現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心機(jī)柜中安裝的IT設(shè)備越來越多，這不僅意味著機(jī)柜用電量大大增加，還意味著后面的所有輔助設(shè)施的容量和用電量也相應(yīng)增加，包括冷卻系統(tǒng)、配電設(shè)備、UPS和發(fā)電機(jī)等都會(huì)按比例增加。

數(shù)據(jù)中心能效提高的機(jī)會(huì)

日益小巧、能效日益提高的芯片架構(gòu)也帶來了更高的計(jì)算性能。目前服務(wù)器機(jī)柜能耗一般為2KW至5KW之間。而對(duì)于高端比如Nvidia的Grid則需要耗費(fèi)45KW。在這些超高密度環(huán)境下的數(shù)據(jù)中心，傳統(tǒng)的風(fēng)冷制冷技術(shù)將不再是唯一選擇，甚至都不是首要選擇。

一、液冷技術(shù)

為了解決高熱密度機(jī)柜中的熱點(diǎn)問題，一些數(shù)據(jù)中心已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向到液體冷卻了。最常用的液體冷卻技術(shù)稱為緊耦合制冷，需要用管道將冷凍液(通常為水或乙二醇)輸送到高架地板之上或者直接把冷凍液輸送到機(jī)柜內(nèi)部，然后通過風(fēng)和冷凍液之間的熱交換達(dá)到給機(jī)柜內(nèi)部降溫的目的。

利用改進(jìn)的流體和熱動(dòng)力學(xué)可對(duì)傳統(tǒng)液體冷卻技術(shù)進(jìn)行革新，使水冷卻更高效。最知名的例子有Flometrics Chilldyne酷弗洛負(fù)壓液體冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)以支持電信和信息技術(shù)測(cè)試被部署在加利福尼亞州的加州大學(xué)理工學(xué)院。

負(fù)壓液體冷卻系統(tǒng)

基于機(jī)架直接連接芯片散熱的方式，吸取了來自美國(guó)NASA對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固定熱插拔連接器進(jìn)行冷卻的靈感，也就是允許IT部門通過負(fù)液壓系統(tǒng)隔離單個(gè)服務(wù)器。加州大學(xué)表示這種液冷方式，可以在傳統(tǒng)的液冷方式基礎(chǔ)上降低25%至35%的能耗。

浸入在礦物油中的服務(wù)器

關(guān)于液冷技術(shù)，其實(shí)早在之前英特爾也發(fā)布設(shè)計(jì)出一種采用礦物油進(jìn)行降溫的方法。

浸入在礦物油中的服務(wù)器主板

早在兩年前，在德克薩斯州奧斯汀市一家名為Green Revolution Cooling(綠色革命冷卻技術(shù)公司)的公司著手測(cè)試該技術(shù)的可行性。測(cè)試結(jié)果表明，一旦移除計(jì)算機(jī)上的風(fēng)扇和硬盤，這種采用油來實(shí)現(xiàn)降溫的方式會(huì)顯得非常具有高效。這種采用礦物油冷卻系統(tǒng)只需要花費(fèi)2%-3%的冷卻功耗——遠(yuǎn)比傳統(tǒng)服務(wù)器的功耗少得多(50%-60%)。

二、“將計(jì)就計(jì)”熱量轉(zhuǎn)換

和剛才介紹的液冷冷卻方式不同，這里采用“將計(jì)就計(jì)”的方法，將想方設(shè)法排除熱量轉(zhuǎn)變?yōu)槔梅?wù)器產(chǎn)生的熱量，從而實(shí)現(xiàn)充分利用廢棄能源的節(jié)能目的。

在2010年，IBM提出一種“熱交換系統(tǒng)”的概念，通過吸收數(shù)據(jù)中心熱量的熱水被輸送到其他建筑物的地板并對(duì)室內(nèi)進(jìn)行供暖。供暖的熱水經(jīng)過不斷循環(huán)冷卻再流入到數(shù)據(jù)中心，并通過獲得數(shù)據(jù)中心排放出來的熱量再次進(jìn)行供暖，如此反復(fù)周而復(fù)始。

IBM“熱交換系統(tǒng)”示意圖(來源：IBM)

另外還有一種熱交換，也就是蘋果公司申請(qǐng)專利的更為復(fù)雜的一種系統(tǒng)。蘋果提出一種利用風(fēng)能渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量，熱量并傳統(tǒng)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)的流體當(dāng)中，在需要時(shí)再轉(zhuǎn)換給供電系統(tǒng)。

風(fēng)能渦輪機(jī)

類似的概念其實(shí)也包括前面我們介紹的服務(wù)器液體冷卻，但在當(dāng)今市場(chǎng)上還不太普遍。通過能源的重復(fù)使用可以顯著降低能源消耗，并減少數(shù)據(jù)中心帶來的能源成本。

三、因地制宜

因地制宜說得是利用數(shù)據(jù)中心的選址來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的制冷散熱方案。

通常來說，數(shù)據(jù)中心的理想地點(diǎn)并不僅僅有著良好的電力網(wǎng)絡(luò)、充足的空間和優(yōu)惠的稅收補(bǔ)貼，數(shù)據(jù)中心本身周圍的環(huán)境條件也是衡量數(shù)據(jù)中心選址是否理想的關(guān)鍵。以最大限度地提高冷卻的努力。在這方面最具代表性的當(dāng)屬谷歌和Facebook打造的數(shù)據(jù)中心。

谷歌在數(shù)據(jù)中心選址上非常謹(jǐn)慎。以谷歌位于哥倫比亞河畔的Dalles數(shù)據(jù)中心為例，谷歌喜歡將數(shù)據(jù)中心建設(shè)在河流旁邊開闊的谷地。而且，可以看出其典型的建筑風(fēng)格是大開間低層廠房結(jié)構(gòu)，多為結(jié)構(gòu)較為合理的長(zhǎng)條矩形狀。大型架空冷卻塔和底下的儲(chǔ)冷罐位于建筑邊上，附近是兩個(gè)為數(shù)據(jù)中心配套的變配電站。直接采用附近水電站便宜的綠色充足水電來給數(shù)據(jù)中心供電，空氣質(zhì)量很好。

位于芬蘭 哈米納的谷歌數(shù)據(jù)中心(鄰近波羅的海)

另外谷歌在北歐國(guó)家芬蘭的一個(gè)哈米納(Hamia)地區(qū)修建一座數(shù)據(jù)服務(wù)中心。該地理環(huán)境下能夠?yàn)閿?shù)據(jù)中心提供兩大優(yōu)勢(shì)——也就是寒冷的氣溫和極低的電費(fèi)。該數(shù)據(jù)中心選址在廢棄的造紙廠，鄰近波羅的海，可以充分利用自然冷氣對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行降溫。更為重要的是，谷歌的這個(gè)數(shù)據(jù)中心其隧道引用的海水冷卻，并未對(duì)其溫度有太高影響。也就是說，對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻的海水溫度從引入到流入到大海，其溫度相差不大，從而減少了對(duì)環(huán)境的影響。

谷歌數(shù)據(jù)中心利用隧道將海水引入數(shù)據(jù)中心進(jìn)行散熱

Facebook的第一個(gè)歐洲數(shù)據(jù)中心建在瑞典，也就是谷歌所在國(guó)芬蘭的東北方的鄰國(guó)。這里靠近北極圈，可以更好地利用自然冷卻資源——寒冷空氣即可對(duì)數(shù)據(jù)中心提供全年的自然冷卻。

四、數(shù)據(jù)中心“散熱器”

和前面介紹的基本都是通過風(fēng)冷、水冷等介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行降溫制冷。而這里，我們還介紹另外一種更為獨(dú)特的解決方案——將數(shù)據(jù)中心視作大型“散熱器”。

這項(xiàng)奇思妙想來自IBM與美國(guó)專利商標(biāo)局提出的專利申請(qǐng)，將整個(gè)數(shù)據(jù)中心所在的建筑物視為巨大的散熱片。水冷系統(tǒng)安裝在數(shù)據(jù)中心的墻壁上，并通過利用“導(dǎo)熱材料制成的波紋板”從而更快地吸收管道中的熱量并提高散熱效率。想象下，其實(shí)就有點(diǎn)類似傳統(tǒng)散熱器的功能，利用“自然冷卻”的效果來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)數(shù)據(jù)中心的散熱制冷。

數(shù)據(jù)中心“散熱器”工作原理示意圖

五、高溫環(huán)境也胸有成竹

一直以來，人們都在議論美國(guó)采暖，制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)所描述的冷卻要求過于保守。在2008年間，服務(wù)器環(huán)境中的散熱要求推薦為65至81華氏度。

英特爾現(xiàn)場(chǎng)模擬演示高溫?cái)?shù)據(jù)中心負(fù)載應(yīng)用

而目前數(shù)據(jù)中心的溫度通常為68至70華氏度。根據(jù)現(xiàn)有大量的研究數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)中心完全可以支持更高的溫度，也就是說可以在更高溫度環(huán)境下運(yùn)行，甚至有些設(shè)備還能承受高達(dá)122華氏度的高溫。據(jù)此，數(shù)據(jù)中心冷卻的方式可以擺脫基于特定位置的特定溫度。目前市面上的很多服務(wù)器也都采用了支持高溫環(huán)境的設(shè)計(jì)，可以在95華氏度的環(huán)境下正常運(yùn)行。

編后語：

而在目前步入的云計(jì)算時(shí)代來說，數(shù)據(jù)中心在其中扮演的功能與角色也愈發(fā)重要了。日益嚴(yán)重的數(shù)據(jù)中心能耗問題，也將會(huì)基于這五大方面展開不斷創(chuàng)新，包括液冷、熱量轉(zhuǎn)換、自然冷卻、散熱器設(shè)計(jì)和高溫環(huán)境。這五大有利于數(shù)據(jù)中心 冷卻的方案領(lǐng)域或各自或結(jié)合發(fā)揮作用。

但我們普遍認(rèn)為，在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)數(shù)據(jù)中心不會(huì)遇到高功率密度問題，每個(gè)機(jī)架的平均功率密度仍然在機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)可以承受的范圍內(nèi)。只是隨著能耗的增加會(huì)給運(yùn)營(yíng)商帶來成本壓力，但這種壓力會(huì)通過傳導(dǎo)給市場(chǎng)帶來技術(shù)和方案的創(chuàng)新。

而對(duì)于未來數(shù)據(jù)中心制冷趨勢(shì)來說，除了高性能計(jì)算中心和其他基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心將會(huì)遷往低價(jià)更便宜、電力成本更低的地方，充分利用市場(chǎng)“無形之手”調(diào)節(jié)并結(jié)合制冷技術(shù)，不斷優(yōu)化并降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)維成本，提高能效。

yuanjiaju