سوق مراكز البيانات المُعلَّبة: الاتجاهات الحالية والنظرة المستقبلية

حقيقي -أبرز التحديات العالمية التي تشكِّل تصميم أنظمة التبريد الحديثة

إذا كنت قد عملت عمليًّا على مشاريع البنية التحتية المُركَّزة على الحواف والذكاء الاصطناعي، فستلاحظ أن تحديات التبريد نادرًا ما تقتصر على المعدات وحدها. فقد واجهت العديد من فرق المشاريع التي تعاونتُ معها في عمليات النشر السابقة مشكلاتٍ كان يمكن تجنُّبها لأنها اختارت هندسة تبريدٍ لا تتماشى مع المناخ المحلي وكثافة طاقة الرفّ وظروف العمالة في الموقع. ومن أبرز التجارب الميدانية ما جرى في مشروع حافة خارج البلاد، حيث خطَّط العميل في الأصل لتنفيذ غرف آلات تقليدية مبنية في الموقع لأحمال العمل الإقليمية الخاصة بشبكات الجيل الخامس والخدمات المالية. لكن جداول البناء امتدَّت أكثر من المتوقع، كما كانت الكوادر الفنية المؤهلة للتركيب محدودةً محليًّا، وأدَّت موجات الحر غير المتوقعة في فصل الصيف إلى تكرار حدوث خفض أداء المعالجات بسبب ارتفاع الحرارة في معدات الحوسبة قبل تسليم المشروع بالكامل. وانتهى الأمر بهذا المشروع بالتحول نحو بنية تحتية لمراكز البيانات المُعبَّأة في حاويات، واختيار مركز بيانات حاوياتي بطول ٢٠ قدم كجهاز رئيسي لعقد الحواف، مع أنظمة تبريد مدمجة مسبقًا تم تسليمها بعد إتمام اختبار القبول النهائي في المصنع.

تستند هذه الحالة العملية إلى الملاحظات التي وثّقها مجتمع لجنة ASHRAE TC 9.9. وتُعَدّ إرشاداتُها الحرارية أكثر الإرشادات استشهاداً في العالم لتحديد الحدود التشغيلية لدرجة حرارة معدات تكنولوجيا المعلومات ASHRAE. وفي العادة، كان تبريد معدات تكنولوجيا المعلومات بالهواء أمراً بسيطاً. لكن التحوّل الأخير في خليط أحمال مراكز البيانات طرح تحدياتٍ كبيرةً أمام قطاع تبريد الهواء، لا سيما بالنسبة لأحمال الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء. وتفترض طريقة تبريد الهواء زيادة مساحة سطح الملفات لمواجهة الأحمال المتزايدة، وزيادة ارتفاع وحدات التبريد لزيادة حجم الهواء القابل للتبريد. وقد دفعت هذه التحديات حدود الحدود التشغيلية لدرجة حرارة معدات تكنولوجيا المعلومات إلى أقصى ما يمكن. وإدخال الحدود بشكل مباشر أو اعتماد نهجٍ تحفظيٍّ قد يُكلِّف أكثر على المدى الطويل. ويجب على مهندسي تصميم أنظمة التبريد الخاصة بمعدات مراكز البيانات المُعبَّأة في حاويات أن يقرروا ما إذا كانت أنظمة التبريد غير المباشرة بالتبخير، أو تبريد الهواء الموزَّع حسب الصفوف، أو أنظمة التبريد الهجينة (الهواء-السائل)، أو حلقات التبريد السائل-السائل تفي بالقدرة الكهربائية المطلوبة للرفوف. ويقوم فريق التصنيع لدينا باختبار الضغط وفحص التسريبات، إضافةً إلى محاكاة جزئية للحمل الحراري، قبل الشحن، وذلك في منشأتنا التي تبلغ مساحتها ٣٠٠٠٠ متر مربع. وتتم معالجة معظم مخاطر التكامل قبل شحن الحاويات إلى المستخدمين النهائيين. ويسهم هذا النهج في تقليل الاعتماد على فنيي الصيانة الميدانيين النادرين، وهي ميزة رئيسية للمشاريع المنفذة في الشرق الأوسط وأفريقيا.

التجارة التقنية -التعويضات بين التبريد بالهواء -والتبريد بالسوائل -والتطبيقات المبرَّدة بالسوائل

يرى البعض أن التبريد بالسوائل والتبريد بالهواء هما تطبيقان متناقضان. وفي الواقع، يكمِّل أحدهما الآخر في مشاريع البنية التحتية ذات النطاق الأوسع. وتستخدم وحدات التبريد الدقيقة المُركَّبة في صفوف داخل مراكز البيانات المُعبَّأة في حاويات بطول ٢٠ قدمًا التبريد بالهواء، وتظل فعَّالة من حيث التكلفة حتى عند حمل حِمْل تقني قدره ٢٥ كيلوواط، وهي مثالية للتركيبات الحوافية الخاصة بالحكومات وشركات الاتصالات وبعض عمليات نشر خدمات السحابة. كما أن مراكز البيانات الوحدوية المبرَّدة بالهواء تبسِّط سير العمل، وتحتاج إلى عدد أقل من الكوادر الماهرة في الموقع، وتستفيد من التبريد المجاني عندما تسمح الظروف البيئية بذلك. وكما هو الحال مع التبريد بالسوائل، فإن التبريد بالهواء له حدودٌ أيضًا، ويفرض قيودًا عمليةً عند النظر في أحمال أعمال الذكاء الاصطناعي الكثيفة.

تستبدل التصاميم المبرَّدة بالسوائل التصاميم المبرَّدة بالهواء في تطبيقات الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة. وتقدِّم سلسلة نيبولا (Nebula) من مراكز البيانات المصغَّرة المعيارية المبرَّدة بالسوائل، ووحدات الحاويات المزدوجة بطول ٤٠ قدمًا من سلسلة إنفينيتي (INFINITY SERIES)، إطار عمل تبريد هجيني يجمع بين الهواء والسوائل، ويمكنه دعم كثافة رفوف تصل إلى ١٠٠ كيلوواط. وهذه الوحدات موجَّهة خصوصًا لتدريب أنظمة الذكاء الاصطناعي والحوسبة الأداء العالي (HPC). ووفقًا لإطار أداء استهلاك الطاقة لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي الصادر عن جمعية مهندسي التكييف والتدفئة والتبريد (ASHRAE) والرابطة الوطنية لمصنِّعي المعدات الكهربائية (NEMA) ومختبر باسيفيك نورثويست الوطني (PNNL)، ينبغي مراجعة التكوينات الحرارية الهجينة عند تصميم بنى الحوسبة الجديدة لتغطية نطاق درجة حرارة ماء التغذية، والمبرِّدات المستفيدة من التبريد المجاني (free-cooling chillers)، وكذلك تشغيل أبراج التبريد عبر التغيرات الموسمية. وتدمج منتجات مراكز البيانات المحزَّنة في حاويات والمبرَّدة بالسوائل وحدات توزيع السوائل (CDU)، والدوائر السائلة، وأنظمة كشف التسريبات، ووحدات الإدارة المركزية لمراكز البيانات (DCIM) أثناء التكامل المصنع. وتُجرى فحوصات ضغط هيدروستاتيكي واختبارات دورية على كل دائرة سائلة، مما يقلِّل احتمالات وقوع حوادث في خطوط الأنابيب. كما تتضمَّن المسارات المبرَّدة بالسوائل اعتبارات إضافية مثل توافق السوائل، والترشيح، والصيانة، والتي يجب على مصمِّمي المنتجات الإفصاح عنها للمستخدمين النهائيين.

ما قبل المصنع -التكامل والضمان النوعي لأنظمة التبريد

في سعيٍ لتقديم موثوقية شاملة في أنظمة التبريد، لا بدَّ أيضًا من أخذ مكان وزمن التجميع النهائي واختبار نظام التبريد في الاعتبار. وتُبرز الفروق الجوهرية بين كيفية تعامل مشاريع مراكز البيانات التقليدية، وبين مشاريع تصنيع مراكز البيانات المُعبَّأة في حاويات — فيما يتعلَّق بالتكامل الميكانيكي لأنظمة التبريد — رؤىً جذَّابةً حول الفجوات المحتملة في إنشاء مراكز البيانات التقليدية. فمعظم الأعمال الميكانيكية في مشاريع مراكز البيانات التقليدية تُنفَّذ في موقع العميل، ما يعني أن الأداء النهائي لأنظمة التبريد يتأثَّر بعددٍ من العوامل غير الخاضعة للرقابة (مثل تفاوت الجودة في التنفيذ، وتأخُّرات الطقس، وصعوبات تنسيق المقاولين من الباطن). أما مشاريع تصنيع مراكز البيانات المُعبَّأة في حاويات فتعكس هذا النهج تمامًا: إذ تتم عملية دمج مكوِّنات نظام التبريد الرئيسية واختبارها مسبقًا في بيئة المصنع، ثم تُنقل إلى موقع العميل.

في عملية التصنيع لدينا، طوّرنا منهجيةً منهجيةً للتحقق من سلامة أنظمة التبريد الفرعية. ويُتبع التجميع الميكانيكي بالتحقق الساكن من الأنابيب والأسلاك. ثم تُجرى سلسلةٌ من الفحوصات الوظيفية، بما في ذلك دوران المراوح، وتشغيل أجهزة التبريد، والتحقق المتبادل لمجسات القياس، ومعايرة عدادات تدفق وحدات التحكم في التبريد (CDU). وتتم محاكاة أحمال حرارية وهمية لإنشاء ملفات حرارية متنوعة، بغرض إخضاع نظام التبريد لضغوط كاملة ومراقبة سلوك النظام. ويمكن إجراء اختبارٍ كاملٍ للحالة ذات الحمل الجزئي قبل تسليم مركز البيانات المُعبَّأ في حاويات إلى موقع العميل. وتتوفر أنظمة تبريد هوائية وسائلية وغشائية (باستخدام مادة التبريد) لكلٍّ من أنظمة مركز البيانات المُعبَّأة في حاويات بطول ٢٠ قدمًا. وتُختبر كل وحدةٍ اختبارًا كاملاً، وتُقدَّم للعميل وثائقٌ توثِّق أداء نظام التبريد قبل الشحن. وهذه المنهجية الشاملة لضمان الجودة خارج الموقع تكتسب قيمةً كبيرةً بالنسبة للعملاء في المناطق عالية الخطورة، حيث يكاد لا يتوافر دعمٌ محليٌّ أو لا يتوافر إطلاقًا لتشغيل الأنظمة الحرجة.

مطابقة هياكل التبريد مع المتطلبات الجغرافية والتجارية

لا يمكن تقييم أداء التبريد بشكل منفصل عن الموقع التشغيلي. فقد تواجه الحلول التي تعمل بكفاءة في المناطق المعتدلة تحديات جسيمة في الظروف الاستوائية عالية الرطوبة أو الصحراوية شديدة الحرارة. إذ تؤدي درجات الحرارة المحيطة المرتفعة إلى زيادة مدة تشغيل أنظمة التبريد الميكانيكية، بينما تفرض المواقع الرطبة قيوداً على وسائل التبريد المجاني ذات النمط التبخيري. ويهدف كثير من العملاء الذين يستكشفون نشر مراكز البيانات المُعلَّبة إلى التوسع السريع في الطاقة الاستيعابية دون انتظار دورات البناء التقليدية الطويلة، لكنهم يقلِّلون من شأن تأثير المناخ في تحديد أحجام معدات التبريد وإعداد أنظمة التكرار.

للمشاريع التي تركز على الحواف، مثل مواقع الاتصالات النائية أو البنية التحتية المالية على نمط المكاتب الفرعية، يوفّر مركز البيانات المُضمَّن في حاوية بطول ٢٠ قدم مرونةً في التوسّع. ويمكن للعملاء أن يبدأوا باستخدام وحدات مستقلة تتراوح سعتها بين ١٥ و٢٥ كيلوواط، ثم يجمعوا لاحقًا عدة حاويات معًا كلما زادت الحاجة إلى القدرة الحاسوبية، مع ازدياد سعة التبريد بالتوازي مع إضافة صفوف المعدات الحاسوبية. أما المشاريع الأكبر نطاقًا والموجَّهة نحو الذكاء الاصطناعي، فتتجه عادةً نحو مجموعات الحاويات المبرَّدة بالهواء بطول ٤٠ قدم أو نحو مجموعات الحاويات المبرَّدة بالسوائل من سلسلة INFINITY، وهي مصمَّمة لاستيعاب القدرة الإجمالية للمعدات الحاسوبية التي تتراوح بين مئات الكيلوواط وصولًا إلى أحمالٍ مجمَّعة تبلغ عدة ميغاواط. وعند العمل على مراحل المناقصات والتصميم المخصَّص، يقوم فريق الهندسة لدينا بمراجعة مجموعات البيانات المناخية التاريخية المحلية جنبًا إلى جنب مع توقعات العميل لحمل المعدات الحاسوبية، وذلك لضبط عتبات تفعيل التبريد المجاني، وأنظمة التكرار N+X لمعدات التبريد، وتوقعات استهلاك المياه. كما يُسجِّل نظام المراقبة المدمج (DCIM) داخل كل مركز بيانات مُضمَّن في حاوية مقاييس التبريد باستمرار، ما يساعد المشغِّلين المحليين على تتبع درجات حرارة الهواء الداخل، ومدة تشغيل المعدات، واستهلاك الطاقة خلال التشغيل طويل الأمد.

موازنة الكفاءة والمرونة والتكلفة الإجمالية -التكلفة -من -لخطط التبريد

توجد مقايضات عند وضع استراتيجيات التبريد. ويجب أن تأخذ خطة التبريد في الاعتبار قيودًا مثل متطلبات التشغيل المستمر، والمرونة التشغيلية، وعبء الصيانة، من بين أمور أخرى. وبشكل عام، فإن خفض مؤشر كفاءة استخدام الطاقة (PUE) يُعَدُّ هدفًا جديرًا بالسعي إليه؛ ومع ذلك، فقد تنفق الشركة بشكل غير ضروري على المعدات وتعرّض وقت التشغيل للخطر أثناء محاولة تحقيق أهداف أقل فأقل. كما أن وجود أنظمة احتياطية يكتسي أهميةً كبيرة: فقد يتم تكوين أنظمة التبريد الفرعية بنظام N+1 أو 2N، ما يؤدي إلى مقايضة بين تقليل حالات الانقطاع والتكاليف التشغيلية المستمرة.

توفر أنظمة مراكز البيانات المُعبَّأة في حاويات مرونةً معماريةً. فعلى سبيل المثال، اعتمدت بعض المشاريع «استراتيجية حرارية مختلطة»، حيث تُستخدم التبريد السائل لوحدات محددة (مثل قطاع الذكاء الاصطناعي)، بينما يُستخدم التبريد بالهواء للوحدات الأخرى (مثل الحوسبة العامة). وتشمل أمثلة المشاريع تنفيذات مؤسسية واسعة النطاق في كازاخستان، وكذلك أحمال عمل الذكاء الاصطناعي في الولايات المتحدة الأمريكية (ويتميَّز أحدها بأنه من الفئة التي تُستخدم في شبكات الاتصالات، بينما يرتبط الآخر بالسلامة العامة). ويجب أن يكون التركيز الرئيسي على دورة حياة المعدات. وعلى سبيل المثال، قد تكون تكلفة أجهزة شركة أ مساويةً لتكلفة أجهزة شركة ب، لكن معدات شركة أ قد تتميز بنسبة وقت تشغيل أقل، وعبء صيانة أعلى، ومرونة أقل في الموازنة بين المتطلبات المختلفة. شركتنا تتوفر لدينا منصة تشخيص عن بُعد، ونقدِّم دعماً ميدانياً عبر الحدود لمساعدة العملاء بعد التسليم. ويُنفَّذ ذلك لضمان توافق أنظمة التبريد في مراكز البيانات المُعبَّأة في حاويات مع التصميم الأصلي لها.

الأسئلة المتكررة

السؤال الأول: كيف نختار التبريد بالهواء -مُبرَّد أو سائل -مركز بيانات مُعلَّب مُبرَّد؟ ج: قيِّم كثافة طاقة الرف، والمناخ المحلي، وقدرة الصيانة المتوفرة في الموقع. إصدار مركز البيانات المُعلَّب بحجم ٢٠ قدم والمُبرَّد بالهواء مناسب للأحمال الإجمالية لتقنية المعلومات داخل العلبة التي لا تتجاوز ٢٥ كيلوواط. أما التبريد السائل فهو مناسب لأحمال الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة، ويقتضي وجود كفاءة في صيانة الحلقة السائلة.

السؤال ٢: هل -نظام التبريد المدمج بالمصنع يتوافق مع المعايير الحرارية الدولية؟ ج: التصاميم تتبع إرشادات اللجنة الفنية ٩.٩ التابعة لجمعية مهندسي التكييف والتدفئة وتكييف الهواء (ASHRAE) الخاصة بالبيئات الحرارية لتكنولوجيا المعلومات. ويتم اختبار كل وحدة حراريًّا في المصنع. ومع ذلك، فإن الأداء النهائي في الموقع يظل معتمدًا على تركيب المرافق في الموقع وتشغيلها بشكل صحيح.

السؤال ٣: ما أبرز المخاطر المرتبطة -بمراكز البيانات المُعلَّبة المبرَّدة بالسائل؟ ج: أبرز المخاطر تشمل تسرب الأنابيب، وانسداد الفلاتر، وعدم توافق مصدر التبريد البارد. وتساعد أجهزة استشعار التسرب المدمجة وأنظمة المراقبة في الوقت الفعلي عبر نظام إدارة مراكز البيانات (DCIM) في التخفيف من هذه المخاطر.

السؤال ٤: هل يمكن زيادة سعة التبريد بعد تسليم العلبة؟ أ: سعة التبريد الداخلية لحاوية واحدة ثابتة. ويتم التوسع بإضافة حاويات إضافية لتكوين مجموعة. وينبغي مشاركة خطط النمو المستقبلية في مرحلة التصميم المبكرة.

س٥: ما مدى أهمية جودة تركيب الموقع؟ أ: يكتمل معظم أعمال الدمج في المصنع. ومع ذلك، تظل الاتصال الصحيح بالطاقة والأرض وال مصدر التبريد أمرًا بالغ الأهمية لأداء التبريد المستقر.

ASHRAE: إطار أداء الطاقة لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي

نشرته كل من ASHRAE وNEMA ومختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) بشكل مشترك