пожаротушение

разрушительный звук

Макаров Илья Сергеевичведущий инженер ООО «Сименс»

Впервые на страницах прессы обсуждаются сбои в работе жестких дисков (HDD), вызванные работой системы газового пожаротушения: анализ проблемы и ме-тоды ее устранения.

Сентябрь 2016 года: центр обра-ботки данных ING Bank в Бухаре-сте (Румыния) вышел из строя на

10 часов в результате испытания газовой системы пожаротушения. В течение это-го времени клиенты банка не могли по-лучить доступ к онлайн-услугам банка, а значит, к собственным счетам. Апрель 2018 года: в шведском центре обработ-ки данных Digiplex, который обслужи-вает биржевые операции, в результате инцидента пришлось прервать торги на бирже Nasdaq Nordic в Северной Европе.

Оказалось, что причиной в обоих слу-чаях стало повреждение жестких дисков из-за громкого звука (около 130 дБ), соз-даваемого системой газового пожаро-тушения при выходе газа из насадков. Одним из первых, кто заметил влияние звука на работу жестких дисков, был ин-женер компании Sun FishWorks Грэг Брэн-дан. В 2008 году он записал и выложил в сеть видео, в котором показал, как обык-новенный крик в непосредственной бли-зости от жестких дисков приводит к пе-ребоям в их работе.

Данной проблемой заинтересовался ряд компаний, в числе которых была ком-пания Siemens. В 2009 году она начала исследования влияния систем пожаро-тушения на работу жестких дисков. Рас-сматривалось 5 причин нарушения ра-боты жестких дисков:1. Избыточное давление, возникающее

при выпуске газа в защищаемое по-мещение.

2. Понижение температуры при выпуске газа.

3. Влияние звука сирены для оповещения персонала об эвакуации.

4. Влияние звука на насадке при истече-нии через него газа под высоким дав-лением.

5. Вибрации, вызванные громким звуком, создаваемым пожарными оповеща-телями и газом при истечении из на-садка.Каждая из этих версий была лабо-

раторно исследована инженерами ком-пании Siemens.

влияние давленияИзвестно, что для исключения воз-

можности разрушения строительных конструкций, ограждающих защищае-мое установкой газового пожаротушения помещения, используют клапаны сброса избыточного давления, которые не позво-ляют избыточному давлению внутри по-мещения подняться выше 100…300 Па.

Был создан стенд для исследования влияния избыточного давления на жест-кие диски.

Тестировалось 4 различных серийно выпускаемых жестких дисков с объемом памяти 1 ТБ, форм-фактора 3,5”, широко применяемых в центрах обработки дан-ных в 2009 году.

Рис. 1. Схема стенда для оценки чувствительности жестких дисков к давлению

17

Ал

го

ри

тм

бе

зо

пА

сн

ос

ти

№ 1

, 2

019пожаротушение

Работа жестких дисков контролиро-валась по таким параметрам, как: быстро-действие передачи данных, время доступа к данным, скорость чтения при линейном и случайном доступе к данным, S.M.A.R.T. параметры (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.) — тех-нология оценки состояния жесткого дис-ка встроенной аппаратурой самодиагно-стики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).

Во время теста повышение давления производилось при помощи клапанов и дросселей. Давление измерялось двумя датчиками давления, один из которых по-казывал абсолютное значение давления, другой — динамическое (для определе-ния перепада давления).

В ходе испытаний жесткие диски не продемонстрировали сколь значимой чув-ствительности при относительном дав-лении 100…300 Па, которое является типичным при выпуске газа в защищае-мое помещение, оборудованное клапана-ми сброса избыточного давления. Даже при давлении 17 кПа и его приращении до 3 кПа/с, которого никогда не бывает на

практике, негативного влияния на жест-кие диски замечено не было.

влияние температурыРасширение инертного газа при его

выпуске из баллонов в защищаемое поме-щение приводит к падению температуры на несколько градусов Цельсия. За счет термальной массы конструкционных эле-ментов помещения и оборудования, уста-новленного в нем, это падение температу-ры сходит на нет в пределах нескольких минут. Процесс падения температуры и ее восстановления не имеет сколь значи-мого градиента, способного каким-либо образом повлиять на чувствительную ме-ханическую и электронную часть диска. Кроме того, падение температуры и осу-шенный газ, поступающий в помещение, не вызывают конденсации, кроме как на поверхности сети распределительных трубопроводов.

Таким образом, ни в ходе обсуждений в отрасли, ни в ходе испытаний, прове-денных компанией Siemens, не обнаруже-но никаких данных о том, что понижение температуры (образование конденсата)

при активации систем газового пожаро-тушения может оказывать влияние на ра-боту жестких дисков.

влияние звукаВ помещениях серверной есть 2

источника громкого звука:n Звук, создаваемый пожарными опове-

щателями при эвакуации персонала. Уровень звукового давления при этом находится в пределах 90…120 дБ.

n Звук, создаваемый газом, при его ис-течении через насадок. Уровень зву-кового давления при этом может пре-вышать 120 дБ.Был создан стенд для исследования

влияния громкого звука на жесткие ди-ски. Тестировались такие же диски и в тех же режимах работы, что и при испы-таниях на выявление влияния избыточно-го давления. Измерялись те же параметры производительности, что и в вышеуказан-ном тесте.

Звуковой генератор с громкоговори-телем был размещен на расстоянии 1 м от жестких дисков. Жесткие диски подвер-гались воздействию звука в диапазоне частот от 353 Гц до 10 кГц с уровнем зву-кового давления от 80 до 130 дБ. Уровни шума измерялись с помощью шумомера, расположенного на небольшом расстоя-нии от жестких дисков. Преимуществом использования звукового генератора вме-сто реальной системы тушения инертным газом являлась управляемость условия-ми испытания.

Хотя шум при выпуске газа из насад-ка, создаваемый системой тушения инерт-ным газом, имеет характеристики белого шума, для испытаний был выбран розовый шум во избежание повреждения громко-говорителя от высокочастотного спектра белого шума. Но, поскольку жесткие ди-ски подвергались непосредственному воздействию источника шума без уста-новки в стойку или в компьютер, то мож-но считать, что испытания проводились в наихудших возможных условиях воз-действия шума (пусть и более щадящего).

Диаграммы, приведенные на рисун-ке 3, отражают тот уровень звукового давления, при котором производитель-ность каждого из четырех тестируемых жестких дисков снижается на 50% (жел-тая линия). Результаты тестирования по-казывают, что чрезмерный шум может не-гативно повлиять на производительность жесткого диска (красная линия). Установ-лено, что для жестких дисков этот уро-вень обычно начинается с 120 дБ, но для некоторых жестких дисков при опреде-ленных частотах негативное воздействие может начинаться с уровней ниже 110 дБ.

Таким образом, инженеры компании Siemens экспериментально доказали, что все жесткие диски чувствительны к уров-ню звукового давления более 120 дБ в ди-апазоне частот от 500 Гц до 8 кГц, а нега-

Рис. 2. Схема стенда для оценки чувствительности жестких дисков к звуку

Рис. 3. Диаграммы, показывающие производительность жестких дисков при воздей-ствии звука на них

18

Ал

го

ри

тм

бе

зо

пА

сн

ос

ти

№ 1

, 2

019

ся пластины жесткого диска и поцарапать ее, что приведет к потере данных. Части-цы, образованные при соприкосновении головки чтения/записи с пластиной, хао-тично двигаясь внутри жесткого диска и сталкиваясь с другими пластинами, могут быстро вывести его из строя.

иССледование влияния звука на жеСткие диСки, производимые компанией IBM

Помимо компании Siemens вопрос о влиянии шума на работу жестких дисков изучало множество компаний, в числе ко-торых и IBM. Их испытательный стенд для исследования влияния шума на произво-дительность жесткого диска изображен на рисунке 6.

Акустическое оборудование воспро-изводит звук работающей системы газо-вого пожаротушения. Микрофон изме-ряет уровни шума, идущие к жесткому диску. В это время контролируется про-изводительность винчестера.

Результаты тестов сведены в график, приведенный на рисунке 7.

Видно, что после 60-й секунды, ког-да был воспроизведен звук работаю-щей системы газового пожаротушения, производительность всех тестируемых жестких дисков резко ухудшилась. По-степенно, с выходом газа система стаби-лизировалась. После 200-й секунды ра-бота жестких дисков стабилизировалась, кроме двух, что говорит о том, что эти ди-ски были повреждены.

Стоит отметить, что при исследовани-ях воздействия звука на производитель-

Для выполнения своих функций голов-ка чтения/записи должна располагать-ся в пределах ±15% от расстояния меж-ду дорожками данных. Это означает, что максимальное смещение головки от цен-тра дорожки может составлять не более одной миллионной дюйма. При большем смещении головки жесткий диск переста-ет записывать и считывать информацию.

Звук работающей системы газового пожаротушения вызывает вибрации кор-пуса жесткого диска, которые в конечном итоге передаются на шпиндель диска и го-ловку чтения/записи, что приводит к рас-согласованию ее положения при чтении и записи на дорожках данных.

Кроме того, вибрация может вызвать поперечные колебания головки чтения/записи, которая при этом может коснуть-

тивное воздействие звука на некоторые модели начинается при уровне звуково-го давления менее 110 дБ.

Случайные тесты, проведенные в пер-вом квартале 2014 года с жесткими дис-ками объемом от 2 ТБ до 4 ТБ, подтверди-ли параметры чувствительности к звуку, определенные в 2009 году.

влияние вибрацийВибрация тесно связана с проблемой

шума. Гипотеза состоит в том, что имен-но звук вызывает вибрации, которые, в конечном счете, влияют на производи-тельность жестких дисков. Конечно, су-ществуют и структурные вибрации, но на данный момент они в полной мере не ис-следованны и в рамках настоящей статьи не рассматриваются.

Результатом проведенных компани-ей Siemens исследований стали следу-ющие данные:n Жесткие диски не чувствительны к

звуку при частотах ниже 500 Гц.n Некоторые жесткие диски проявляют

чувствительность к звуку в диапазо-не частот от 500 Гц до 1,6 кГц.

n Частотный диапазон 1,6 кГц…8 кГц является наиболее критичным диа-пазоном во всем спектре.

n Некоторые жесткие диски проявляют чувствительность к звуку в диапазо-не частот от 8 кГц до 12,5 кГц.

n Жесткие диски не чувствительны к звуку при частотах выше 12,5 кГц.

ФизичеСкое обоСнование полученных результатов

Пару десятилетий назад жесткие ди-ски имели гораздо большее расстояние между дорожками данных и потому не могли хранить большой объем информа-ции. Это объясняет причину того, что воз-действие шума на работу жесткого диска не было так очевидно ранее.

Количество дорожек данных на пла-стинах жестких дисков, выпускаемых в 2009 году, достигало 250 000 на 1 дюйм.

Рис. 4. Эмпирически определенный частотный профиль чувствительности жестких дисков к звуку. (Выявленная зависимость — это обобщение по работе всех исследу-емых HDD. Чувствительность к звуку каждого жесткого диска индивидуальна в опре-деленном частотном диапазоне и может изменяться в процессе усовершенствования производителем конструкции HDD.)

Рис. 5. Пластина жесткого диска с головкой чтения/записи

19

Ал

го

ри

тм

бе

зо

пА

сн

ос

ти

№ 1

, 2

019пожаротушение

ность жестких дисков, проводимых ком-панией Siemens, ни один жесткий диск не был поврежден и не было обнаруже-но потери данных с дисков. Возможно, причина этого кроется в том, что компа-ния Siemens в ходе испытания звуковым генератором создавала звук, имеющий характеристики розового шума (умень-шение спектральной плотности при уве-личении частоты), а IBM воспроизводил звук, записанный при активации системы газового пожаротушения. Этот звук име-ет характеристики белого шума (сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах).

анализ поСледСтвий влияния звука на жеСткие диСки и СпоСобы их минимизации

Активация системы газового пожа-ротушения — исключительное событие, вероятность наступления которого мала. Последствия такого события выходят за рамки технических спецификаций жест-ких дисков и систем хранения данных. Но на практике активация системы газового

пожаротушения в центре обработки дан-ных может привести к одному из следу-ющих событий:

1) Сбои в работе как отдельных эле-ментов, так и всей системы хранения дан-ных:n временное снижение производитель-

ности;n временное отключение;n завершение работы (требуется пере-

загрузка);n некорректность данных.

2) Повреждение как отдельных эле-ментов, так и всей системы хранения дан-ных:n физическое повреждение отдельного

компонента, которое может быть ком-пенсировано механизмами резерви-рования;

n физическое повреждение множества компонентов, которое приведет к пол-ной потере системы и данных.Какие же есть варианты минимиза-

ции последствий активации системы га-зового пожаротушения в центрах обра-ботки данных?

К числу превентивных мер стоит отне-сти отключение систем хранения данных перед выпуском газа (за время, предусмо-тренное для эвакуации людей из помеще-ния). Данная мера безусловно эффектив-на, но имеет ряд недостатков, а именно:

n не защитит жесткие диски в случае несанкционированного выпуска газа;

n временное отсутствие доступа к дан-ным.Еще одним вариантом защиты являет-

ся установка шумозащитных перегородок или акустических чехлов на стойки. Опе-раторы некоторых зарубежных центров обработки данных, постепенно начиная осознавать всю серьезность проблемы, начали оснащать стойки данными шумо-защитными средствами. Но и эта мера не лишена недостатков:n уменьшение полезной площади зала

для установки оборудования;n усложнение конструкции стойки.

Компания Siemens в 2015 году пред-ставила свое решение для уменьшения влияния звука на жесткие диски. Инже-неры компании предложили бороться не с последствиями, а с источником опасно-сти, т.е. снижать шум, издаваемый газовы-ми насадками системы пожаротушения. Публике был представлен насадок, кото-рый значительно снижает уровень зву-ка, создаваемый газом при его истече-нии через отверстия, и переводит его в тот частотный диапазон, в котором вос-приимчивость жестких дисков к звуку ми-нимальна.

В настоящее время системы газового пожаротушения являются наиболее опти-мальным решением для защиты сервер-ных и центров обработки данных от пожа-ров. Однако при проектировании систем пожаротушения необходимо помнить о том, как защитить и при этом не навре-дить! При проектировании систем газо-вого пожаротушения в центрах обработки данных, которые обслуживают банков-ские или биржевые операции, этот вопрос должен выходить на одно из первых мест, т.к. упущение таких незначительных, на первый взгляд, деталей или попытка сэ-кономить на мелочах могут привести к весьма ощутимым материальным затра-там во время жизненного цикла ЦОДа, выраженных в компенсации упущенной выгоды компаниям, арендующим сервер-ные мощности, из-за отсутствия досту-па к данным, как произошло с компани-ей Digiplex.

Рис. 6. Испытательный стенд для оцен-ки чувствительности жестких дисков к звуку компании IBM

Рис. 7. Производительность жестких дисков при активации системы газового пожа-ротушения

Рис. 8. Газовый насадок Silent Nozzle TM компании Siemens