt hjørnet planlegger bransjen allerede sprang til 800G og til og med 1,6 Tbps , i tråd med Ethernet-veikartet satt av IEEE. Å opprettholde disse hastighetene med kobber blir stadig mer komplekst, dyrt og energikrevende.

I dag har fiberoptikk blitt standarden på tvers av så godt som hele datasenternettverket, fra aggregeringslaget til kjernelaget, samt mellom rom og bygninger. Den siste bastionen av kobber er i korte koblinger mellom svitsjer og servere i racket eller nærområdet , hvor tvunnede parkabler eller DAC-er fortsatt brukes for svært korte avstander og moderate hastigheter.

I årevis har man spådd at kobberet vil bli forsvunnet i datasentre, og selv om det har klart å vare lenger enn mange forventet, presser kombinasjonen av avstandsbegrensninger, stadig økende strømbehov og presset for å designe energieffektive datasentre seg mot et nytt vendepunkt.

Energiforbruk: kobberets akilleshæl

Et av de største problemene med kobber i høyhastighetsmiljøer er det betydelig høyere strømforbruket sammenlignet med fiber . Over 10 Gbps har utplassering av tvunnet parkabel (UTP/STP) praktisk talt forsvunnet fra virksomhetskritiske miljøer på grunn av design- og effektivitetsbegrensninger.

I en kobberkobling må hver ende drive den elektriske signaliseringen til kanalen . 10G kobbertransceivere bruker vanligvis rundt 3–5 watt hver. Dette kan virke ubetydelig, men når det multipliseres med tusenvis av porter, blir effekten på datasenterets energibudsjett og kjøling enorm.

Til sammenligning bruker kobbermoduler nesten ti ganger mer strøm enn mange tilsvarende multimodusfibertransceivere . I tillegg til dette kommer den indirekte kostnaden ved å avlede den ekstra varmen som genereres, noe som nødvendiggjør overdimensjonerte klimaanlegg og termiske styringssystemer, noe som ytterligere øker driftskostnadene.

Når man tar hensyn til kostnadene ved å kompensere for den ekstra varmen, kan driftskostnadene knyttet til kobber lett dobles i forhold til en fiberbasert infrastruktur . I et miljø der energimarginene blir stadig strammere og det regulatoriske presset på effektivitet øker, er denne forskjellen kritisk.

Signaltap og avstandsbegrensninger for kobber

Den andre store begrensningen med kobber er signaltap når hastighet og avstand øker . Elektriske signaler dempes og er begrenset av ASIC-enes kapasitet og kompensasjonsteknikkene som kreves for å opprettholde signalintegriteten langs forbindelsen.

Ved svært høye hastigheter trengs det betydelig mer strøm for å tilbakelegge selv korte avstander ved bruk av kobber , noe som fullstendig motsier målet om å redusere strømforbruket. Selv DAC-kabler med kort rekkevidde begynner å vise disse begrensningene, noe som kompliserer design som tidligere var relativt enkle.

Den økende kapasiteten til svitsjer er også banebrytende. I dag kan én enkelt 1U-svitsj betjene flere serverrack . Med hastighetene som kreves av moderne applikasjoner, har ikke kobberkabler lenger kapasitet til å dekke alle disse avstandene, selv i relativt kompakte korridorer, uten å påvirke strømforbruket i for stor grad.

Derfor forlater mange operatører den klassiske «top-of-rack»-modellen basert på korte kobberlenker og tar i bruk design med aggregeringsbrytere i «midt-av-raden»- eller «ende-av-raden»-posisjoner, støttet av strukturert kabling, hovedsakelig fiberoptisk. Dette reduserer kompleksiteten, forbedrer skalerbarheten og bidrar til å optimalisere signalveier og energiforbruk.

Mot interne nettverk rettet mot 800G og 1,6T

Ethernet-veikartet til 800G og 1,6T er ikke en fjern ambisjon, men en praktisk nødvendighet for å svare på båndbreddeeksplosjonen, latensreduksjonen og fremveksten av AI, IoT og massiv virtualisering . Hyperskala-leverandører forbereder allerede infrastrukturen sin med disse sprangene i tankene.

I denne sammenhengen tilbyr strukturert fiberkabling en klar vei videre. Arkitekturer basert på 16-fiberinfrastrukturer muliggjør ordnet skalering til disse høye hastighetene, effektiv bruk av tilgjengelig båndbredde og forenkling av lenkeaggregering og deaggregering.

En godt planlagt 16-fiberdesign kan for eksempel tillate at en enkelt høykapasitetssvitsj betjener omtrent 192 servere , noe som forenkler oppgaver som å sette opp og administrere en server , med betydelige gevinster når det gjelder latens, portutnyttelse og total kostnad per transportert bit.

Spesialiserte produsenter indikerer at mange store bedrifts- og offentlige skydatasentre har nådd et vippepunkt der investering i fiber «til serveren» er det mest rasjonelle alternativet . De ser mot hyperskalamiljøer og konkluderer med at det å kopiere disse strategiene i sin egen skala er den eneste måten å unngå å henge etter.

Dette betyr ikke at kobber vil forsvinne helt: det vil fortsatt være nisjer med lav båndbredde og svært korte avstander der prisforskjellen rettferdiggjør bruken, spesielt i små datasentre eller mindre krevende scenarier. Men fremtredende plass minker, og bruken blir stadig mer spesifikk.

Fiberens rolle i Latin-Amerika og andre fremvoksende markeder

Overgangen til fiberdominerte løsninger er ikke begrenset til store nordamerikanske eller europeiske knutepunkter. I Latin-Amerika vokser bruken av fiberoptikk raskt , og legger grunnlaget for mer moderne og effektive datasenternettverk.

Nyere OECD-data viser at land som Costa Rica har opplevd en vekst i fiberutplassering på nesten 74 % på bare ett år , mens Colombia og Mexico registrerte økninger på henholdsvis 43 % og 36 % i samme analyserte periode.

Dette spranget betyr ikke at kobber vil bli eliminert fra ligningen over natten, men det gjenspeiler et klart skifte i investeringer mot fiberinfrastruktur , spesielt i de nettverkssegmentene der fordelene innen avstand, kapasitet og forbruk er mest tydelige.

I praksis ser vi et hybrid økosystem der fiber er reservert for stamnettforbindelser, aggregering og kritiske nettverkssegmenter , mens kobber ombrukes i svært lokaliserte scenarier. Etter hvert som fiberkostnadene synker og plug-and-play-løsninger forbedres, svekkes det økonomiske argumentet for å fortsette å utvide kobberinfrastrukturen.

Fleksibilitet: nøkkelordet innen datasenterinfrastruktur

Utover kabeltypen er ordet som oftest gjentas i moderne design «fleksibilitet ». Med skiftende arbeidsbelastninger, raskt utviklende teknologier og stadig mer volatile energibehov, må datasentre kunne tilpasse seg uten langvarige nedstengninger eller massive byggeprosjekter.

Fra et elektrisk synspunkt er tjenestekontinuitet avgjørende: ethvert avbrudd i forsyningen kan føre til datatap, kostbare driftsavbrudd og omdømmeskade . Derfor er pålitelighet, redundans og robusthet grunnleggende søyler i utformingen av elektriske distribusjonssystemer.

Samtidig står operatørene overfor økende press for å redusere karbonavtrykket sitt og forbedre energieffektiviteten . Ifølge Det internasjonale energibyrået står datasentre og kommunikasjonsnettverk allerede for mellom 2 % og 3 % av det globale strømforbruket og rundt 1 % av klimagassutslippene.

Selv om estimatene varierer, tyder alt på at dette tallet vil øke i årene som kommer dersom det ikke iverksettes avgjørende optimaliseringstiltak . I dette scenariet er det et viktig konkurransefortrinn å ha infrastruktur som tillater omkonfigurering av last, økt kapasitet eller integrering av ny teknologi uten å måtte redesigne halve bygningen.

Viktige tiltak for et fleksibelt datasenter

For å oppnå denne fleksibiliteten er datasenteroperatører avhengige av flere komplementære strategier som påvirker både maskinvare og administrasjons- og driftslag. Blant de mest fremtredende er modulær design, avansert automatisering, kontinuerlig overvåking og desentralisert strømfordeling.

For det første tillater den modulære designen og infrastrukturen utvidelse eller omkonfigurering av datasenterområder med minimal driftsmessig påvirkning . Modulære rom, prefabrikkerte rack, innkapslede varme og kalde ganger og forhåndsmonterte løsninger muliggjør rask migrering og reduserer risiko.

Automatisering og orkestrering spiller også en sentral rolle: intelligente ressursstyringsverktøy muliggjør lastbalansering, trafikkbalansering, optimalisert serverbruk og støtte for toppbehov i sanntid, med mindre manuell inngripen og en mindre margin for menneskelige feil.

I tillegg gir sanntidsovervåkings- og analyseløsninger innsikt i energiforbruk, temperaturer, havneutnyttelse og andre viktige parametere. Prediktive analysealgoritmer kan deretter brukes på disse dataene for å bidra til å forutse feil, oppdage ineffektivitet og planlegge utvidelser mer nøyaktig.

Til slutt får ideen om en desentralisert elektrisk distribusjon basert på prefabrikkerte elektriske rør stadig mer styrke , noe som bringer energi nærmere der den trengs, reduserer tap og gjør det enklere å bygge i moduler uten driftsavbrudd eller større interne arbeider.

Desentralisert elektrisk distribusjon og prefabrikkerte rør

Tradisjonell, svært sentralisert strømdistribusjon kan bli rigid og ineffektiv i store IT-rom. Ved å desentralisere deler av denne distribusjonen og bringe strømforsyningspunktene nærmere lastene , oppnås flere fordeler som er relevante for den daglige driften.

En av de første fordelene er reduksjonen av overføringstap . Hvis kraftledningene er kortere og bedre tilpasset det faktiske forbruket, utnyttes hver watt som tilføres mer effektivt, og spenningsfall og lederoppvarming reduseres.

Det forbedrer også påliteligheten: en desentralisert arkitektur minimerer virkningen av en enkelt feil . I stedet for at et enkelt kritisk punkt tar et stort område offline, er hendelser begrenset til mindre seksjoner, noe som forenkler redundans og vedlikehold uten å påvirke hele datasenteret.

Når det gjelder skalerbarhet, tillater prefabrikerte elektriske rør tillegg av strømmoduler eller nye forgreninger praktisk talt "på farten ", med betydelig kortere installasjonstider enn tradisjonelle kabelløsninger. Dette gir større smidighet ved integrering av nye rack eller tilpasning av lasttettheter.

Ved å kunne plassere de elektriske fordelingselementene strategisk i rommet får du dessuten frihet til å designe korridorer, luftstrømmer og datakabelruter mer effektivt, noe som er spesielt viktig i miljøer med høy tetthet der hver centimeter teller.

Eksempelløsning: Kanalisering av I-linjesporbussbane

Et godt eksempel på denne tilnærmingen er prefabrikkerte elektriske rørløsninger av Busway-typen , som for eksempel I-Line Track Busway , spesielt utviklet for IT-rom og moderne datasentre. Dette er robuste, modulære systemer designet for å tilby sikkerhet, fleksibilitet og effektivitet.

I-Line Track Busway-røret er for eksempel sertifisert i henhold til IEC 61439-6 og bruker kobber med svært høy renhet , rundt 99,9 %, noe som resulterer i en konduktivitet på over 98 %. Dette nivået av lederkvalitet er nøkkelen til å minimere tap og sikre stabil strømforsyning.

Blant funksjonene er et plug-in-system for rask tilkobling av koblingsbokser , som gjør at forgreningskretser kan kobles til på bare noen få sekunder takket være fleksible klemmer som sikrer optimal elektrisk kontakt. Dette reduserer installasjonstiden og muligheten for tilkoblingsfeil drastisk.

Den inkluderer også Easy Lock-ankere, en prisvinnende løsning for å feste boksene godt til røret , samt skjøteblokker som garanterer en pålitelig elektromekanisk forbindelse mellom seksjoner, med festesystemer designet for rask montering i produksjonsmiljøer.

Aluminiumskabinettet har spor som kan romme ekstra kommunikasjonsbusser eller til og med fiberoptiske kabler , for eksempel for kontinuerlig termisk overvåking av selve rørledningen. I tillegg tillater overvåkingssystemene for hovedenden kontroll av energiforbruk, lastnivåer og alarmer, noe som gir et ekstra lag med oversikt og sikkerhet.

Til slutt tilbyr koblingsbokser vanligvis god kapasitet til å huse beskyttelsesenheter, signalenheter og stikkontakter , og er designet for å installeres og fjernes med maksimal sikkerhet, noe som i stor grad forenkler vedlikeholds- og utvidelsesoppgaver uten at det går utover driften.

Kobberfrie data- og strømforbindelser: satsingen på strøm over fiber

Utover å erstatte kobber med fiber i datatransport, går noen produsenter et skritt videre med løsninger som eliminerer kobber selv fra strømforsyningen til visse typer utstyr , spesielt i kritiske synkroniserings- og signalapplikasjoner.

Et slående eksempel er HUBER+SUHNER, som har utviklet en fullstendig kobberfri data- og strømforbindelse som en del av sin teknologiløsning for global navigasjon av satellitter (GNSS) og strøm over fiber. Denne typen systemer er spesielt interessante for datasentre og 5G-miljøer som krever ekstremt presis tidssynkronisering.

Tradisjonelt ble GNSS-antenner matet med kobberkabler som bar både strøm og signal , ofte med en ekstra dedikert kabel kun for strøm. Dette kompliserer fysisk utplassering, øker vekten på kablene og begrenser driftsavstander.

HUBER+SUHNER GNSS power-over-fiber-løsningen eliminerer behovet for en separat strømkabel ved å bruke selve den optiske fiberen til å føre signal og strøm til antennen samtidig. Dette forenkler installasjonen, reduserer utplasseringstiden og minimerer avhengigheten av matekanaler i vanskelig tilgjengelige tak eller nicher.

En av de største fordelene med denne tilnærmingen er at den øker den mulige avstanden mellom sender og mottaker fra noen få meter til flere kilometer , uten signalforringelsen og begrensningene som kobber medfører. Dette gir mye større fleksibilitet i distribusjonen av GNSS-signaler gjennom den interne fiberoptiske infrastrukturen i en bygning eller et campus.

Fordeler med GNSS og strøm over fiber i datasentre

Satellittsignaler når sjelden svært isolerte innendørsområder, som datasenterrom , med tilstrekkelig styrke på grunn av skjermingen som selve bygningskonstruksjonen gir. Ved å kombinere utendørs GNSS-mottak med intern fiberoptisk distribusjon, kan presise tidsreferanser leveres til områdene der de virkelig trengs.

Denne kombinasjonen gjør at GNSS-signaler kan distribueres trygt, pålitelig og robust i hele bygningen, noe som forbedrer synkroniseringen av nettverksutstyr, telekommunikasjonssystemer og applikasjoner som er avhengige av svært stramme referansetider.

Ved å bruke fiberoptisk kabel som energi- og signaldistribusjonsmedium oppnås en tilnærmet ubegrenset tidsreferanseavstand, med mindre mottakelighet for elektromagnetisk interferens . I motsetning til kobber fungerer ikke fiberoptisk kabel som en støyantenne, noe som forbedrer kvaliteten på de distribuerte signalene.

For leverandører og operatører betyr dette å kunne utnytte eksisterende fiberinfrastruktur , kun betale for den kapasiteten som faktisk brukes, og gi rom for fremtidig utvidelse uten å måtte legge om kablingen fra bunnen av. Det er en tydelig «fremtidsklar» strategi som passer godt inn i filosofien om modulære og skalerbare datasentre.

Driftsmessig reduseres installasjonskostnader, utplasseringstider og potensielle feilpunkter ved å unngå ekstra kobberkabler og bruke samme fiberrute for strøm og signal, noe som er høyt verdsatt i miljøer der vedlikeholdsvinduene er minimale.

Hele dette settet med trender – migreringen fra kobber til fiber, desentraliseringen av strømdistribusjon, bruk av prefabrikkerte rør og fremveksten av kobberfrie strømforbindelser som strøm over fiber – presser datasentre mot mer effektive, robuste og skalerbare arkitekturer . De som effektivt kan kombinere disse elementene, vil være bedre posisjonert til å tåle den eksplosive veksten i dataetterspørsel, oppfylle bærekraftsmål og tilpasse seg de neste teknologiske bølgene uten å måtte starte på nytt hver gang.