Hệ thống tủ rack: Cầu nối quan trọng của giải pháp quản lý nhiệt độ

Không chỉ là nơi để tổ chức và thao tác với thiết bị, hệ thống tủ chứa thiết bị CNTT (tủ rack) ngày nay còn giữ vai trò cầu nối quan trọng trong giải pháp làm mát trung tâm dữ liệu (TTDL). Để quản lý hiệu quả nhiệt độ bên trong TTDL, lượng khí lạnh cung cấp từ thiết bị làm lạnh phải được lưu chuyển qua tủ rack và tới thiết bị một cách dễ dàng. Do đó, nếu không được thiết kế phù hợp, hệ thống tủ rack sẽ ảnh hưởng không tốt đến toàn bộ giải pháp làm mát trong TTDL.

Theo các tài liệu hướng dẫn quản lý nhiệt độ của ASHRAE, việc quản lý tốt các luồng khí lưu chuyển trong TTDL có ý nghĩa rất quan trọng nhằm duy trì mức nhiệt độ phù hợp của lượng khí lạnh đi vào thiết bị. Tuy nhiên, nếu không quan tâm đến việc lựa chọn hệ thống tủ rack phù hợp, dù các nhà quản trị có sử dụng thiết bị làm lạnh tiên tiến đến đâu cũng khó có thể đạt được môi trường hoạt động tối ưu cho thiết bị.

Hệ thống quạt của thiết bị

Hầu hết thiết bị thường được tích hợp sẵn hệ thống quạt giúp định hướng không khí di chuyển từ trước ra sau. Tuy nhiên, khi nghiên cứu nhu cầu tản nhiệt của thiết bị trong môi trường thí nghiệm, các kỹ sư thường không dự đoán hết những ảnh hưởng từ các chướng ngại vật xung quanh trong môi trường tủ rack trên thực tế. Thử nghiệm trong một tủ rack 42U được lắp đầy cho thấy nhiệt độ thực tế lưu thông qua thiết bị tăng khoảng 5°C do ảnh hưởng từ các chướng ngại vật xung quanh. Những chướng ngại vật này cản trở đường lưu thông của khí lạnh nên làm giảm hiệu suất của hệ thống quạt, từ đó khiến các thiết bị hoạt động ở mức nhiệt độ cao hơn. Mức độ ảnh hưởng của các chướng ngại vật này phụ thuộc vào thiết kế của hệ thống tủ rack và cách các thiết bị được lắp đặt bên trong.

Hình 1: Sự tương tác giữa hệ thống quạt bên trong máy chủ và hệ thống tủ rack

Hình 1 cho thấy sự tương tác giữa hệ thống quạt bên trong máy chủ và hệ thống tủ rack. Điểm tương tác giữa đường cong thể hiện hiệu suất hệ thống và đường cong thể hiện hiệu suất quạt trong thiết bị cho thấy mức không khí lưu thông qua thiết bị. Đường cong ngắt quãng trong hình thể hiện hiệu suất của hệ thống trong môi trường thử nghiệm. Đồ thị trên còn cho thấy lượng không khí lưu thông qua thiết bị trong thực tế thấp hơn so với môi trường thử nghiệm. Do đó, những tủ rack có thiết kế cản trở việc luân chuyển không khí qua thiết bị sẽ làm giảm hiệu suất của toàn bộ giải pháp làm mát, tăng chi phí đầu tư và vận hành trong TTDL.

Thiết kế tủ rack đóng vai trò quan trọng

Như đã đề cập, thiết kế của tủ rack giữ vai trò quyết định đối với lượng không khí lưu thông qua thiết bị. Những yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống quạt bên trong thiết bị gồm: độ thông thoáng của cửa trước và cửa sau, cách lắp thiết bị, khoảng trống bên trong tủ, hệ thống cáp… Bên cạnh đó, hướng lưu chuyển của không khí bên trong tủ cũng có vai trò quan trọng. Hầu hết tủ rack đều được thiết kế sao cho không khí đi vào từ mặt trước và đi ra ở mặt sau tủ. Một vài nhà sản xuất cung cấp các mô hình đặc biệt cho phép không khí đi vào từ mặt trước, đi ra ở mặt trên tủ hoặc đi vào từ đáy tủ, đi ra ở nóc tủ. Do không khí phải chuyển hướng nhiều lần, lượng khí lưu chuyển qua tủ sẽ không đủ và được bù đắp bằng hệ thống quạt.

Phần lớn các nhà sản xuất tủ rack hiện nay đều cung cấp giải pháp nhốt toàn bộ khí nóng bằng cách sử dụng hệ thống ống dẫn khí. Trong những tủ rack loại này, khí nóng sẽ được dẫn lên trên, qua nóc tủ vào các đường ống và ra môi trường bên ngoài hoặc trở lại với những hệ thống làm lạnh khép kín. Hệ thống này giúp ngăn khí nóng và khí lạnh hòa lẫn vào nhau, hỗ trợ nâng cao hiệu suất của giải pháp làm mát. Tuy nhiên, loại tủ này có hạn chế là hệ thống quạt của thiết bị phải hoạt động với công suất lớn để đẩy không khí qua các không gian hẹp bên trong các đường ống dẫn khí. Do đó, nếu không được thiết kế tốt, hiệu suất hệ thống quạt trong thiết bị sẽ bị ảnh hưởng rất lớn. Ngoài ra, cũng có thể áp dụng giải pháp lắp đặt những thiết bị tản nhiệt ngay tại cửa sau của tủ nhằm làm lạnh lập tức các luồng khí nóng vừa thải ra. Tuy nhiên, những thiết bị tản nhiệt này có thể gây cản trở luồng khí di chuyển, ảnh hưởng không tốt đến hiệu suất của hệ thống quạt trong thiết bị. Một phương án khác là tích hợp hệ thống quạt vào tủ để hỗ trợ đẩy nhanh khí nóng ra ngoài. Tất cả quạt trong TTDL, bao gồm cả hệ thống quạt trong các thiết bị làm mát cần phải hoạt động đồng bộ với nhau nhằm đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất của giải pháp làm mát. Do đó, hệ thống quạt gắn thêm bên trong tủ rack rất có thể sẽ trở thành nút thắt cổ chai của dòng khí lưu chuyển từ máy làm lạnh qua thiết bị và thoát ra ngoài.

Áp suất và sự tuần hoàn của khí nóng

Không khí thoát ra khỏi thiết bị có thể tạo nên một lượng áp suất rất lớn tích tụ tại khoảng cách giữa thiết bị và cửa sau tủ, dẫn đến tình trạng khí nóng bị đẩy ngược trở lại thiết bị, khiến hệ thống hoạt động không hiệu quả (hình 2).

Hình 2: Áp suất tích tụ ở mặt sau đẩy không khí nóng quay ngược lại
mặt trước làm nhiệt độ khí lạnh đi vào thiết bị tăng lên đáng kể.

Phân tích CFD (Computational fluid dynamics) cho thấy lượng áp suất tích tụ này ảnh hưởng như thế nào đến luồng khí lưu chuyển và hiệu suất làm mát bên trong một tủ rack thông thường với hướng lưu chuyển khí từ trước ra sau.

Với tủ rack được sử dụng là loại 42U có độ thông thoáng 63% ở cửa lưới trước và sau, tổng nhiệt lượng phát ra từ thiết bị bên trong tủ nằm ở mức 5 kW-20 kW. Ngoài ra, lưu lượng khí di chuyển qua thiết bị và tổng lượng khí lạnh cung cấp qua thiết bị làm lạnh đã được điều chỉnh tương ứng sao cho nhiệt độ tăng lên 11°C trong quá trình thiết bị hoạt động.

Hình 3 cho thấy sự phân bố nhiệt độ của khí lạnh đi vào từ mặt trước thiết bị. Chúng ta có thể thấy rõ luồng khí hai bên hông tủ có nhiệt độ tương đối cao hơn so với những phần còn lại. Nhiệt độ cao nhất nằm ở các thiết bị phía dưới tủ do ảnh hưởng của khí nóng ở mặt sau, đi qua khoảng trống giữa tủ và sàn, quay ngược trở lại mặt trước thiết bị. Nhiệt độ khí lạnh cung cấp ở mặt trước thiết bị trong phân tích CFD ở trên lớn hơn mức cần thiết khoảng 20% (để giữ cho mức nhiệt độ tăng khoảng 11°C khi hệ thống vận hành). Dù vậy, nhiệt độ của khí lạnh cung cấp từ thiết bị làm lạnh đi vào thiết bị vẫn tăng lên do ảnh hưởng của các dòng lưu chuyển khí nóng bên trong và bên dưới tủ rack.

Hình 3: Nhiệt độ khí lạnh đi vào mặt trước thiết bị. Hiện tượng tuần hoàn khí nóng
làm cho nhiệt độ không khí từ hệ thống làm lạnh tới mặt trước thiết bị tăng lên.
Nhiệt độ không khí ra khỏi hệ thống lạnh vào khoảng 16°C và được thể hiện màu xanh dương.

Những vấn đề liên quan đến nhiệt lượng

Như mô tả ở hình 4a & 4b, luồng lưu chuyển khí nóng gây ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất làm mát và khiến nhiệt lượng bên trong tủ tăng lên đáng kể. Khi nhiệt lượng tăng từ 5 kW lên 20 kW, tỷ lệ khí nóng lưu chuyển ngược lại bên trong thiết bị tăng lên tới 21%. Có thể hạn chế sự lưu chuyển khí nóng bên trong tủ bằng cách gắn những thanh lấp khoảng trống (blank panel) vào các vị trí không sử dụng trên thanh lắp thiết bị. Tuy nhiên, hình 4b cho thấy việc lắp thanh lấp khoảng trống có thể làm tăng lượng áp suất tích lũy và làm giảm hiệu suất của hệ thống quạt trong thiết bị. Do đó, khả năng thông thoáng của cửa sau tủ rack vẫn đóng vai trò quyết định trong việc giảm áp suất ở khoảng trống giữa thiết bị và cửa sau tủ.

Để hệ thống làm mát đạt hiệu suất tối ưu, cần tăng tốc độ hệ thống quạt trong thiết bị nhằm cân bằng với sự gia tăng nhiệt độ của luồng khí đi vào thiết bị. Tuy nhiên, tốc độ quạt nhanh hơn đồng nghĩa với điện năng tiêu thụ lớn hơn, chi phí vận hành TTDL cao hơn. Khi nhiệt độ không khí đi vào thiết bị tăng lên 44°C-53°C, lượng điện tiêu thụ cho quạt của thiết bị cũng tăng lên từ 3,5-7 lần. Thêm vào đó, lượng khí lớn hơn đi qua thiết bị cũng đồng nghĩa với việc áp suất tích lũy nhiều hơn tại mặt sau thiết bị, gây ảnh hưởng hiệu suất của hệ thống quạt.

Kết luận

Hệ thống tủ chứa thiết bị trong TTDL là cầu nối quan trọng của hệ thống làm mát và thiết bị. Thiết kế của tủ rack có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống quạt nói riêng và toàn bộ giải pháp làm mát nói chung. Việc sử dụng các mô hình và giải pháp làm mát với công nghệ tiên tiến nhất chưa chắc có thể mang lại hiệu suất và môi trường hoạt động tối ưu cho thiết bị. Do đó, các nhà quản trị TTDL luôn cần cân nhắc kỹ càng trước khi quyết định lựa chọn và đầu tư hệ thống tủ rack cho TTDL của mình.