Miglioramento del raffreddamento dei rack mediante l'uso di pannelli fittizi

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1 Miglioramento del raffreddamento dei rack mediante l'uso di pannelli fittizi A cura di Neil Rasmussen White Paper #44 Revisione 1

2 Sintesi Lo spazio verticale inutilizzato nei rack aperti e negli armadi rack crea un ricircolo libero di aria calda che provoca un surriscaldamento non necessario delle apparecchiature. L'utilizzo di pannelli fittizi può alleviare questo problema. Questo documento spiega e quantifica gli effetti dei pannelli fittizi sulle prestazioni del sistema di raffreddamento. 2

3 Introduzione Le apparecchiature IT montate su rack vengono raffreddate aspirando aria ambiente dal locale del data center o della sala CED. Se non si impedisce che l'aria calda di scarico torni in circolo attraversando la presa d'aria dell'apparecchiatura, questa può surriscaldarsi. I data center e le sale CED devono essere progettati in modo da impedire che le apparecchiature aspirino aria calda. Tale risultato può essere ottenuto adottando prassi ottimali collaudate di installazione, o utilizzando sistemi progettati appositamente. All'interno dello stesso rack è possibile che l'aria calda di scarico venga fatta ricircolare attraverso la presa d'aria dell'apparecchiatura. Ciò accade soprattutto quando l'aria calda di scarico passa al di sopra o di sotto dell'apparecchiatura e viene poi captata dalla presa d'aria. Tale fenomeno, per niente gradito dagli utenti, è una delle cause principali di surriscaldamento delle apparecchiature nei data center. In questo documento si spiegano le cause di tale problema e se ne descrivono gli effetti con esempi tratti dall'esperienza reale. Inoltre si dimostra che tale problema, ove presente, compromette il raffreddamento delle apparecchiature. Vengono inoltre spiegati e quantificati i vantaggi derivanti dall'utilizzo di pannelli fittizi. Ricircolo dell'aria di scarico Il problema del surriscaldamento dovuto al ricircolo dell'aria di scarico e i vantaggi derivanti dall'utilizzo di pannelli fittizi sono ben noti ai costruttori di apparecchiature IT, tant'è vero che essi raccomandano agli utenti di utilizzare tali pannelli. Il brano che segue è tratto da una guida di installazione di un server Compaq. Pannelli fittizi ATTENZIONE: utilizzare sempre pannelli fittizi per riempire gli spazi verticali vuoti all'interno del rack, onde consentire un flusso dell'aria corretto. L'utilizzo di un rack senza pannelli fittizi è causa di un raffreddamento inadeguato, che può provocare danni da surriscaldamento. Se uno degli spazi verticali del rack non viene riempito da componenti, gli spazi compresi tra i componenti stessi possono modificare il flusso dell'area attraverso il rack e tra i componenti stessi. È necessario coprire questi spazi con pannelli fittizi per assicurare un flusso corretto dell'aria. La Fig. 1 mostra il flusso dell'aria in un rack tipico, mentre la Fig. 1A mostra il flusso dell'area in assenza di pannelli fittizi. Nella Fig. 1B è possibile vedere come l'installazione di pannelli fittizi modifica il flusso dell'aria. 3

4 Fig. 1 Diagrammi del flusso dell'aria illustranti l'effetto dei pannelli fittizi 1A: senza pannelli fittizi 1B: con pannelli fittizi Lato Lato Pannello fittizio Quando il ricircolo produce una condizione di surriscaldamento e tale ricircolo non viene eliminato, l'unica soluzione praticabile per risolvere il problema consiste nel diminuire la temperatura dell'aria del locale nel tentativo di bilanciare tale effetto. Ciò tuttavia significa ridurre l'efficienza del sistema di condizionamento dell'area e aumentare la formazione di condensa del vapore acqueo dovuta al sistema di condizionamento principale, rendendo necessaria un'umidificazione supplementare. Ciò in ultima analisi può tradursi in un aumento significativo dei costi dell'energia elettrica e rendere l'ambiente poco confortevole per il personale del data center. Perché i pannelli fittizi non vengono installati comunemente? Vi sono due principali motivi per cui i pannelli fittizi vengono adoperati di rado. Il primo motivo è la disinformazione. Molti non comprendono il ruolo svolto da un pannello fittizio all'interno del rack. Altri credono che abbiano solo una funzione estetica. In questo documento si cercherà di chiarire la natura di questo problema tramite la presentazione di risultati sperimentali. 4

5 Il secondo motivo è la difficoltà di installazione. Il fissaggio dei pannelli fittizi avvitabili tradizionali richiede a volte anche quattro viti, quattro boccole e quattro dadi ingabbiati. Ciò richiede tempo e rende più complessa l'installazione di un rack. Gli errori umani sono un problema serio quando si installano pannelli fittizi avvitabili, perché i piccoli dadi ingabbiati, le viti e i pannelli possono sfuggire di mano e cadere vicino alle apparecchiature di produzione, con conseguente rischio di interruzione delle attività. Inoltre i pannelli fittizi avvitabili tradizionali vengono di solito forniti in kit con varie altezze. Ad esempio, un kit può comprendere pannelli formato 1, 2, 4 e 8U. Ciò complica l'installazione perché occorre disporre del numero corretto di pannelli con l'altezza totale giusta e inoltre della giusta combinazione di pannelli con dimensioni appropriate per poter riempire tutti gli spazi richiesti. Tutto ciò può rallentare le operazioni di installazione o ammodernamento di un data center, che spesso devono essere eseguite nel minor tempo possibile. Il ricorso a pannelli fittizi incastrabili in qualsiasi armadio rack con fori quadrati e installabili senza attrezzi speciali consente di ridurre apprezzabilmente il tempo e il costo della manodopera connessi con tale operazione. Inoltre, i pannelli standardizzati formato 1U sono facilmente installabili nei rack. Tale soluzione è senz altro preferibile all impiego di pannelli di varie dimensioni (1, 2, 4 e 8U) per riempire gli spazi vuoti. Supponiamo, ad esempio, di dover riempire uno spazio 3U in un rack e che ci siano rimasti solo due pannelli 2U: in questo caso non sarà possibile riempire lo spazio con il materiale a disposizione. Per completare l'installazione, bisognerà ordinare dei pannelli 1U e attendere che arrivino in sede. Un esempio di soluzione conforme a tali requisiti è costituito dal pannello fittizio APC AR8136BLK, visibile nelle Figg. 2a e 2b. Fig. 2a Esempio di pannello fittizio modulare a incastro 5

6 Fig. 2b Particolare di pannello fittizio: meccanismo di incastro Si pensi ai costi di materiale e manodopera sostenuti per installare pannelli fittizi in un data center con 100 rack, assumendo una media di 10U di spazio vuoto per ciascun rack (un totale di 1000U di pannelli fittizi). Nella Tabella 1 viene confrontato il costo di installazione di pannelli a incastro 1U con il costo di installazione di pannelli tradizionali avvitabili di varie dimensioni. Il risparmio sul costo dei materiali è dell'ordine del 41 %, mentre quello sul costo della manodopera è del 97 %. Il risparmio totale conseguito utilizzando pannelli fittizi a incastro ammonta al 48 %. 6

7 Tabella 1 Analisi dei costi di pannelli fittizi per un data center con 100 rack Pannelli fittizi a incastro 1U Confezione assortita Pannelli fittizi avvitabili tradizionali Pannelli fittizi 1U Pannelli fittizi 2U Pannelli fittizi 4U Pannelli fittizi 8U Costo pannello fittizio tipico per U 4,00 4,67 12,00 7,25 6,13 4,00 Costo pannello fittizio per 1000U 4.000, , , , , ,00 Tempo medio di installazione per pannello fittizio (in secondi) 4,3 300,0 300,0 300,0 300,0 300,0 Tempo di installazione 1000U di pannelli fittizi (in ore) 1,2 22,2 83,3 41,7 20,8 10,4 Costo di installazione per 1000U assumendo un costo della manodopera di 25/ora 29,76 555, , ,67 520,83 260,42 Costo del materiale Totale costo del materiale per pannelli 4.000,00 fittizi a incastro 1U Totale costo del materiale per pannelli 6.808,33 fittizi avvitabili Costo manodopera Totale costo del materiale per pannelli 29,76 fittizi a incastro 1U Totale costo medio manodopera per 892,36 pannelli fittizi avvitabili Risparmi % risparmi su costo del materiale quando si adoperano pannelli fittizi a 41,2 % incastro 1U % risparmi su costo manodopera quando si adoperano pannelli fittizi a 96,7 % incastro 1U In media, il tempo di installazione dei pannelli fittizi a incastro 1U è 30 volte inferiore rispetto ai pannelli a incastro tradizionali Ipotesi alla base dell'analisi Data center da 100 rack con una media di 10U di spazio da riempire per ciascun rack, ovvero 1000U di pannelli fittizi necessari Tempo di installazione di 3 minuti per (42) pannelli fittizi a incastro 1U Tempo di installazione di 5 minuti per pannelli fittizi a incastro tradizionale I pannelli fittizi hanno ciascuno 4 fori La confezione assortita comprende pannelli fittizi 1U, 2U, 4U e 8U (1 per ciascun tipo) - Si utilizzano 67 kit per 1000U 7

8 Altri fattori che ostacolano un flusso dell'aria corretto L'assenza di pannelli fittizi negli spazi vuoti dei rack è solo uno dei fattori che consentono il ricircolo dell'aria di scarico. In alcuni tipi di apparecchiature montate in un rack l'aria di scarico calda può tornare nella parte anteriore del rack. Inoltre le caratteristiche intrinseche di alcuni tipi di rack non permettono la separazione tra aria in entrata e aria di scarico. I principali fattori che contribuiscono al mescolamento dell'aria sono riassunti nella Tabella 2, che spiega anche come intervenire. Questo elenco può essere utilizzato come lista di controllo per un'ispezione dei data center esistenti, o per valutare la validità di progetti sulla carta di data center e sale CED. Come si vede nella Tabella 2, la scelta di apparecchiature quali rack e monitor non può prescindere da considerazioni sul corretto flusso dell'aria nei rack. È essenziale adottare i criteri di controllo riassunti nella Tabella 2 per assicurare un raffreddamento dei rack ottimale e affidabile. Tabella 2 Fattori che contribuiscono al surriscaldamento causato dal ricircolo dell'aria nel rack e relativi metodi di controllo Fattore contribuente Spazio verticale inutilizzato del rack Inserimento guide rack dal lato dell'armadio Monitor su scaffali Server tipo Tower su scaffali Spazio verticale del rack utilizzato per il passaggio dei cavi dalla parte anteriore a quella posteriore del rack Conseguenze L'area aperta fa sì che l'aria di scarico calda venga captata dalla presa d'aria, con conseguente surriscaldamento L'area aperta sul lato fa sì che l'aria di scarico calda venga captata dalla presa d'aria, con conseguente surriscaldamento Lo spazio aperto attorno al monitor fa sì che l'aria di scarico calda venga captata dalla presa d'aria, con conseguente surriscaldamento Lo spazio aperto attorno ai server fa sì che l'aria di scarico calda venga captata dalla presa d'aria, con conseguente surriscaldamento Lo spazio aperto attorno ai cavi fa sì che l'aria di scarico calda venga captata dalla presa d'aria, con conseguente surriscaldamento Lista di controllo Utilizzare pannelli fittizi in tutte le posizioni inutilizzate del rack Non utilizzare rack da 23 pollici (584 mm) con guide impostate su 19 pollici (483 mm) Utilizzare rack privi di spazi aperti tra la guida e il lato dell'armadio Utilizzare monitor a cristalli liquidi con schermo sottile ribaltabile Acquistare cornici per il montaggio su rack per i monitor a tubo catodico Utilizzare server con montaggio a rack Nota: la densità di potenza dei server tipo Tower con montaggio a rack è molto bassa, il che riduce l'importanza di questo problema Utilizzare pannelli fittizi dotati di spazzola flessibile o schermo che consenta il passaggio dei cavi e riduca il rimescolamento dell'aria 8

9 Fattore contribuente Portello anteriore o posteriore sul rack con ostruzioni al passaggio dell'aria Spazio tra due rack adiacenti Conseguenze La resistenza opposta dai portelli al passaggio dell'aria crea un gradiente di pressione che amplifica tutti gli effetti suddetti L'area aperta fa sì che l'aria di scarico calda venga captata dalla presa d'aria, con conseguente surriscaldamento Lista di controllo Utilizzare portelli anteriori e posteriori completamente perforati Non utilizzare portelli con vetro, o solo parzialmente perforati Ove possibile, mettere i rack assieme nello stesso scomparto Un esempio tratto dal mondo reale È stato effettuato un esperimento per valutare in termini quantitativi i vantaggi derivanti dall'utilizzo di pannelli fittizi, misurando gli effetti su un rack reale con server funzionanti in condizioni tipiche. Le condizioni di questo esperimento sono descritte nell'appendice A. La diminuzione della velocità di aumento della temperatura dell'aria all'ingresso del server, ottenuta in conseguenza dell'installazione di un pannello fittizio, viene mostrata nella Fig. 3. Fig. 3 Effetto dell'installazione di un pannello fittizio sulla temperatura dell'aria all'ingresso del server 2A: Senza pannelli fittizi 2B: con pannelli fittizi 32 C 27 C 35 C Lato 26 C 23 C 23 C Lato Pannello fittizio 28 C 22 C 23 C 22 C 21 C 21 C Temp. entrata server Temp. entrata server 9

10 Questi dati vengono riepilogati nella Tabella 3. Tali dati dimostrano che i server a temperatura più bassa si trovano nella parte inferiore del rack e non sono influenzati dall'utilizzo del pannello fittizio. Il server a temperatura più alta si trova appena al di sopra dello spazio verticale del rack inutilizzato e aperto; in esso si registra una diminuzione della temperatura dell'aria all'entrata superiore a 11,1 C in seguito all'installazione del pannello fittizio. Tabella 3 Dati sperimentali illustranti l'effetto dei pannelli fittizi sulla temperatura dell'aria all'entrata del server Senza pannelli fittizi 35 C Server più caldo 21 C Server più freddo Con pannelli fittizi (stesso server) 23 C 21 C Differenza di temperatura 12 C 0 C L'esempio citato si riferisce a un caso in cui parecchi rack ad alta densità sono affiancati in lunghe file. Nella pratica, capita spesso che dei rack alti con elevata densità di potenza vengano posti accanto a rack con bassa densità di potenza, spesso su file brevi. In questi casi è prevedibile che la riduzione di temperatura causata dai pannelli fittizi sia meno marcata. Per confermare tale effetto, sono state effettuate misurazioni di temperatura in sale CED con file di rack con svariate densità di potenza e file corte. In tutti i casi sono state analizzate le diminuzioni di temperatura dell'aria all'ingresso dei server derivanti dall'impiego dei pannelli fittizi installati per coprire spazi verticali inutilizzati dei rack. Si sono osservate diminuzioni di temperatura comprese tra 2,8 C e 8,3 C. La comprensione dei meccanismi del ricircolo dell'aria, assieme ai risultati sperimentali, autorizza a trarre le seguenti conclusioni generali. Nelle condizioni reali l'utilizzo di pannelli fittizi può consentire di ridurre la temperatura di funzionamento delle apparecchiature IT di 10 C. Il vantaggio derivante dall'utilizzo di pannelli fittizi è massimo per apparecchiature situate nelle vicinanze e al di sopra dello spazio inutilizzato coperto dal pannello fittizio. L'utilizzo di pannelli fittizi può ridurre l'incidenza dei problemi di surriscaldamento e dei problemi di concentrazione del calore ( hot spot ) constatati nei data center e nelle sale CED. Quando si aggiungono dei pannelli fittizi, è possibile ottenere la stessa temperatura dell'aria all'ingresso del server con una temperatura superiore dell aria in uscita dal condizionatore. Da ciò derivano due vantaggi: la minore deumidificazione e la maggiore efficienza del condizionatore. È senz'altro valido il consiglio, fornito dai costruttori di apparecchiature, di utilizzare pannelli fittizi. 10

11 Conclusioni Le apparecchiature IT installate su rack possono surriscaldarsi se l'aria di scarico calda viene ricaptata dalla presa d'aria. In un rack possono verificarsi numerose situazioni in cui il ricircolo dell'aria viene consentito o addirittura favorito, con conseguente surriscaldamento. Quando si utilizza un rack progettato correttamente assieme ad apparecchiature a montaggio su rack, una delle cause principali del ricircolo dell'aria è la presenza di spazio non occupato nel rack stesso. L'utilizzo di pannelli fittizi per riempire tale spazio consente di eliminare il problema. Questo documento contiene una lista di controllo dei punti da prendere in considerazione durante la progettazione di un nuovo data center o di una nuova sala CED. Tale lista può essere utilizzata anche per controllare un data center o una sala CED già esistente. Attenendosi a questi criteri guida, è possibile ridurre apprezzabilmente il surriscaldamento dovuto al ricircolo dell'aria e aumentare l'efficienza del sistema di condizionamento. Informazioni sull'autore Neil Rasmussen è uno dei fondatori e il Chief Technical Officer di American Power Conversion. In APC Neil è responsabile del budget della R&S più consistente del mondo investito nelle infrastrutture di alimentazione, raffreddamento e rack per reti critiche, con i principali centri di sviluppo prodotti dislocati nel Massachusetts, nel Missouri, in Danimarca, nello stato di Rhode Island, a Taiwan e in Irlanda. Attualmente Neil si occupa del coordinamento delle attività di APC per lo sviluppo di soluzioni scalari e modulari per i data center. Prima di fondare APC, nel 1981, Neil ha conseguito la laurea in ingegneria elettrica presso il MIT, presentando una tesi sull'analisi di un'alimentazione a 200 MW per un reattore a fusione Tokamak. Dal 1979 al 1981 ha lavorato presso i MIT Lincoln Laboratories studiando i sistemi di accumulo energetico nei volani e i sistemi a energia solare. 11

12 Appendice A: descrizione delle condizioni sperimentali L'esperimento ha come scopo la simulazione dell ambiente di un data center reale. L'esperimento è stato effettuato su un singolo rack, utilizzando trenta simulatori di altrettanti server formato 1U. Ciascuno di questi simulatori è costituito dallo chassis di un server 1U reale, con alimentatore e ventole di raffreddamento, ma con la scheda madre della CPU sostituita da un carico resistivo. Per ogni carico del simulatore del server è stata programmata una potenza assorbita di 150 Watt. I trenta simulatori sono stati inseriti in un armadio APC NetShelter VX formato 42U e profondo 42 pollici (1067 mm). Il carico totale è risultato pari a 4,5 kw. I simulatori dei server sono stati disposti in modo tale da lasciare un unico spazio verticale 11 U, all'incirca a metà altezza dell'armadio. Le temperature all'ingresso sono state monitorate ogni sette spazi U, a partire dal secondo e fino al 41. Per simulare la presenza del rack sperimentale in una fila di rack, si è assunto che ogni rack della fila fosse identico e che il rack sperimentale si trovasse vicino al centro di una lunga fila. Si è fatta inoltre l'ipotesi che la sorgente d'aria fosse costituita da una linea uniforme di piastrelle ventilate del pavimento rialzato, poste di fronte al rack. In tal caso, tutti i vettori del gradiente di pressione orizzontale compreso tra due rack adiacenti si annullano approssimativamente tra loro e il movimento laterale dell'aria fra due rack è approssimativamente nullo. Inoltre si è assunto che i rack siano presenti nelle file con isole calde e fredde alternate. Pertanto i gradienti di pressione dell'aria fra file adiacenti si annullano approssimativamente tra loro e il movimento laterale dell'aria fra le file è quasi nullo lungo una linea posta a metà distanza tra le file stesse. Per simulare in laboratorio con un unico rack la situazione del data center precedentemente descritta, sono state installate delle pareti divisorie come mostrato nella Fig. A1. Tali pareti compensano i gradienti di pressione dell'aria senza che sia necessario installare e mettere in funzione un gran numero di rack. 12

13 Le temperature dell'aria all'ingresso del server sono state misurate con un data logger Agilent 34970A utilizzando termocoppie di tipo T con una precisione dichiarata di ±1,0 C. Le termocoppie sono state montate nei 5 centimetri di fronte alla griglia di presa dell'aria. La temperatura dell'aria nell'ambiente è stata misurata in corrispondenza dell'apertura all'ingresso della parete divisoria e dell'apertura di scarico della parete divisoria, come mostrato nella Fig. A1. Fig. A1 Apparato sperimentale La temperatura dell'aria libera all'ingresso è risultata pari a 21 C durante l'esperimento. La temperatura dell'aria di scarico è risultata pari a 35 C durante l'esperimento. 13