МОДУЛЬНЫЙ ЦЕНТР ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
MODULAR DATA PROCESSING CENTER

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к модульным центрам обработки данных (ЦОД) контейнерного типа. Изобретение может быть использовано при создании ЦОД средней и высокой производительности.
Известен модульный ЦОД контейнерного типа из описания полезной модели под названием «Модульный ЦОД контейнерного типа» [Патент Китая №202548712, МПК G06F 1/16, G06F 1/18, опуб. 21.11.2012]. Он содержит по меньшей мере один контейнер, в котором размещены стойки с вычислительным оборудованием, блоки охлаждения и источники бесперебойного питания.
Также известный ЦОД содержит наружные блоки, которые сообщены с блоками охлаждения, выполненными в виде кондиционеров, установленных внутри контейнера с возможностью охлаждения вычислительного оборудования.
Конструкция известного ЦОД позволяет охлаждать оборудование, размещенное в стойках, однако его конструкция не позволяет размещать в стойках вычислительное оборудование высокой производительности, которое, как правило, выделяет большое количество тепла. Также конструкция рассматриваемого ЦОД предполагает размещение вычислительного оборудования в открытых стойках, которая не обеспечивает изоляцию от шума, издаваемого при работе вычислительного оборудования. Поэтому к недостаткам известного ЦОД можно отнести его невысокую производительность и повышенный уровень шума внутри ЦОД.
Известен модульный ЦОД контейнерного типа из описания полезной модели под названием «Контейнерный ЦОД и контейнер для него» [Патент Китая №203452412, МПК Е04В 1/343, Е04Н 5/02, опуб. 26.02.2014]. Он содержит по меньшей мере один контейнер, в котором размещены стойки с вычислительным оборудованием, блоки охлаждения, источники бесперебойного питания, распределительные системы электроснабжения, система автоматического пожаротушения.
Также известный ЦОД снабжен датчиками температуры, влажности, дыма и воды, системой видеонаблюдения и управления воротами, что позволяет существенно повысить надежность и безопасность эксплуатации оборудования, входящего в состав ЦОД. Кроме того, конструкция ЦОД позволяет повысить удобство обслуживания оборудования за счет исключения из его конструкции смежных стенок контейнера, совмещаемых при объединении контейнеров. Реализация конструкции известного ЦОД предполагает размещение стоек с вычислительным оборудованием в виде рядов, при этом вычислительное оборудование размещают таким образом, что выделяемое им тепло выбрасывается в пространство, между рядами стоек образуя коридор с высокой температурой. Также в рядах устанавливаются блоки охлаждения, которые забирают воздух из коридора с высокой температурой, охлаждают его и нагнетают с противоположной стороны ряда стоек, образуя тем самым коридор с низкой температурой. Далее охлажденный воздух из коридора с низкой температурой поступает в вычислительное оборудование, тем самым охлаждая его. К недостаткам данного решения относится отсутствие возможности установки в стойки мощного вычислительного оборудования. Обусловлено это тем, что более мощное вычислительное оборудование при работе выделят значительное количества тепла и, следовательно, требует более эффективного охлаждения. Описанная выше схема охлаждения не обеспечивает эффективного охлаждения вычислительного оборудования по следующим причинам:
- во-первых, забор охлаждаемого воздуха осуществляется из одного общего коридора с высокой температурой, а подача охлажденного воздуха осуществляется в один общий коридор с низкой температурой, не обеспечивая при этом эффективного отвода нагретого воздуха и подвода охлажденного воздуха к вычислительному оборудованию, снижая тем самым эффективность охлаждения вычислительного оборудования;
- во-вторых, возникает много мест свободной протечки воздуха, например технологические отверстия для кабельных линий или труб хладоносителя, через которые частично смешиваются потоки воздуха с низкой и высокой температурой;
- в-третьих, потоки охлажденного воздуха не имеют четкого направления к вычислительному оборудованию, поскольку они направляются в объем коридора с низкой температурой и перед поступлением к вычислительному оборудованию сталкиваются с различными сопротивлениями, которыми могут быть как завихрения воздушных потоков, так и сопротивления различных преград в виде дверей стоек и т.п.
Известен модульный ЦОД контейнерного типа из описания изобретения под названием «Модульный ЦОД» [Патент ЕПВ №2916633, МПК Н05K 7/14, Н05K 7/20, опуб. 09.09.2015]. Он содержит по меньшей мере один контейнер, в котором размещены стойки с вычислительным оборудованием, блоки охлаждения, источники бесперебойного питания, распределительные системы электроснабжения, система автоматического пожаротушения, и по меньшей мере одну холодильную машину, размещенную снаружи контейнера и сообщенную при помощи труб хладоносителя с блоками охлаждения.
В отличие от предыдущего аналога конструкция данного модульного ЦОД дополнена холодильными машинами, которые позволяют отводить большее количество тепла от ЦОД в целом. Кроме того, конструкция ЦОД дополнена герметизирующими панелями, которые обеспечивают разделение объемов коридоров с низкой и высокой температурой и уменьшают протечки воздуха из объема с низкой температурой в объем с высокой температурой, тем самым препятствуют смешиванию потоков воздуха с низкой и высокой температурой.
Этот ЦОД выбран в качестве прототипа, так как он имеет наибольшее количество существенных признаков с заявляемым ЦОД.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую эффективность охлаждения вычислительного оборудования, которая, как и у предыдущего аналога, обусловлена тем, что охлажденный с помощью блоков охлаждения и нагретый вычислительным оборудованием воздух подается и отводится через соответственно коридоры с низкой и высокой температурами, не обеспечивая при этом четкого направления потоков нагретого и охлажденного воздуха.
Анализ конструкций известных ЦОД позволяет сделать вывод, что известный уровень техники не обеспечивает создания модульного ЦОД контейнерного типа, позволяющего с высокой степенью эффективности охлаждать размещенное в нем вычислительное оборудование, а значит, использовать в своем составе вычислительное оборудование с высокими тепловыделениями, которое, как правило, является наиболее производительным.
Задачей данного изобретения является создание ЦОД с эффективным охлаждением вычислительного оборудования и, как следствие, с высокой производительностью.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности ЦОД, достигаемое за счет повышения эффективности охлаждения вычислительного оборудования, размещенного в каждой вычислительной стойке и, следовательно, возможности установки в стойку вычислительного оборудования с более высокой производительностью и, как правило, более высокими тепловыделениями. Также техническим результатом заявляемого изобретения является снижение уровня шума в ЦОД за счет каналов, изолирующих внутренний объем стойки и блоков охлаждения от объема контейнера.
Указанный технический результат достигается тем, что модульный ЦОД содержит по меньшей мере один контейнер, в котором размещены стойки с вычислительным оборудованием, блоки охлаждения, источники бесперебойного питания, распределительные системы электроснабжения, система автоматического пожаротушения, и по меньшей мере одну холодильную машину, размещенную снаружи контейнера и сообщенную при помощи труб хладоносителя с блоками охлаждения, согласно изобретению каждая стойка с вычислительным оборудованием снабжена по меньшей мере одним блоком охлаждения и каналами, обеспечивающими циркуляцию воздуха между блоком охлаждения и вычислительным оборудованием, исключая циркуляцию воздуха в объеме контейнера.
Кроме того, с целью повышения безопасности эксплуатации источников бесперебойного питания, распределительных систем электроснабжения и систем автоматического пожаротушения они могут быть размещены в отдельном контейнере, который снабжен индивидуальной системой охлаждения, при этом в качестве хладоносителя системы охлаждения используется неэлектропроводная среда, при утечке которой исключается возможность короткого замыкания электрооборудования. Также размещение источников бесперебойного питания в отдельном контейнере позволяет расширить варианты их типоразмеров, не привязывая их типоразмер к размеру стойки, как это бывает при монтаже источников бесперебойного питания в стойке или в ряду стоек.
Кроме того, с целью повышения защиты вычислительного оборудования от перегрева при отключении питания модульный ЦОД может быть снабжен баком-аккумулятором, который содержит хладоноситель и сообщен при помощи труб хладоносителя с циркуляционным насосом холодильной машины.
Кроме того, с целью защиты вычислительного оборудования от перегрева стойки могут быть снабжены дверьми с приводами, которые установлены с возможностью их открытия при достижении аварийных значений температуры.
Кроме того, в целях повышения защиты вычислительного оборудования от выхода из строя в результате протечки хладоносителя ЦОД может быть снабжен системой управления, к которой подключены датчики утечки хладоносителя, установленные возле блоков охлаждения и труб хладоносителя.
Заявляемое изобретение содержит признаки, отличающие его от наиболее близких аналогов, что позволяет считать его соответствующим условию патентоспособности «новизна».
Новые признаки, которые содержатся в отличительной части формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на основании чего можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 показана конструктивная схема ЦОД.
На фиг. 2 показана конструктивная схема стойки.
Модульный ЦОД (фиг. 1) содержит по меньшей мере один контейнер, в описываемом варианте исполнения ЦОД содержится три контейнера 1, 2 и 3. В контейнерах 1 и 2 размещены стойки 4 с вычислительным оборудованием 5 (фиг. 2) и блоки охлаждения 6. Снаружи контейнеров расположены две холодильные машины 7, которые снабжены циркуляционными насосами 8 и при помощи труб хладоносителя 9 сообщены с баком-аккумулятором 10 и блоками охлаждения 6. В контейнере 3 размещены источники бесперебойного питания 11, распределительные системы электроснабжения 12, система автоматического пожаротушения 13, система управления 14. Также контейнер 3 снабжен индивидуальной системой охлаждения 15, в которой в качестве хладоносителя используется вещество, которое является неэлектропроводной средой.
Стойки 4 (фиг. 2) представляют собой шкаф 16 с дверьми 17 и приводами (не показаны), в котором размещается вычислительное оборудование 5, по меньшей мере один блок охлаждения 6, расположенный с одной из боковых сторон шкафа 16, каналы 18 и 19, обеспечивающие циркуляцию воздуха между блоком охлаждения 6 и вычислительным оборудованием 5, исключая циркуляцию в объеме контейнеров 1 и 2. В конкретном варианте исполнения предусмотрено два блока охлаждения, снабженных вентиляторами 20.
Контейнеры 1 и 2 соединены между собой и имеют общее пространство, обеспеченное при помощи исключения смежных перегородок по оси 21. Данное решение позволяет значительно уменьшить ширину ЦОД, обеспечив необходимую ширину проходов для осуществления технического обслуживания вычислительного оборудования 5 в стойках 4 и блоков охлаждения 6.
К системе управления 14 подключены датчики утечки 22, установленные возле блоков охлаждения 6 и/или труб хладоносителя 9.
Модульный ЦОД работает следующим образом.
От внешней сети электропитание подается на распределительные системы электроснабжения 12. Далее при помощи распределительной системы электроснабжения 12 питание подается на источники бесперебойного питания 11, блоки охлаждения 6, холодильные машины 7, систему автоматического пожаротушения 13, систему управления 14. От источников бесперебойного питания 11 питание подается на блоки охлаждения 6 и на вычислительное оборудование 5, размещенное в стойках 4.
При работе вычислительное оборудование 5 забирает воздух из канала 18, нагревает его и выбрасывает в канал 19, откуда нагретый воздух при помощи вентиляторов 20 поступает в блоки охлаждения 6. В блоках охлаждения 6 происходит охлаждение воздуха, который при помощи вентиляторов 20 подается в канал 18, откуда снова поступает к вычислительному оборудованию 5, тем самым охлаждая его. В результате прохождения воздуха через блок охлаждения происходит нагрев хладоносителя, который при помощи насосов 8 подается на холодильную машину 7, охлаждается и снова подается к блокам охлаждения через бак-аккумулятор 10. Холодильная машина, расположенная снаружи контейнеров 1, 2, 3, выбрасывает отведенное от хладоносителя тепло в атмосферу. При низких температурах наружного воздуха может быть применен режим свободного охлаждения, при котором охлаждение хладоносителя может осуществляться за счет температуры наружного воздуха, что значительно снижает потребление энергии холодильной машиной и значительно повышает эффективность системы охлаждения.
Во время работы источники бесперебойного питания 11 распределительные системы электроснабжения 12, система автоматического пожаротушения 13 и система управления 14 выделяют тепло, которое при помощи индивидуальной системы охлаждения 15 отводится в атмосферу. В данной системе охлаждения в качестве хладоносителя используется хладагент, который при утечке превращается в газ, исключая при этом возможность короткого замыкания и выхода из строя оборудования, размещенного в контейнере 3.
При прекращении подачи питания от внешней системы электроснабжения ЦОД переходит в режим электроснабжения от источников бесперебойного питания 11, поддерживая работоспособность ЦОД. При длительном отключении питания от внешней системы электроснабжения источники бесперебойного питания 11 обеспечивают электроэнергией вычислительное оборудование 5 на время, необходимое для корректного отключения вычислительного оборудования 5 и ЦОД в целом. Для увеличения времени автономной работы ЦОД (при прекращении подачи питания или аварийных ситуациях) используется бак-аккумулятор 10, при помощи насосов 8 осуществляется подача хладоносителя в блоки охлаждения 6, обеспечивая тем самым отвод тепла от вычислительного оборудования 5, не позволяя ему перегреться. При прекращении питания ЦОД на непродолжительное время система управления 14 переводит оборудование ЦОД в режим работы от внешней системы электроснабжения.
При утечке хладоносителя из блоков охлаждения 6 и/или трубопроводов хладоносителя 9 датчики утечки фиксируют утечку хладоносителя и подают сигнал в систему управления 14, что позволяет своевременно принять меры по устранению утечки и исключить выход из строя вычислительного оборудования.
При превышении температуры внутри стоек выше аварийных значений при помощи приводов осуществляется открывание дверей 17 стойки 4, в результате чего происходит охлаждение вычислительного оборудования 5 за счет воздуха, забираемого из объема контейнеров 1 и 2, обеспечивая защиту вычислительного оборудования 5 от перегрева.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемое изобретение относится к вычислительной технике, а именно к модульным центрам обработки данных (ЦОД) контейнерного типа, и может быть использовано при создании ЦОД средней и высокой производительности.
- для заявленного модульного ЦОД в том виде, в каком он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- модульный ЦОД, воплощая заявленное изобретение при его осуществлении, способен повысить производительность за счет повышения эффективности охлаждения вычислительного оборудования, размещенного в каждой вычислительной стойке, и, следовательно, возможности установки в стойку вычислительного оборудования с более высокими тепловыделениями и, как правило, более высокой производительностью.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».