Melhoria do desempenho de bastidores através de painéis falsos

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1 Melhoria do desempenho de bastidores através de painéis falsos Por Neil Rasmussen Aplicação Técnica Nº 44 Revisão 1

2 Sumário Executivo O espaço vertical não utilizado em bastidores de armação aberta e montagens de bastidores gera uma reciclagem de ar quente, que provoca um desnecessário aquecimento do equipamento. A utilização de painéis falsos pode reduzir este problema. Este documento explica e quantifica os efeitos dos painéis falsos no desempenho de sistemas de arrefecimento. 2

3 Introdução Os equipamentos de Tecnologia de Informação montados em bastidores são arrefecidos canalizando ar do centro de dados para a sala de rede. Se o ar viciado aquecido puder reentrar na admissão de ar do equipamento, gera-se uma situação indesejável de sobreaquecimento. Os centros de dados e salas de rede devem ser concebidos de forma a impedir que o equipamento apanhe ar quente e isso consegue-se através de práticas de instalação de uso corrente, ou através de sistemas preconcebidos. No próprio bastidor existe a possibilidade de o ar viciado ser reciclado para a entrada de ar do equipamento. Isto sucede principalmente quando o ar viciado volta à parte de cima ou de baixo do equipamento e se dirige de novo para a entrada de ar. Este fenómeno não é inteiramente tido em conta pelos utilizadores, mas é a principal causa de sobreaquecimento nos centros de dados actuais. Este documento explica como surgem este tipo de problemas, fornece exemplos práticos do seu efeito e demonstra como este problema compromete significativamente o arrefecimento do equipamento. É igualmente explicada e quantificada a vantagem de utilizar painéis falsos para amenizar o problema. Recirculação de ar viciado O sobreaquecimento devido à recirculação de ar viciado e as vantagens de utilizar painéis falsos são bem conhecidos pelos fabricantes de equipamentos de TI. Os fabricantes de equipamento de TI chegam mesmo a alertar os utilizadores para a necessidade de utilizar painéis falsos. O excerto abaixo apresentado é retirado de um guia de instalação de um servidor Compaq: Painéis de ATENÇÃO: Utilize sempre painéis falsos para preencher espaços verticais vazios do bastidor, para manter uma circulação de ar adequada. A utilização de um bastidor sem painéis falsos pode dar origem a uma refrigeração inadequada, que pode provocar danos térmicos. Se houver espaço vertical não preenchido por componentes, os intervalos espaciais entre os componentes provocam uma alteração de circulação de ar no bastidor e à volta dos componentes. Cubra esses intervalos espaciais com painéis falsos para manter uma circulação de ar adequada. Na Figura 1 pode ver-se um exemplo da forma como se processa a circulação de ar num bastidor. Na Figura 1A está representada em diagrama a circulação de ar sem painéis falsos. Na Figura 1B a instalação de painéis falsos altera a circulação de ar. 3

4 Figura 1 Diagramas de circulação de ar num bastidor perante efeito de painéis de 1A: sem painéis de 1B: com painéis de Lado Lado Painel de Note que quando a recirculação cria condições de sobreaquecimento e essa recirculação não é eliminada, a única solução prática para o problema é reduzir a temperatura ambiente canalizada para a sala, numa tentativa de equilibrar este efeito. Isto reduz a eficácia do sistema de ar condicionado, gera maior condensação (de água) por parte do sistema principal de ar condicionado e cria a necessidade de humidificação suplementar. Tais consequências podem resultar em custos de electricidade significativamente maiores e podem tornar desconfortável o ambiente para os trabalhadores do centro de dados. Porque é que normalmente não se instalam painéis falsos? Há dois factores fundamentais que contribuem para a não instalação de painéis falsos. O primeiro devese a uma questão de ignorância. Muitos não compreendem bem a relevância dos painéis falsos para os bastidores. Crêem que têm apenas uma finalidade estética. Este documento serve para ajudar a esclarecer esta questão através dos resultados experimentais apresentados. O segundo prende-se com a dificuldade de instalação. Os tradicionais painéis falsos de aparafusamento exigem quatro parafusos, quatro buchas e quatro porcas fixas para efectuar a instalação. Isto leva tempo e só complica o processo de instalação do bastidor. A falha humana é um aspecto sério a considerar na instalação de painéis falsos de aparafusamento, porque as pequenas porcas fixas, parafusos e painéis, são muitas vezes pousados perto do equipamento de produção, podendo provocar períodos de inactividade. Além disso, os painéis falsos tradicionais têm por norma kits de vários Us. Por exemplo, um kit pode incluir painéis de 1, 2, 4 e 8U, o que pode representar um problema porque, não só a quantidade correcta de Us total deve ser conhecida, como também é necessária a combinação certa de tamanhos de painéis para preencher os respectivos espaços. Estas razões contribuem para atrasar aquele que é frequentemente um processo com escassez de tempo, na hora de instalar ou modernizar um centro de dados. 4

5 Ter painéis falsos que encaixam em qualquer armação de bastidor rectangular e montá-los sem ferramentas, diminui significativamente os gastos de tempo e de mão-de-obra decorrentes da instalação dos painéis. Para além disso, ao fixar um padrão de tamanho de painel de 1U, os bastidores podem ser facilmente preenchidos, em vez de ter de distribuir os espaços vazios por painéis de diversos tamanhos, como 1, 2, 4, e 8U. Por exemplo, se houvesse um espaço de 3Us num bastidor que precisasse de ser preenchido e só restassem dois painéis de 2Us, o espaço não podia ser preenchido com o material disponível. Seria preciso esperar por uma encomenda de painéis 1U para poder concluir a instalação. Como exemplo de solução que preenche estes requisitos, temos o painel falso AR8136BLK da APC, como se pode ver pelas Figuras 2a e 2b. Figura 2a Exemplo de painel falso modular encaixável Figura 2b Pormenor de encaixe fácil do painel falso Pondere os gastos de material e de mão-de-obra de montagem de painéis falsos num centro de dados de 100 bastidores, considerando uma média de 10U de espaço vazio por bastidor (um total de 1000U em painéis falsos). A Tabela 1 compara o custo de instalação de painéis de encaixe de 1U com o custo de instalação de painéis tradicionais de aparafusamento de vários tamanhos. As poupanças de custo de material rondam os 41 %, as de mão-de-obra rondam os 97 %, para uma poupança total de 48 % no caso de aplicação de painéis falsos encaixáveis. 5

6 Tabela 1 Análise de custos de painéis falsos num centro de dados de 100 bastidores Painéis de de encaixe 1U Painéis de tradicionais de aparafusamento Sortido variado Painéis de 1U Painéis de 2U Painéis de 4U Painéis de 8U Custo típico de painel de por U Custo de painel de por 1000U 4, , , , , , Tempo de instalação médio de painel de (segundos) Tempo de instalação de 1000U de painéis de (horas) Custo de instalação por 1000U baseado num preço de mão-de-obra de 25 / hora , , Custo de material Custo total de material para painéis de de encaixe 1U Custo total médio de material para painéis de de encaixe Custo de mão-de-obra Custo total de mão-de-obra com utilização de painéis de de encaixe 1U 4, , Custo total médio de mão-de-obra com utilização de painéis de de encaixe Poupanças % de poupanças de custo de material com utilização de painéis de de 41.2% encaixe 1U % de poupanças de custo de mão-de-obra com utilização de painéis de de 96.7% encaixe 1U Em média, os painéis de de encaixe 1U instalam-se 30 vezes mais depressa que os tradicionais painéis de de aparafusamento Pressupostos da análise 100 bastidores de centro de dados com uma média de 10U de espaço livre por bastidor ou 1000U necessários em painéis de 3 minutos de tempo de instalação para (42) painéis de de encaixe 1U 5 minutos de tempo de instalação por painel de de aparafusamento tradicional Painéis de tradicionais com 4 buracos por painel Sortido variado é composto por painéis de 1U, 2U, 4U e 8U (um de cada) são utilizados 67 kits por 1000U 6

7 Outros factores que contribuem para uma circulação de ar inadequada A ausência de painéis falsos nos espaços por utilizar dos bastidores é apenas uma das passagens que permite a recirculação de ar viciado. Há também outros tipos de equipamentos que são montados em bastidor que permitem que o ar viciado retorne à parte da frente do bastidor. Além disso, alguns bastidores não estão desenhados para separar naturalmente o ar admitido do ar extraído. Na Tabela 2 apresenta-se um resumo sobre os principais factores que contribuem para as fugas de ar e sobre as várias formas de evitá-las. Esta lista pode servir como apoio durante auditorias de centros de dados, ou para avaliação de concepções de centros de dados projectados ou de salas de rede. A Tabela 2 sugere que a selecção de equipamento como bastidores e monitores não seja feita sem ter em conta a circulação de ar nos bastidores. A implementação de princípios de controlo sintetizados na Tabela 2 é essencial para assegurar um funcionamento perfeito e fiável do sistema de arrefecimento de bastidores. Tabela 2 Factores que contribuem para o sobreaquecimento provocado pela recirculação de ar nos bastidores e respectivos métodos para os combater Factor contribuinte Consequência Controlo / Lista Espaço vertical de bastidor não utilizado Barras de inserção nos lados da armação dos bastidores Monitores em prateleiras Servidores em torre nas prateleiras Espaço vertical de bastidor utilizado para passar cabos da parte da frente para a parte de trás do bastidor O espaço livre permite que o ar viciado retorne à admissão de ar do equipamento, provocando sobreaquecimento O espaço livre lateral permite que o ar quente viciado retorne à admissão de ar do equipamento, provocando sobreaquecimento O espaço livre à volta do monitor permite que o ar viciado retorne à admissão de ar do equipamento, provocando sobreaquecimento O espaço livre à volta dos servidores permite que o ar viciado retorne à admissão de ar do equipamento, provocando sobreaquecimento O espaço livre à volta dos cabos permite que o ar viciado retorne à admissão de ar do equipamento, provocando sobreaquecimento Utilizar painéis falsos em todos os espaços por utilizar do bastidor Não utilizar barras para bastidores de 483 mm nos de 584 mm. Utilizar bastidores sem espaços livres entre as barras e os lados da armação Utilizar monitores LCD finos de tampa basculante Adquirir bisels de montagem em bastidor para monitores CRT Utilizar servidores de montagem em bastidor Nota: a densidade de potência dos servidores em torre num bastidor é muito baixa, o que diminui a magnitude do problema Utilizar painéis falsos equipados com uma escova flexível ou uma protecção que permita a passagem dos cabos e reduza as fugas de ar 7

8 Factor contribuinte Consequência Controlo / Lista Portas frontais ou traseiras do bastidor com má ventilação Espaço entre bastidores A resistência à circulação de ar por parte das portas cria um gradiente de pressão que amplifica os efeitos acima referidos O espaço livre permite que o ar viciado retorne à admissão de ar do equipamento, provocando sobreaquecimento Utilizar portas frontais e traseiras completamente perfuradas Não utilizar portas de vidro ou portas de perfuração limitada Encoste os bastidores uns aos outros sempre que possível Exemplo real As vantagens quantitativas decorrentes da utilização de painéis falsos foram avaliadas pela medição do efeito num conjunto real de bastidores com servidores em condições normais. As condições desta experiência estão descritas no Anexo A. A redução da subida de temperatura na entrada de ar dos servidores resultante da instalação de painéis falsos está descrita na Figura 3. Figura 3 Efeito da instalação de painéis falsos na temperatura da entrada de ar dos servidores 2A: Sem painéis falsos 2B: Com painéis falsos 32 C 27 C 35 C Lado 26 C 23 C 23 C Lado Painel de 28 C 23 C 22 C 22 C 21 C 21 C Temp admissão ar servidor Temp admissão ar servidor 8

9 Na Tabela 3 é apresentado o resumo destes dados. Os dados mostram que os servidores mais frios se encontram na parte de baixo do bastidor e que eles não afectados pela utilização de painéis falsos. O servidor mais quente está situado mesmo acima do espaço vertical livre e por utilizar do bastidor, experimentando uma redução de temperatura de 11,1 ºC após a montagem de painéis falsos. Tabela 3 Dados experimentais que mostram o efeito dos painéis falsos na temperatura da entrada de ar dos servidores Sem painéis falsos 35 C Servidor mais quente 21 C Servidor mais frio Sem painéis falsos (mesmo servidor) 23 C 21 C Diferença de temperatura 12 C 0 C O exemplo teste controlado apresenta um cenário em que uma série de bastidores de alta densidade são colocados lado a lado em filas compridas. É prática comum que bastidores altos de alta densidade de potência sejam colocados ao pé de bastidores de baixa densidade de potência e frequentemente dispostos em pequenas filas. Neste tipo de casos é esperado um menor efeito de redução da temperatura por parte dos painéis falsos. Para confirmar isto mesmo foram efectuadas medições em salas de rede verdadeiras com filas que apresentam mistura de densidades de potência ou filas pequenas. Observou-se em todos os casos a redução da temperatura, na admissão de ar dos servidores, resultante da utilização de painéis falsos para preencher o espaço vertical adjacente não utilizado de bastidores. As reduções efectivas de temperatura variaram entre 2,8 C e 8,3 C. A compreensão do princípio de recirculação do ar, quando combinado com os resultados experimentais, sugere que se possam tirar as seguintes conclusões gerais: Em condições reais a utilização de painéis falsos permite reduzir a temperatura de funcionamento do equipamento de TI em 10 C. A vantagem da utilização de painéis falsos é maior para os equipamentos situados em posição adjacente ou acima do espaço por utilizar coberto por painéis de. A utilização de painéis falsos permite reduzir a incidência de problemas de sobreaquecimento ou de pontos quentes que possam surgir em centros de dados ou salas de rede. Quando se colocam painéis falsos, pode obter-se a mesma temperatura na admissão de ar dos servidores perante uma temperatura superior de expulsão do ar condicionado; isto leva a uma menor desumidificação e maior eficiência do ar condicionado. Está correcta a sugestão de utilização de painéis falsos por parte dos fabricantes de equipamento. 9

10 Conclusões O equipamento de TI num ambiente de bastidores pode sofrer sobreaquecimento, caso o ar quente viciado retorne à admissão de ar. Pode ocorrer um conjunto de situações num bastidor, que permitam ou estimulem a recirculação de ar e o consequente sobreaquecimento. Quando se utiliza um bastidor com design adequado juntamente com equipamento de montagem em bastidor, a principal causa de recirculação de ar é o espaço desocupado do bastidor. A utilização de painéis de para preencher este espaço vazio elimina o problema. Este artigo fornece uma lista de itens que devem ser tidos em conta na concepção de um novo centro de dados ou sala de rede e pode ser utilizada para efectuar uma auditoria a um centro de dados ou a uma sala de rede. Se estas directrizes forem seguidas, é possível reduzir significativamente o sobreaquecimento devido a recirculação e melhorar a eficácia do sistema de ar condicionado. Acerca do autor: Neil Rasmussen foi um dos fundadores e é o CTO da American Power Conversion, sendo actualmente o Director Técnico. Na APC, Neil administra o maior orçamento do mundo para pesquisa e desenvolvimento, nas áreas de alimentação, arrefecimento, infra-estrutura de bastidores para redes críticas. Com os principais centros de desenvolvimento distribuídos em Massachusetts, Missouri, Dinamarca, Rhode Island, Formosa, e Irlanda, Neil dirige hoje os esforços da APC para desenvolver soluções em escala modular para os centros de dados. Antes de fundar a APC em 1981, Neil concluiu o seu bacharelato e mestrado no MIT em engenharia eléctrica, onde apresentou a sua tese na análise de uma fonte de alimentação de 200 MW para o reactor de fusão em Tokmak. De 1979 a 1981 ele trabalhou no MIT Lincoln Laboratories em sistemas de armazenamento de energia de volante e sistemas de energia eléctrica solar. 10

11 Anexo A: Descrição das condições experimentais O objectivo da experiência é criar um ambiente semelhante ao de um centro de dados real. A experiência foi conduzida num único bastidor, utilizando 30 simuladores de servidores de 1U. Cada simulador de servidor é composto por um chassis de servidor com 1U de altura e com fonte de alimentação e ventiladores, mas a motherboard do computador é substituída por uma carga resistente. A carga de cada servidor simulado foi programada para receber 150 Watts. Os 30 simuladores de servidores foram colocados num bastidor APC NetShelter VX 42U com 42 polegadas (1067 mm) de profundidade. A carga total era de 4,5 KW. Os simuladores de servidores estavam dispostos de forma a que restasse apenas um espaço de 11U mais ou menos a meio da parte superior da armação. As temperaturas de admissão de ar foram monitorizadas em intervalos de 7º U, começando no 2º U e acabando no 41º U. Para simular a presença do bastidor experimental numa fila de bastidores considerou-se que todos os bastidores da fila seriam iguais e que o bastidor experimental estaria localizado perto do meio de uma comprida fila. Supôs-se que a fonte de ar seria uma linha uniforme de grelhas de ventilação no chão falso situadas à frente do bastidor. Deste modo, ficam praticamente anulados todos os vectores de gradiente de pressão de ar horizontal entre bastidores adjacentes e a movimentação lateral de ar entre bastidores é praticamente inexistente. Além disso, partiu-se do princípio que os bastidores estão colocados em filas alternadas por alas frias e quentes. Assim sendo, os gradientes de pressão de ar entre filas adjacentes são praticamente inexistentes e a movimentação de ar entre filas é praticamente nula ao longo da linha central entre as filas. Para simular em laboratório, e com um único bastidor, as condições anteriormente descritas para um centro de dados, foi efectuado um seccionamento, como se pode ver pela Figura A1. O seccionamento equilibra os gradientes de pressão de ar, sem ser preciso instalar e pôr a funcionar um grande número de bastidores. 11

12 As temperaturas na admissão de ar dos servidores foram medidas com um registador de dados Agilent 34970A que utiliza termopares do Tipo T com uma precisão estimada de +/- 1,0 C. Os termopares foram montados no ar 50 mm à frente da grelha de admissão de ar. A temperatura ambiente foi medida na abertura de admissão da secção e na abertura de extracção da secção, como se pode ver na Figura A1. Figura A1 Configuração experimental A temperatura de ar livre na entrada de ar era de 21 ºC durante a experiência. A temperatura ambiente do ar viciado era de 35 ºC durante a experiência. 12