廣電數據中心節能新技術研究
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摘要：當前，數據流量呈指數增長，設備功率密度與日俱增，數據中心服務器單機柜功率密度不斷提高，傳統“風冷”面臨散熱瓶頸問題，而用液體代替空氣進行換熱的“液冷”是很好的思路。本文對液冷技術做了剖析，展示了部分研究數據，結果顯示，與風冷技術相比，液冷散熱效率更高，PUE更低，可解決服務器高熱密度、高功耗的問題，滿足數據中心對節能環保的需求，也可降低數據中心的故障率。
關鍵詞：浸沒液冷PUE高熱密度
1引言
在當下的日常工作和生活中，計算機網絡系統提供了全方位的支撐，如人工智能、物聯網、移動支付、導航、云計算、大數據、機器學習、高性能計算等，這對計算機數據中心的基礎設施的性能提出了很高的要求，同時也大幅增加了能耗。高能耗增加了數據中心的成本，也過多地消耗了寶貴的電力資源。在此情況下，液冷技術不失為一種節能降耗的好方法。液體進入機房，顛覆了傳統的認知。液冷是一項革命性的冷卻技術，從“風冷”到“液冷”的變革，既突破了傳統冷卻技術的限制，也大幅提升了冷卻系統的效率，同時實現了計算體系架構與基礎設施系統的精確匹配。當前，數據處理速度越來越快，存儲能力越來越強，計算機芯片的密度越來越高，要處理的計算工作也越來越復雜，由此導致熱密度越來越大，機房的熱負荷不斷上升，只有液冷技術能很好地解決這些問題。此方案兼顧了高效計算和高效散熱，是數據中心冷卻技術的未來發展趨勢。
2液冷技術發展的原因
隨云計算、AI、超算等應用發展，數據中心機柜平均功率密度數將逐年提升，熱密度會急劇增長。中國電子技術標準化研究院發布的《綠色數據中心白皮書》顯示，我國目前的數據中心平均功率密度為8kW~10kW，未來，隨著我國新建的數據中心向著大規模方向發展，單機柜功率密度將在15kW以上。因此，傳統的制冷方案已經不能滿足大功率的機柜散熱需求，而液冷是很好的解決方法。傳統數據中心空調系統能耗占比較大，即使采用節能方案，運營電費的占比依然較高?？紤]到降低運營總成本，采用浸沒式液冷系統是必然趨勢。浸沒式液冷系統是以液體作為冷源，以絕緣冷卻液作為載冷劑，對服務器進行浸沒式冷卻的系統。此系統設計的核心思想是針對性地降低數據中心高熱服務器的溫度，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，可節省費用。各制冷方法對比分析如下：IT機柜功率密度小于15kW時，傳統的空調系統可解決散熱問題；IT機柜功率密度在15kW~30kW時，風冷方案能效高，但成本也隨著功率密度的增加而提高；IT機柜功率密度大于30kW時，風冷空調無法解決散熱問題，液冷是最合適的方案，可考慮取消服務器風扇，能節約15%的功耗，減小配電系統容量。
3浸沒式液冷系統架構
系統主要包括液冷機架（Tank）、液冷分配單元（CDU）、冷卻液及連接管道等，如圖1所示。服務器放置于Tank內，冷卻液浸沒熱交換，高溫冷卻液通過CDU內的變頻泵傳輸作用，然后進入CDU內的換熱器進行熱交換，降溫后的低溫冷卻液再回到Tank，如此循環往復。在冷卻側部分，CDU換熱器一端接冷卻塔或低溫冷卻水，低溫冷卻水經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進行熱交換變成低溫冷卻水，低溫冷卻水經過水泵送至CDU換熱器，同樣循環往復。浸沒式液體相變冷卻系統工作流程具體如下：將服務器主板、中央處理器、內存等線路板和芯片元件浸沒在冷卻液中，服務器運行時，各電子部件會產生大量熱量，引起冷卻液升溫，當冷卻液的溫度升高到“系統壓力”所設計的沸點時，冷卻液產生相變，從液態變為氣態。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，是最節能、最高效的方法。此系統具備如下優點：無須添加空調機、加濕器的控制，無須架空地板，服務器無須風扇，對運行環境要求較低，也減少了服務器機房的噪聲；兼容標準服務器所有硬件，冷卻液不揮發，使用安全，無污染；散熱效果很好；占地空間小，減小了設備體積；產品運行能耗小，可節約成本。此系統的冷卻塔如圖2所示，與風冷機組相比，其耗電量比風冷機組少得多，使用壽命長，投入成本低，維護方便。同時，由于系統是閉式循環，所以能夠保證水質干凈，無污染，可以很好地保障主設備高效運行，提升設備的使用壽命。此外，我們還可根據室外溫度靈活設置冷卻塔使用方式和工作模式，當外界氣溫較低時，可以停掉噴淋水系統，從而節省水資源，而冬季時噴淋水需要進行電伴熱防凍處理?？傮w而言，冷卻塔具有低PUE、節約成本、施工簡單等優點。除上述優點，浸沒式液冷系統同時還具有如下特點。一是高熱密度。機架熱密度增加，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的運行環境。二是最佳PUE。能源成本是數據中心的最主要支出，因此，數據中心運營商一直致力于降低能耗投入。浸沒式液冷能夠將數據中心的能耗降低20%~30%，可實現PUE小于1.04。三是節省空間。目前，數據中心內的空間管理是數據中心管理員最關心的問題之一，節省數據中心占地是IT基礎架構管理的重要目標。浸沒式液冷系統不僅減少了服務器占地空間，也減少了傳統冷卻方式的冷卻設備的占地空間，釋放的原有占地可投入服務器使用中，大大增加了原有機房面積可用率。四是環境優化。隨著數據中心的發展，風冷數據中心的設備在較惡劣的環境中使用，對服務器和冷卻設備都具有較高的挑戰。浸沒式液冷系統可使設備免受惡劣環境的影響，并且該方案允許技術人員拆除服務器風機，可大大降低數據中心的運行噪聲，減少噪聲污染。根據實際測試，浸沒式液冷數據中心運行噪聲可低至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、很好的化學惰性和穩定性，并且可以阻燃。因此，冷媒具有高可靠性，性能高且低噪聲，無泄漏風險，節能高效。經過長期研究，我們對水、礦物油、氟化液等冷媒進行了對比分析，結果如下：水具有良好的比熱容，是一種優秀的散熱媒介，且價格低廉、無污染，但水并非絕緣體，所以只能應用于非直接接觸型液冷技術中；礦物油是一種價格相對低廉的絕緣冷卻液，單相礦物油無味、無毒、不易揮發，是一種環境友好型介質，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險；氟化液具有絕緣且不燃的惰性特點，不會對設備造成任何影響，是目前應用最廣泛的浸沒式冷卻液，但價格較為昂貴。我們對A、B、C三種氟化液進行了對比測試，實驗測試參數如表1所示，其中，C型號的氟化液密度小、導熱率高，是很好的冷媒。針對C型號氟化液進行實驗測試，具體情況如表2所示，用氟化液作為冷卻液，化學結構穩定，性能優異。
5結語
綜上所述，為了將電子設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，這樣可有效避免對電子元件和線路板產生腐蝕性損壞。冷媒必須不可燃、無毒、易清潔，并且無污染，可保持環境衛生、美觀。浸沒式液冷是直接將硬件浸入非導電液體中，用這種方法冷卻計算機部件，線路板和芯片產生的熱量可直接傳遞給冷媒液體，從而減少或免去了對傳統冷卻方法中散熱器、散熱風扇、導風擋板等各種金屬散熱部件的需求，導熱高效，降溫效果好，成本低，契合數據中心機房設備越來越緊湊、熱密度越來越高、功率越來越大的發展趨勢，有廣泛的應用前景。
作者:許進 單位:江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司
