廣電數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)研究

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摘要：當(dāng)前，數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)增長(zhǎng)，設(shè)備功率密度與日俱增，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器單機(jī)柜功率密度不斷提高，傳統(tǒng)“風(fēng)冷”面臨散熱瓶頸問題，而用液體代替空氣進(jìn)行換熱的“液冷”是很好的思路。本文對(duì)液冷技術(shù)做了剖析，展示了部分研究數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，與風(fēng)冷技術(shù)相比，液冷散熱效率更高，PUE更低，可解決服務(wù)器高熱密度、高功耗的問題，滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)節(jié)能環(huán)保的需求，也可降低數(shù)據(jù)中心的故障率。

關(guān)鍵詞：浸沒液冷PUE高熱密度

1引言

在當(dāng)下的日常工作和生活中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了全方位的支撐，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)支付、導(dǎo)航、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計(jì)算等，這對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施的性能提出了很高的要求，同時(shí)也大幅增加了能耗。高能耗增加了數(shù)據(jù)中心的成本，也過多地消耗了寶貴的電力資源。在此情況下，液冷技術(shù)不失為一種節(jié)能降耗的好方法。液體進(jìn)入機(jī)房，顛覆了傳統(tǒng)的認(rèn)知。液冷是一項(xiàng)革命性的冷卻技術(shù)，從“風(fēng)冷”到“液冷”的變革，既突破了傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的限制，也大幅提升了冷卻系統(tǒng)的效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算體系架構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的精確匹配。當(dāng)前，數(shù)據(jù)處理速度越來越快，存儲(chǔ)能力越來越強(qiáng)，計(jì)算機(jī)芯片的密度越來越高，要處理的計(jì)算工作也越來越復(fù)雜，由此導(dǎo)致熱密度越來越大，機(jī)房的熱負(fù)荷不斷上升，只有液冷技術(shù)能很好地解決這些問題。此方案兼顧了高效計(jì)算和高效散熱，是數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

2液冷技術(shù)發(fā)展的原因

隨云計(jì)算、AI、超算等應(yīng)用發(fā)展，數(shù)據(jù)中心機(jī)柜平均功率密度數(shù)將逐年提升，熱密度會(huì)急劇增長(zhǎng)。中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布的《綠色數(shù)據(jù)中心白皮書》顯示，我國(guó)目前的數(shù)據(jù)中心平均功率密度為8kW~10kW，未來，隨著我國(guó)新建的數(shù)據(jù)中心向著大規(guī)模方向發(fā)展，單機(jī)柜功率密度將在15kW以上。因此，傳統(tǒng)的制冷方案已經(jīng)不能滿足大功率的機(jī)柜散熱需求，而液冷是很好的解決方法。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗占比較大，即使采用節(jié)能方案，運(yùn)營(yíng)電費(fèi)的占比依然較高?？紤]到降低運(yùn)營(yíng)總成本，采用浸沒式液冷系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。浸沒式液冷系統(tǒng)是以液體作為冷源，以絕緣冷卻液作為載冷劑，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行浸沒式冷卻的系統(tǒng)。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想是針對(duì)性地降低數(shù)據(jù)中心高熱服務(wù)器的溫度，熱交換效率高，可獲得理想的PUE（電能利用效率）值，并且能耗低，可節(jié)省費(fèi)用。各制冷方法對(duì)比分析如下：IT機(jī)柜功率密度小于15kW時(shí)，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)可解決散熱問題；IT機(jī)柜功率密度在15kW~30kW時(shí)，風(fēng)冷方案能效高，但成本也隨著功率密度的增加而提高；IT機(jī)柜功率密度大于30kW時(shí)，風(fēng)冷空調(diào)無法解決散熱問題，液冷是最合適的方案，可考慮取消服務(wù)器風(fēng)扇，能節(jié)約15%的功耗，減小配電系統(tǒng)容量。

3浸沒式液冷系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要包括液冷機(jī)架（Tank）、液冷分配單元（CDU）、冷卻液及連接管道等，如圖1所示。服務(wù)器放置于Tank內(nèi)，冷卻液浸沒熱交換，高溫冷卻液通過CDU內(nèi)的變頻泵傳輸作用，然后進(jìn)入CDU內(nèi)的換熱器進(jìn)行熱交換，降溫后的低溫冷卻液再回到Tank，如此循環(huán)往復(fù)。在冷卻側(cè)部分，CDU換熱器一端接冷卻塔或低溫冷卻水，低溫冷卻水經(jīng)過換熱器換熱后溫度升高，溫度升高后的冷卻水再回到冷卻塔或冷水主機(jī)進(jìn)行熱交換變成低溫冷卻水，低溫冷卻水經(jīng)過水泵送至CDU換熱器，同樣循環(huán)往復(fù)。浸沒式液體相變冷卻系統(tǒng)工作流程具體如下：將服務(wù)器主板、中央處理器、內(nèi)存等線路板和芯片元件浸沒在冷卻液中，服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，各電子部件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，引起冷卻液升溫，當(dāng)冷卻液的溫度升高到“系統(tǒng)壓力”所設(shè)計(jì)的沸點(diǎn)時(shí)，冷卻液產(chǎn)生相變，從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。在此過程中，液體汽化吸收周圍熱量，將熱量直接帶走，起到降低溫度的效果。這種制冷方式具有很高的傳熱效率，是最節(jié)能、最高效的方法。此系統(tǒng)具備如下優(yōu)點(diǎn)：無須添加空調(diào)機(jī)、加濕器的控制，無須架空地板，服務(wù)器無須風(fēng)扇，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較低，也減少了服務(wù)器機(jī)房的噪聲；兼容標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器所有硬件，冷卻液不揮發(fā)，使用安全，無污染；散熱效果很好；占地空間小，減小了設(shè)備體積；產(chǎn)品運(yùn)行能耗小，可節(jié)約成本。此系統(tǒng)的冷卻塔如圖2所示，與風(fēng)冷機(jī)組相比，其耗電量比風(fēng)冷機(jī)組少得多，使用壽命長(zhǎng)，投入成本低，維護(hù)方便。同時(shí)，由于系統(tǒng)是閉式循環(huán)，所以能夠保證水質(zhì)干凈，無污染，可以很好地保障主設(shè)備高效運(yùn)行，提升設(shè)備的使用壽命。此外，我們還可根據(jù)室外溫度靈活設(shè)置冷卻塔使用方式和工作模式，當(dāng)外界氣溫較低時(shí)，可以停掉噴淋水系統(tǒng)，從而節(jié)省水資源，而冬季時(shí)噴淋水需要進(jìn)行電伴熱防凍處理?？傮w而言，冷卻塔具有低PUE、節(jié)約成本、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。除上述優(yōu)點(diǎn)，浸沒式液冷系統(tǒng)同時(shí)還具有如下特點(diǎn)。一是高熱密度。機(jī)架熱密度增加，從原來單柜熱密度3kW、5kW急劇攀升到10kW甚至20kW、30kW，部分大于50kW，傳統(tǒng)的冷卻方案無法滿足散熱要求，而液冷將是最佳解決方案。浸沒式液冷適合單柜熱密度大于20kW的運(yùn)行環(huán)境。二是最佳PUE。能源成本是數(shù)據(jù)中心的最主要支出，因此，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商一直致力于降低能耗投入。浸沒式液冷能夠?qū)?shù)據(jù)中心的能耗降低20%~30%，可實(shí)現(xiàn)PUE小于1.04。三是節(jié)省空間。目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的空間管理是數(shù)據(jù)中心管理員最關(guān)心的問題之一，節(jié)省數(shù)據(jù)中心占地是IT基礎(chǔ)架構(gòu)管理的重要目標(biāo)。浸沒式液冷系統(tǒng)不僅減少了服務(wù)器占地空間，也減少了傳統(tǒng)冷卻方式的冷卻設(shè)備的占地空間，釋放的原有占地可投入服務(wù)器使用中，大大增加了原有機(jī)房面積可用率。四是環(huán)境優(yōu)化。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心的設(shè)備在較惡劣的環(huán)境中使用，對(duì)服務(wù)器和冷卻設(shè)備都具有較高的挑戰(zhàn)。浸沒式液冷系統(tǒng)可使設(shè)備免受惡劣環(huán)境的影響，并且該方案允許技術(shù)人員拆除服務(wù)器風(fēng)機(jī)，可大大降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行噪聲，減少噪聲污染。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心運(yùn)行噪聲可低至50dB。

4冷媒

工作過程中的冷媒是專用的浸沒冷卻液，具有高絕緣性、低黏稠度、很好的化學(xué)惰性和穩(wěn)定性，并且可以阻燃。因此，冷媒具有高可靠性，性能高且低噪聲，無泄漏風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)能高效。經(jīng)過長(zhǎng)期研究，我們對(duì)水、礦物油、氟化液等冷媒進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如下：水具有良好的比熱容，是一種優(yōu)秀的散熱媒介，且價(jià)格低廉、無污染，但水并非絕緣體，所以只能應(yīng)用于非直接接觸型液冷技術(shù)中；礦物油是一種價(jià)格相對(duì)低廉的絕緣冷卻液，單相礦物油無味、無毒、不易揮發(fā)，是一種環(huán)境友好型介質(zhì)，但礦物油黏性較高，容易殘留，部分品種在特定條件下有燃燒的風(fēng)險(xiǎn)；氟化液具有絕緣且不燃的惰性特點(diǎn)，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成任何影響，是目前應(yīng)用最廣泛的浸沒式冷卻液，但價(jià)格較為昂貴。我們對(duì)A、B、C三種氟化液進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)如表1所示，其中，C型號(hào)的氟化液密度小、導(dǎo)熱率高，是很好的冷媒。針對(duì)C型號(hào)氟化液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，具體情況如表2所示，用氟化液作為冷卻液，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能優(yōu)異。

5結(jié)語

綜上所述，為了將電子設(shè)備安全浸泡在冷卻液中，必須要保證冷卻液是絕緣的，并且冷媒必須是100%防腐蝕的，這樣可有效避免對(duì)電子元件和線路板產(chǎn)生腐蝕性損壞。冷媒必須不可燃、無毒、易清潔，并且無污染，可保持環(huán)境衛(wèi)生、美觀。浸沒式液冷是直接將硬件浸入非導(dǎo)電液體中，用這種方法冷卻計(jì)算機(jī)部件，線路板和芯片產(chǎn)生的熱量可直接傳遞給冷媒液體，從而減少或免去了對(duì)傳統(tǒng)冷卻方法中散熱器、散熱風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)擋板等各種金屬散熱部件的需求，導(dǎo)熱高效，降溫效果好，成本低，契合數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備越來越緊湊、熱密度越來越高、功率越來越大的發(fā)展趨勢(shì)，有廣泛的應(yīng)用前景。

作者:許進(jìn) 單位:江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司