長(zhǎng)期以來(lái)，如何低成本地給數(shù)據(jù)中心“降溫”一直是個(gè)讓人頭疼的問(wèn)題。想要讓這些不停發(fā)熱的家伙“冷靜”下來(lái)并不容易，而微軟公司最近卻想出了一個(gè)“妙招”——在蘇格蘭的奧尼克海域成功完成了數(shù)據(jù)中心的水下部署，用“沉海”的方式給它“退燒”。
隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的迭代，數(shù)據(jù)中心逐漸向大規(guī)模、高密度方向發(fā)展。作為一種新型基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)中心已成為支撐城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的中樞系統(tǒng)。
所謂數(shù)據(jù)中心是指一類用于集中放置和管理各種IT設(shè)備及其配套設(shè)施的特殊建筑，利用相關(guān)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大規(guī)模存儲(chǔ)和運(yùn)算等功能。通俗來(lái)講，數(shù)據(jù)中心就是一個(gè)大型機(jī)房。其中的IT設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中就像一個(gè)個(gè)“火球”，不斷產(chǎn)生熱量。“如果這些設(shè)備溫度過(guò)高，芯片就不能穩(wěn)定工作，CPU之類的器件無(wú)法正常運(yùn)行，主板也可能會(huì)被燒壞。”成都中藍(lán)信息技術(shù)公司總經(jīng)理代強(qiáng)在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)。因此，需要冷卻系統(tǒng)不斷吸收和消化掉“火球”產(chǎn)生的熱量。
為了維持機(jī)房適宜的溫度，避免上千臺(tái)服務(wù)器因過(guò)熱而宕機(jī)，科技公司往往要支付巨額的冷卻費(fèi)用。
那么，除了“沉海”，人類還用了哪些方式給“火球”降溫呢？
方式1 空調(diào)冷卻
耗能巨大且效率低，易導(dǎo)致冷卻不均
目前，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)多采用恒溫恒濕的空調(diào)設(shè)備。就像家里裝的空調(diào)一樣，在電力驅(qū)動(dòng)下空調(diào)的壓縮機(jī)做功輸送冷風(fēng)，再通過(guò)冷熱通道送回風(fēng)的方式給機(jī)房降溫，同時(shí)保持室內(nèi)濕度的穩(wěn)定。
空調(diào)產(chǎn)生的冷風(fēng)從架空的地板下吹出，進(jìn)入封閉的通道，機(jī)柜前端的設(shè)備吸入冷空氣。這些冷空氣與發(fā)熱器件接觸吸熱后會(huì)變成熱空氣，而后氣體再?gòu)臋C(jī)柜后端排至熱通道。最終，熱通道的氣體還會(huì)返回到空調(diào)回風(fēng)口。
“這種冷卻方式耗能巨大而且效率很低，需要先冷卻空氣，再通過(guò)冷空氣對(duì)發(fā)熱電子元件進(jìn)行冷卻，不能很好地控制電子元件的溫度。同時(shí)，電子元件表面積小，與空氣的接觸面積就小，加之器件表面與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)低，需要通過(guò)配置體積較大的散熱器來(lái)增加散熱表面積，以滿足電子元件正常工作時(shí)的散熱要求。”中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研究員胡學(xué)功告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
同時(shí)，空調(diào)冷卻的方式也可能由于冷氣流分配不均而增加能耗。數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的機(jī)柜是一層一層的，假設(shè)冷風(fēng)剛從最底層吹進(jìn)來(lái)時(shí)，溫度是20攝氏度，但到了中間層時(shí)溫度就可能升至25攝氏度甚至更高，這樣就會(huì)導(dǎo)致同一機(jī)柜的不同層級(jí)冷卻不均。為使最上層的溫度也能達(dá)到設(shè)備正常運(yùn)行所需的溫度要求，往往需要加大送風(fēng)量，這就會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的能耗激增。
方式2 自然冷卻
可節(jié)約成本，但對(duì)空氣質(zhì)量要求高
為了降低冷卻系統(tǒng)的能耗，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，越來(lái)越多的公司選擇將數(shù)據(jù)中心建在人煙稀少的高寒地區(qū)，希望利用自然環(huán)境中的冷空氣來(lái)降低冷卻成本。這種利用自然界的低溫冷源進(jìn)行冷卻的方式被稱為自然冷卻。微軟公司將數(shù)據(jù)中心沉入海底的做法就是利用自然冷源來(lái)降溫的一種方式。
“這種冷卻方法可能導(dǎo)致室內(nèi)污染物濃度增加以及濕度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。如果空氣中的灰塵較多，也可能會(huì)污染電子設(shè)備。因此這種方式對(duì)空氣質(zhì)量的要求較高，需要安裝專門(mén)的空氣凈化和除濕系統(tǒng)?，F(xiàn)實(shí)中，應(yīng)用這種冷卻方法的數(shù)據(jù)中心也不太多。”胡學(xué)功說(shuō)。
方式3 液體冷卻
用冷水帶走熱量，相變換熱方式更有效
對(duì)于一些高功率的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，一般的空氣冷卻方式已不能滿足其降溫要求，因而不少數(shù)據(jù)中心采用強(qiáng)制液冷技術(shù)進(jìn)行散熱。“強(qiáng)制液冷技術(shù)是通過(guò)泵和管路將液體工質(zhì)輸送到機(jī)柜或機(jī)柜內(nèi)部發(fā)熱部件進(jìn)行熱交換的冷卻技術(shù)，依靠液態(tài)工質(zhì)的循環(huán)或相變帶走熱量，能減少換熱設(shè)備的換熱面積并降低輸配系統(tǒng)的能耗。”胡學(xué)功說(shuō)。
所謂工質(zhì)是指各種熱機(jī)中借以完成能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)，比如蒸汽輪機(jī)中的蒸汽、內(nèi)燃機(jī)中的燃?xì)?。液體冷卻技術(shù)根據(jù)循環(huán)工質(zhì)在換熱過(guò)程中是否發(fā)生相變，可分為單相冷卻技術(shù)和相變冷卻技術(shù)兩類。
“現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心用單相液體冷卻的比較多，所用工質(zhì)主要是水，通過(guò)水泵來(lái)為整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)提供動(dòng)力。水在流經(jīng)CPU等發(fā)熱器件時(shí)，會(huì)將熱量帶走。同時(shí)，由于水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)比較高，換熱能力較強(qiáng)。相比氣體冷卻，單相液體冷卻的效率要高很多。”胡學(xué)功說(shuō)。
在冷卻高性能計(jì)算機(jī)上有很好應(yīng)用前景的微槽群冷卻技術(shù)是一種高強(qiáng)度的相變冷卻技術(shù)。這種技術(shù)的單位面積換熱能力更強(qiáng)，比較適合冷卻單位面積熱負(fù)荷較高的發(fā)熱器件。“在進(jìn)行熱交換時(shí)，液體工質(zhì)會(huì)在具有微尺度結(jié)構(gòu)的固體壁面上形成薄液膜，遇熱后會(huì)蒸發(fā)變?yōu)闅怏w。這是一種利用相變強(qiáng)化換熱機(jī)理進(jìn)行冷卻的方式，其帶走的熱量遠(yuǎn)高于未發(fā)生相變的方式帶走的熱量。”胡學(xué)功說(shuō)。
例如，相同質(zhì)量的水經(jīng)過(guò)某一發(fā)熱器件時(shí)，水溫會(huì)從20攝氏度升至50攝氏度，這時(shí)它帶走的熱量很有限。但是當(dāng)其發(fā)生相變，從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)，就可以利用水的汽化潛熱帶走更多熱量。“從單位質(zhì)量所能帶走的熱量角度來(lái)看，相變換熱方式所能帶走的熱量是非常大的，這種冷卻方式的冷卻效率也就更高。”胡學(xué)功說(shuō)。實(shí)習(xí)記者 陸成寬 | 
