數據中心冷戰:風冷未央 液冷已至

 

數據中心冷戰:風冷未央 液冷已至2

數據中心為了追求更加的高效節能,冷卻技術也發展出了多種形式。目前,數據中心市場上主要采取制冷方式包括:風冷精密空調制冷和水冷精密空調制冷。

 

 

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另外,在前沿科學領域,例如大氣或者是洋流的仿真研究,包括天體物理的數據處理,包括宇宙演化的模擬,全球氣候變化的模擬等。在這些研究的過程當中伴隨著大量的數據運算分析處理,包括圖片的分析處理,所以在科研領域,在未來對芯片的性能要求會是非常高的。全浸沒式的液冷技術能夠很好的解決芯片的散熱問題,同時提高芯片的性能。

據了解,目前機房浸沒液冷技術主要運用在比特幣礦機和超算中心等高密度環境。

單相冷卻:即利用高沸點液體的比熱溫升過程帶走熱量,稱為單相浸沒冷卻服務器或油(包括高沸點碳氫、硅油、氟化液)冷服務器。

 

目前,對于浸沒液冷技術國內外很多廠商都都進行了研究,例如,IBM公司從20世紀70年代開始浸沒液冷的研究,具有30多項機架式浸沒液冷專利。美國的GRC開發了高沸點單相浸沒的碳氫溶劑制冷系統。3M公司從2009年倡導使用低沸點氟化液的兩相式蒸發浸沒冷卻系統。日本利用3M公司一種高沸點氟化液FC43開發的單相浸沒超算系統。另外,我國的一些企業也在研究開發相關浸沒液冷技術,例如曙光,從2012年開始就對液冷服務器技術進行了探索和研究。

數據中心早期并沒有專用的精密空調,也沒有統一的標準,早期的數據中心主要用的是民用大功率空調,這種空調主要是為人而設計,并不合適在數據中心的環境中使用,與機房專用空調相比在恒溫、恒濕、除塵等方面均達不到數據中心的標準。在數據中心發展初期,由于受到當時條件所限,使用這種空調也只是權宜之計。

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相變冷卻:利用低沸點氟化液或其他絕緣易蒸發液體的氣化過程帶走熱量,稱為相變冷卻式服務器或蒸發冷卻式服務器。

雖然浸沒液冷技術有諸多的優勢,但是目前卻無法大面積的使用在已建數據中心中,因為如果采用浸沒液冷方式的話,需要對原有的數據中心結構進行較大改造,而這對于數據中心運營商來說是一筆不小的成本,另外,許多熱負荷較低的小型數據中心機房可能并沒有必要采用液冷的必要,因為風冷對于小型的數據中心機房來說已經夠用了,液冷的優勢主要體現在大型或者超大型的數據中心中。

近幾年,數據中心的能耗問題受到越來越多的關注,并且已經成為制約數據中心行業可持續發展的重要因素。為此,2013年以來,政府相繼出臺了多項政策,對新建數據中心的節能水平提出了要求,北京更是暫停了PUE>1.5的新建數據中心審批工作。

到上世紀70年代,機房專用精密空調出現,精密空調可以有效保障數據中心的恒溫恒濕環境,而除塵方面采用新風系統和機房正壓除塵,從而滿足數據中心保持適度恒定,良好的空氣潔凈度、具備遠程監控等要求。

科技是第一生產力,科學技術的發展推動著整個社會的發展,而機房冷卻技術的發展將在很大程度上推動著數據中心的發展,浸沒液冷技術作為一種高效,節能,安全的冷卻技術,在將來必將成為越來越多的數據中心的選擇。

 

不過,浸沒液冷技術的前景還是非常客觀的,近幾年,國內數據中心的建設如火如荼,并且數據中心正在向大型和超大型方面發展,液冷技術將會更好的發揮其技術優勢。除了在數據中心方面的應用,液冷技術在未來的應用還要很多,比如現在越來越熱的人工智能方面,人工智能的發展得益于大數據或者是深度學習算法,以及計算能力的提升,近年來對人工智能的研究有了很大的突破。在硬件方面,GPU并行能力的提升使得人工智能釋放了一些全新的潛力。對于GPU本身來說,單個芯片的功耗可以達到300瓦以上,這樣對于整個服務器來說,它的散熱問題將是一個非常嚴峻而且有待解決的問題,而全浸沒式的液冷技術則恰恰很好的解決了這個問題。

上世紀60年代,水冷開始被運用到大型計算機主機和高性能個人計算機中。起初,數據中心中的熱負荷較低,使用風冷比水冷的成本低,所以當時更多的機房主要還是使用風冷。后來,隨著設備的不斷增加,服務器越發的密集,人們發現風冷已經開始不能滿足冷卻需求,這個時候水冷技術得以發揮出自己的優勢,因為在熱傳導方面,水比空氣有效得多,據測算,用于冷卻時,水的效率是空氣的3500倍。

但是,風冷也好,水冷也好,人們對技術的要求總是不滿足的,為了數據中心更安全同時更加綠色節能,為了應對未來大數據時代,數據中心對于高密度的需求,一種新的制冷技術應運而生了,那就是將服務器直接浸入絕緣性液體運行的浸沒液冷技術。

2000年以后,我國改革開放到了一個新的時期,國內互聯網開始快速發展,數據中心也進入到了一個新的發展階段。因為網絡的普及,互聯網的發展,信息傳遞越來越頻繁,產生的數據量和計算量越來越大,這時為了保障數據中心的安全穩定,人們對精密空調系統的高可用性提出了更高的要求,在空調系統設計中,可用性、綠色節能、動態冷卻成為了主要的創新方向。

浸沒液冷技術之所以受到眾多廠商的青睞,主要是因為它突出的性能。首先,液體的冷卻能力是空氣的1000-3000倍;其次,液冷可實現高密度、低噪音、低傳熱溫差、自然冷卻等優點;另外,浸沒液冷的功率密度可超過每機柜體積100kW、噪音低于50dB、PUE低于1.2.

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后來,IBM研究人員推出了直射式散熱技術。這是一種水冷技術的新突破,在一個密閉的系統中將水直接噴射至芯片背板,并隨后將吸附芯片熱量的水分吸干。這套系統采用了多達5萬個噴嘴和1個復雜的樹狀回路結構系統。

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再后來,因為水冷能耗低,效率高等特點逐漸也成為了機房冷卻的主要方式。

大約10年前,人們發現將水冷管道通過機架直接接入到服務器上,并配合處理器散熱器上的水冷銅座共同發揮作用,這種方式的散熱效率相比之前的更好。

目前在浸沒液冷服務器冷卻技術的分類上又分為:

 

 

與風冷精密空調制冷相比,水冷精密空調制冷則呈現起步較早,發展緩慢的現象。

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