Czym jest cyfrowy bliźniak data center?

Cyfrowe bliźniaki: atut w zarządzaniu centrami danych

Centra danych stały się kluczowym elementem nowoczesnej infrastruktury informatycznej, pozwalającym przechowywać, zarządzać oraz przetwarzać wielkie ilości danych. Ich zarządzanie może jednak być złożone.

Tu wkraczają cyfrowe bliźniaki. Te wirtualne repliki urządzeń i układów fizycznych dają zarządzającym pełny i dokładny obraz ich infrastruktury: stały monitoring, przewidywanie możliwych awarii, poprawę efektywności energetycznej oraz planowanie modernizacji i napraw.

W tym opracowaniu pokazujemy, jak cyfrowe bliźniaki można wykorzystać w centrach danych, aby poprawić zarządzanie urządzeniami, obniżyć koszty eksploatacji i zwiększyć trwałość, a także jakie wyzwania wiążą się z ich wdrożeniem.

Data center i cyfrowy bliźniak: o czym mówimy?

Wewnątrz data center

Data center to centrum danych które zawiera wiele urządzeń informatycznych niezbędnych do przechowywania, przetwarzania, zarządzania i udostępniania miliardów danych. Dane te są przechowywane w systemach pamięci masowej (macierze dyskowe, pamięć sieciowa albo w chmurze) i przetwarzane w tysiącach serwerów. Moc data center może dochodzić do 100 megawatów (MW).

Centra danych to obiekty szczególnie zabezpieczone ponieważ zawierają wiele informacji poufnych. Są też obiektami klimatyzowanymi: wiele układy chłodzenia utrzymuje temperaturę na optymalnym poziomie. Wyposażone są wreszcie w redundantne układy zasilania (agregaty rezerwowe, zasilacze UPS), aby zapewnić nieprzerwaną dostępność usług przy awarii sprzętu albo zaniku zasilania.

Centra danych odgrywają podstawową rolę w infrastrukturze internetu i nowoczesnej informatyki, wpływając na zarządzanie i dostępność usług online używanych codziennie.

Cyfrowy bliźniak: wirtualne odwzorowanie świata fizycznego

Cyfrowego bliźniaka (digital twin) to pełne i wierne odwzorowanie obiektu fizycznego w całym jego cyklu życia. Wykorzystuje dane w czasie rzeczywistym z czujników obiektu, aby symulować jego zachowanie w sposób ciągły, nadzorować pracę i wydajność, wyprzedzać awarie i podejmować decyzje.

Cyfrowy bliźniak opiera się na przesyle informacji o bardzo dużej przepustowości (światłowód, 5G, a w przyszłości 6G). Rozwija się wokół internetu rzeczy (IoT) oraz sztucznej inteligencji, w szczególności uczenia maszynowego i uczenia głębokiego: tworzy prognozy, obserwuje odchylenie od rzeczywistości, a następnie uczy się i dopracowuje przewidywania.

Cyfrowy bliźniak przypomina złożoną symulację, ale dzieli je istotna różnica: symulacja daje tylko wskazanie co do rzeczywistego zachowania, natomiast cyfrowy bliźniak modeluje dokładne odwzorowanie odniesienie produktu albo układu do rzeczywistości oraz cały jego cykl życia, dzięki zebranym danym w czasie rzeczywistym.

Rodzaje cyfrowego bliźniaka

Technologia pozostaje w zasadzie ta sama; cyfrowe bliźniaki rozróżniamy według rodzaju zastosowania.

Cyfrowy bliźniak wchodzi do budownictwa

Technologia cyfrowego bliźniaka przypomina połączenie systemu zarządzania budynkiem (BMS) oraz BIM (Building Information Modeling).

BIM — Building Information Modeling

BIM tworzy cyfrowy model budynku, aby scentralizować wszystkie dane projektu budowlanego w inteligentnym i interaktywnym modelu 3D. Model zawiera złożony model 3D a także cechy niegeometryczne (materiały, koszty, terminy, parametry energetyczne, dane eksploatacyjne i serwisowe). Uczestnicy pracują w czasie rzeczywistym na jednym modelu, co pozwala zasymulować i zobaczyć projekt jeszcze przed rozpoczęciem prac i wychwycić braki skuteczności oraz luki kosztowe. BIM ma charakter nadzorczy, pozwala poprawić błędy przed realizacją i jest aktualizowany w całym cyklu życia.

BMS — system zarządzania budynkiem

BMS skutecznie zarządza funkcjami technicznymi, urządzeniami i zasobami, co pozwala obniżyć zużycie energii budynku (nazywanego wtedy „smart building”) w eksploatacji: ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja, oświetlenie, bezpieczeństwo. Zarządzanie nimi wpływa wprost na efektywność energetyczną i komfort użytkowników.

Uzupełnianie się

Te dwie technologie są komplementarne: BIM koncentruje się na tworzeniu i prowadzeniu wspólnego modelu cyfrowego przez cały projekt, a BMS na zarządzaniu układami technicznymi w eksploatacji. Ich wspólne stosowanie poprawia planowanie, projektowanie, budowę, eksploatację i utrzymanie budynków.

Cyfrowy bliźniak data center jest podobny do połączenia BIM i BMS: ma wszystkie funkcje obu technologii, co czyni go szczególnie kompletnym i bogatym w informacje.

Nadzór i rola cyfrowego bliźniaka w data center

Z cyfrowym bliźniakiem albo bez niego?

Nadzór nad centrami danych jest możliwy bez cyfrowego bliźniaka, dzięki klasycznym systemom zarządzania i monitoringu: dane o temperaturze, wilgotności, zużyciu energii i parametrach z czujników są zbierane i analizowane, aby nadzorować stan obiektu.

Taki nadzór jest jednak mniej skuteczny niż z cyfrowym bliźniakiem. Ten jest wirtualnym odwzorowaniem w czasie rzeczywistym wszystkich danych fizycznych i eksploatacyjnych data center, co pozwala na pełny i szczegółowy nadzór. Jego zalety:

Cyfrowy bliźniak to technologia przełomowa dla centrów danych: optymalizuje ich sprawność, zarządzanie zasobami, bezpieczeństwo i podejmowanie decyzji.

Wyprzedzanie prac serwisowych

Zbieranie i analiza danych z urządzeń pozwalają nadzorować warunki środowiskowe (wilgotność, temperatura, zużycie energii) i stale znać stan urządzeń, a więc wykrywać zwiastuny awarii. Serwis staje się możliwy, zanim pojawi się poważny problem. Bliźniak określa też przyszłe potrzeby energetyczne układów (ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja, oświetlenie, bezpieczeństwo), co daje sposób zarządzania pojemnością data center (rozbudowa albo konsolidacja).

Optymalizacja energii

Zużycie energii data center wynika ze zużycia wszystkich jego urządzeń. Cyfrowy bliźniak analizuje je i wskazuje strefy najmniej sprawne, co pomaga wdrożyć strategie optymalizacji energetycznej aby obniżyć koszty i ślad środowiskowy.

Narzędzie prognozowania i planowania

Dzięki zdolności przewidywania cyfrowy bliźniak wykonuje próby, aby przewidzieć skutki zmian jeszcze przed wprowadzeniem nowych konfiguracji sprzętowych albo programowych (nowe maszyny, przebudowa okablowania, korekta klimatyzacji). Jego prognozy dotyczące ryzyka błędów i nieprawidłowości pozwalają zatwierdzić albo odrzucić zmiany przed ich fizycznym wykonaniem.

Analizy CFD wewnętrzne i zewnętrzne centrów danych

Symulacja awarii: przygotowanie na nieprzewidziane

Cyfrowy bliźniak wykonuje analizy termiczne i przepływowe data center. Podobnie jak symulacja CFD, szuka punktów przegrzewania i proponuje zoptymalizowany dobór układów klimatycznych oraz optymalizacje energetyczne: może wyznaczyć idealną temperaturę nawiewu przez symulację różnych scenariuszy obciążenia i chłodzenia; obniżenie tej temperatury zmniejsza potrzebną energię i koszty.

Jedną z kluczowych ról cyfrowego bliźniaka jest jego analiza krytyczna: symulacja wielu scenariuszy awarii (zatrzymanie jednego albo kilku układów) i obserwacja skutków. Przy awarii temperatura rośnie bardzo szybko, dlatego ważne jest, aby z wyprzedzeniem przewidzieć odpowiednie układy do jej obniżenia.

Analizy zarzewia pożaru i bezpieczeństwo pożarowe

Cyfrowe bliźniaki pozwalają również analizować czas wykrycia pożaru, szybkość rozprzestrzeniania dymu, temperaturę, widzialność i inne istotne parametry. Wykorzystując szczegółowe modele oparte na prawach fizyki oraz dane o materiałach, urządzeniach i instalacjach bezpieczeństwa pożarowego, inżynierowie uzyskują dokładne prognozy przebiegu pożaru i oceniają skuteczność środków bezpieczeństwa.

Znaczenie zewnętrznych analiz CFD

Zewnętrzne analizy termiczne i przepływowe prowadzone metodą CFD polegają na analizie ruchu powietrza i wiatrów na zewnątrz data center. Warunki zewnętrzne wpływają na wydajność urządzeń; EOLIOS wykonuje te analizy, aby zapewnić optymalną pracę także w najbardziej ekstremalnych okolicznościach.

Wykonujemy wiele scenariuszy w różnych trybach pracy i warunkach pogodowych. Te analizy zewnętrzne pozwalają dopełnić ocenę ryzyka, zoptymalizować projekt i obniżyć zużycie energii obiektu.

Możliwe wyzwania, oprogramowanie 6SigmaRoom i podsumowanie

Wyzwania, których nie należy pomijać

Choć cyfrowe bliźniaki dają wiele korzyści, ich stosowanie wiąże się też z możliwymi wyzwaniami:

Oprogramowanie 6SigmaRoom

EOLIOS wykorzystuje symulację CFD, aby obliczyć i pokazać w 3D przepływy powietrza w danej przestrzeni, i podaje wskaźniki wydajności, aby zoptymalizować skuteczność chłodzenia serwerowni. Unikając punktów przegrzewania i dostarczając odpowiednią ilość powietrza do chłodzenia elektroniki, oprogramowanie zapewnia prawidłową pracę. Kompletny model wykonany w 6SigmaRoom obejmuje także okablowanie sieciowe i tor rozdziału energii elektrycznej.

6SigmaRoom jest najczęściej używanym narzędziem CFD dla centrów danych każdej wielkości, kompletnym oprogramowaniem do cyfrowego bliźniaka. Ten solver CFD tworzy cyfrowe odwzorowanie 3D obiektu fizycznego, obsługuje projektowanie i eksploatację i pozwala zasymulować wpływ jednej albo wielu zmian na pojemność fizyczną i skuteczność chłodzenia, a więc symulować awarie. Jego cel: projektowanie infrastruktury niezawodnej, odpornej i zdolnej pracować na maksymalnej pojemności przy jednoczesnej poprawie efektywności energetycznej.

Podsumowanie

Cyfrowe bliźniaki dają ogromny potencjał, aby poprawić wydajność i zarządzanie centrami danych. Wykorzystując dane z czujników i z rzeczywistego układu, pomagają zapobiegać awariom oraz poprawiać efektywność energetyczną. Centra danych, które wdrażają tę technologię, zyskują dokładniejszy nadzór, niższe koszty eksploatacji oraz większą trwałość w długim okresie.