Xây dựng Tính sẵn sàng cao cho Mạng lưới Cơ sở hạ tầng Thiết yếu cho trung tâm dữ liệu.
Tổng quan
Trung tâm dữ liệu hiện đại đang trải qua một cuộc chuyển đổi căn bản. Dưới tác động của trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (machine learning) và các khối lượng công việc tính toán hiệu năng cao, các cơ sở mới đang phát triển mạnh mẽ cả về quy mô lẫn độ phức tạp. Các khu trung tâm dữ liệu siêu quy mô (hyperscale) hiện tiêu thụ lượng điện năng tương đương với các nhà máy sản xuất công nghiệp; đồng thời, các hệ thống làm mát bằng chất lỏng tiên tiến, trạm xử lý nước, hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin và mạng lưới phân phối điện quy mô lớn đang trở thành những thành phần tiêu chuẩn trong môi trường trung tâm dữ liệu. Hệ quả là, các công nghệ vận hành (OT) chịu trách nhiệm quản lý những hệ thống vật lý này đã trở nên quan trọng đối với thời gian hoạt động liên tục (uptime) không kém gì các máy chủ mà chúng hỗ trợ.
Trước đây, các nỗ lực đảm bảo khả năng phục hồi của trung tâm dữ liệu chủ yếu tập trung vào việc dự phòng thiết bị. Các nhà thiết kế thường quy định việc sử dụng nhiều nguồn điện lưới, máy phát điện dự phòng, bộ lưu điện (UPS), máy làm lạnh (chiller), tháp giải nhiệt, máy bơm và các kết nối mạng dự phòng. Mặc dù các chiến lược này vẫn rất thiết yếu, chúng chỉ giải quyết được một phần thách thức về tính sẵn sàng. Cơ sở hạ tầng điều phối và kiểm soát các tài sản này ngày càng phụ thuộc vào các hệ thống tự động hóa có kết nối mạng. Nếu hệ thống truyền thông hoặc bộ điều khiển gặp sự cố, thì việc chỉ có sẵn các thiết bị cơ khí hoặc điện dự phòng có thể không đảm bảo được sự vận hành liên tục.
Thực tế này đang thúc đẩy sự quan tâm ngày càng lớn đối với các công nghệ mạng công nghiệp có tính sẵn sàng cao. PROFINET cung cấp một kiến trúc được thiết kế để loại bỏ các điểm lỗi đơn lẻ (single points of failure) trong hệ thống tự động hóa thông qua việc duy trì các đường truyền thông dự phòng, mối quan hệ dự phòng giữa các bộ điều khiển và các hệ thống điều khiển đồng bộ. Các tính năng như Dự phòng Đường truyền (Media Redundancy) và Dự phòng S2 (S2 Redundancy) là những thành phần then chốt trong chiến lược Dự phòng Hệ thống toàn diện này, cho phép duy trì hoạt động liên tục ngay cả khi cơ sở hạ tầng mạng hoặc bộ điều khiển tự động hóa không thể hoạt động.
Khi các cơ sở siêu quy mô và tập trung vào AI tiếp tục phát triển thành các môi trường cơ sở hạ tầng quy mô lớn, tính năng Dự phòng Hệ thống của PROFINET mang lại một khuôn mẫu đã được kiểm chứng để đạt được các mục tiêu về tính sẵn sàng mà các nhà vận hành trung tâm dữ liệu hiện đại yêu cầu.
Từ CNTT đến Cơ sở Hạ tầng Công nghiệp
Trong nhiều thập kỷ, trung tâm dữ liệu chủ yếu được nhìn nhận dưới góc độ công nghệ thông tin (CNTT). Các máy chủ bên trong tòa nhà được coi là nguồn tạo ra giá trị chính, trong khi hệ thống phân phối điện, thiết bị làm mát và hệ thống điều khiển cơ sở được xem là cơ sở hạ tầng hỗ trợ. Ngày nay, ranh giới phân biệt đó đang dần trở nên mờ nhạt.
Các cụm máy chủ AI hiện đại có thể đòi hỏi mật độ năng lượng cao gấp nhiều lần so với các môi trường tính toán truyền thống. Để đáp ứng nhu cầu này, các đơn vị vận hành đang triển khai những kiến trúc làm mát ngày càng tinh vi, bao gồm công nghệ làm mát trực tiếp lên chip (direct-to-chip), các bộ phân phối làm mát (CDU), hệ thống bơm quy mô lớn, thiết bị trao đổi nhiệt, quy trình xử lý nước tiên tiến và các nền tảng quản lý năng lượng có độ tự động hóa cao. Song song đó, hệ thống điện cũng được mở rộng với các thành phần như hệ thống phân phối điện trung thế, lưới điện siêu nhỏ (microgrid), hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin, trạm máy phát điện và hệ thống giám sát chất lượng điện năng tiên tiến. Khi quy mô các cơ sở này tiếp tục gia tăng, chúng ngày càng mang dáng dấp của các nhà máy công nghiệp hơn là những tòa nhà văn phòng thông thường. Bản thân lớp cơ sở hạ tầng đã trở thành một môi trường trọng yếu, đòi hỏi khả năng giám sát, phối hợp và điều khiển liên tục.
Trong môi trường này, các hệ thống tự động hóa đóng vai trò như hệ thần kinh vận hành của cơ sở. Hàng ngàn cảm biến, bộ biến tần, bộ điều khiển, rơ-le, đồng hồ đo và thiết bị hiện trường liên tục trao đổi thông tin để điều tiết công suất làm mát, quản lý lưu lượng nước, phối hợp vận hành máy phát điện dự phòng, cân bằng tải điện và cung cấp dữ liệu cho các hệ thống giám sát cấp cao hơn như Hệ thống Quản lý Tòa nhà (BMS), Hệ thống Giám sát Điện năng (EPMS) và các nền tảng Quản lý Cơ sở Hạ tầng Trung tâm Dữ liệu (DCIM). Do đó, tính sẵn sàng của các mạng lưới tự động hóa này đang trở thành yếu tố gắn liền không thể tách rời với tính sẵn sàng của chính trung tâm dữ liệu.
Nhờ sự kết hợp giữa các tính năng MRP và S2 Redundancy, cơ chế Dự phòng Hệ thống (System Redundancy) giúp đảm bảo rằng các sự cố về bộ điều khiển hoặc mạng lưới không làm gián đoạn hoạt động trong những thời điểm quan trọng.
Các hệ thống quản lý nước cũng được hưởng lợi từ kiến trúc có độ sẵn sàng cao. Các cơ sở xử lý nước, hệ thống lọc, quy trình xử lý hóa chất, trạm bơm và hệ thống lưu trữ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng cả mục tiêu vận hành lẫn mục tiêu bền vững tại các khu trung tâm dữ liệu quy mô lớn (hyperscale). Cơ chế Dự phòng Hệ thống giúp đảm bảo cơ sở hạ tầng cấp nước thiết yếu vẫn duy trì hoạt động ngay cả khi xảy ra sự cố ở các thành phần riêng lẻ trong hệ thống.
Tính sẵn sàng cao được đáp ứng như một yêu cầu của hệ thống
Các chiến lược dự phòng truyền thống cho rằng lỗi thiết bị là mối đe dọa chính đối với thời gian hoạt động. Do đó, các nhà khai thác thường triển khai mức dự phòng N+1, 2N hoặc thậm chí cao hơn trên toàn bộ cơ sở của họ. Mặc dù các phương pháp này giải quyết thành công các lỗi của từng tài sản nhưng chúng không nhất thiết phải loại bỏ các lỗ hổng trong cơ sở hạ tầng kiểm soát chịu trách nhiệm điều phối các tài sản đó.
Hãy xem xét một hệ thống làm mát bao gồm nhiều thiết bị làm lạnh và hệ thống bơm dự phòng. Mặc dù dự phòng cơ học có thể được triển khai đầy đủ nhưng lỗi giao tiếp khiến bộ điều khiển không thể phối hợp các tài sản đó có thể tạo ra những thách thức trong hoạt động. Tương tự, một nhà máy phát điện dự phòng có thể có đủ công suất để hỗ trợ khi mất điện, nhưng lỗi bộ điều khiển trong quá trình chuyển giao vẫn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.
Do đó, tính khả dụng phải được xem như một đặc điểm của toàn hệ thống chứ không phải là đặc tính của từng thiết bị. Mạng truyền thông, bộ điều khiển và thiết bị hiện trường đều phải góp phần tạo nên một kiến trúc vận hành linh hoạt. Chính trong bối cảnh này, Dự phòng hệ thống PROFINET trở nên đặc biệt phù hợp.
Hiểu về dự phòng hệ thống PROFINET
Dự phòng hệ thống PROFINET được thiết kế để duy trì hoạt động liên tục bất chấp lỗi trong môi trường tự động hóa. Thay vì tập trung vào một thành phần duy nhất, nó cung cấp một khuôn khổ toàn diện có tính sẵn sàng cao để giải quyết nhiều chế độ lỗi tiềm ẩn. Trong khuôn khổ này, Dự phòng đa phương tiện và Dự phòng S2 đóng vai trò là các khả năng nền tảng phối hợp với nhau để hỗ trợ tính khả dụng chung của hệ thống.
Dự phòng phương tiện giải quyết các lỗi trong chính cơ sở hạ tầng truyền thông. Dự phòng S2 giải quyết các lỗi ở cấp bộ điều khiển bằng cách cho phép các thiết bị hiện trường giao tiếp với nhiều bộ điều khiển. Các thiết bị sẽ đồng hành cùng nhau, những khả năng này hỗ trợ mục tiêu rộng hơn của Dự phòng hệ thống: duy trì khả năng kiểm soát không bị gián đoạn đối với các quy trình quan trọng bất chấp lỗi trong mạng, hay thiết bị hoặc bộ điều khiển. Dự phòng phương tiện và Dự phòng S2 nên được xem như các yếu tố bổ sung của kiến trúc tổng thể có tính sẵn sàng cao.
Phương tiện dự phòng và tính khả dụng của mạng
Dự phòng phương tiện cung cấp khả năng bảo vệ chống lại các lỗi trong mạng truyền thông vật lý thông qua Giao thức dự phòng phương tiện (MRP). Trong kiến trúc thông thường, cáp bị hỏng, bộ chuyển đổi mạng bị lỗi hoặc ngắt kết nối ngẫu nhiên có thể làm gián đoạn liên lạc giữa bộ điều khiển và thiết bị hiện trường. Những lỗi như vậy có thể dẫn đến mất khả năng hiển thị, giảm hiệu suất tự động hóa hoặc gián đoạn quá trình.
Trong kiến trúc PROFINET có tính sẵn sàng cao, các đường dẫn liên lạc dự phòng cho phép dữ liệu tiếp tục truyền ngay cả khi các phần của mạng không khả dụng. Giao tiếp có thể tự động chuyển sang một đường dẫn thay thế mà không cần can thiệp thủ công. Đối với các trung tâm dữ liệu, khả năng này đặc biệt có giá trị vì tài sản cơ sở hạ tầng thường được phân bổ khắp các cơ sở lớn.
Dự phòng S2 và tính khả dụng của bộ điều khiển
Trong khi MRP giải quyết các lỗi trong cơ sở hạ tầng mạng thì Dự phòng S2 giải quyết các lỗi ở cấp bộ điều khiển tự động hóa. Trong kiến trúc S2, thiết bị trường PROFINET thiết lập mối quan hệ giao tiếp với cả bộ điều khiển chính và bộ điều khiển dự phòng. Mặc dù chỉ có một bộ điều khiển chủ động chỉ đạo quá trình nhưng thiết bị hiện trường vẫn được cả hai hệ thống biết đến. Bằng cách đảm bảo rằng các bộ điều khiển dự phòng vẫn có thể truy cập được các thiết bị, Dự phòng S2 mở rộng tính khả dụng ra ngoài lớp mạng và vào chính lớp điều khiển.
Dự phòng hệ thống trên cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu
Thông qua một điểm truy cập mạng (NAP), S2 Redundancy có thể tạo kết nối tới hai bộ điều khiển riêng biệt.
Giá trị thực sự của Dự phòng hệ thống xuất hiện khi những khả năng này được áp dụng cho các ứng dụng cơ sở hạ tầng quan trọng.
Trong các nhà máy, trung tâm làm mát bộ điều khiển điều phối hoạt động của thiết bị làm lạnh, tháp giải nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, máy bơm và các thiết bị liên quan. MRP bảo vệ thông tin liên lạc giữa các thiết bị phân tán, trong khi Dự phòng S2 đảm bảo rằng các thiết bị hiện trường vẫn có sẵn cho các bộ điều khiển dự phòng. Cùng với nhau, những khả năng này hỗ trợ hoạt động làm mát không bị gián đoạn ngay cả khi có lỗi giao tiếp hoặc bộ điều khiển.
Các nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Các trung tâm dữ liệu AI ngày càng phụ thuộc vào các đơn vị phân phối làm mát, vòng làm mát thứ cấp, hệ thống giám sát nhiệt độ và kiến trúc bơm thông minh. Dự phòng hệ thống cung cấp nền tảng có khả năng chịu lỗi có khả năng hỗ trợ các kiến trúc làm mát thế hệ tiếp theo này.
Hệ thống điện năng đại diện cho một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác. Các nhà máy phát điện, thiết bị chuyển mạch trung thế, bộ điều khiển đồng bộ hóa, hệ thống bảo vệ và thiết bị lưu trữ năng lượng ắc quy đều phụ thuộc vào thông tin liên lạc đáng tin cậy và tự động hóa phối hợp. Thông qua khả năng kết hợp của MRP và Dự phòng S2, Dự phòng hệ thống giúp đảm bảo rằng các lỗi của bộ điều khiển hoặc mạng không ảnh hưởng đến tính liên tục trong hoạt động trong các sự kiện quan trọng.
Hệ thống quản lý nước cũng được hưởng lợi từ kiến trúc có tính sẵn sàng cao. Các cơ sở xử lý nước, hệ thống lọc, quy trình xử lý hóa học, trạm bơm và hệ thống lưu trữ ngày càng hỗ trợ cả mục tiêu vận hành và tính bền vững trong các cơ sở siêu quy mô. Dự phòng hệ thống giúp đảm bảo rằng cơ sở hạ tầng nước quan trọng vẫn hoạt động ngay cả khi xảy ra lỗi trong các thành phần hệ thống riêng lẻ.
Kích hoạt kiến trúc BMS, EPMS và DCIM
Hoạt động của trung tâm dữ liệu ngày càng dựa vào nền tảng quản lý cấp doanh nghiệp tổng hợp dữ liệu từ hàng ngàn thiết bị trên toàn cơ sở. Trong kiến trúc này, PROFINET đóng vai trò là nền tảng vận hành kết nối các cảm biến, dụng cụ, truyền động, bộ điều khiển và thiết bị hiện trường. Dự phòng phương tiện giúp đảm bảo tính sẵn có của dữ liệu liên tục từ các tài sản được phân phối. Dự phòng S2 cải thiện khả năng phục hồi của bộ điều khiển. Cùng với nhau, những khả năng này hỗ trợ Dự phòng hệ thống, từ đó nâng cao độ tin cậy của thông tin truyền đến các nền tảng giám sát.
Kết luận
Thế hệ trung tâm dữ liệu tiếp theo được xác định không chỉ bởi hiệu suất tính toán mà còn bởi sự phức tạp của cơ sở hạ tầng hỗ trợ nó. Dự phòng hệ thống PROFINET giải quyết thách thức này thông qua kiến trúc có tính sẵn sàng cao theo lớp. Dự phòng phương tiện bảo vệ đường dẫn liên lạc. Dự phòng S2 bảo vệ các mối quan hệ của bộ điều khiển. Cùng nhau kết nối để đóng góp vào chiến lược Dự phòng hệ thống toàn diện nhằm duy trì hoạt động liên tục bất chấp sự cố nào trong hệ thống mạng hoặc môi trường tự động hóa.