高密度數據中心發展至今,迫切需要解決的問題是降低PUE值。隨著電子信息機房IT設備和供配電系統的高度集成化,機房散熱量日漸趨高,必須要有強大的制冷系統,來維持機房的環境溫度能保持在一個合理范圍內。從圖1中可以看出,電力在數據中心的消耗僅有33%供給了IT負荷,散熱負荷卻高達63%,也就是說,散熱負荷已經遠遠超過了IT設備的負荷。這意味著,降低IT設備的發熱量,可相應地降低散熱負荷,也就是降低了用于制冷設備的電力,這對于降低PUE值是一個關鍵的因素。

在現代電子信息機房中,空調負荷主要來自計算機主機設備、外部輔助設備的發熱量,這些發熱量大約占機房空調總熱量的80%～95%,而在計算機主設備(包括服務器、存儲、網絡等)中,服務器所產生的熱量約占到80%左右。可見,降低服務器的發熱量,從而降低制冷系統的能耗是至關重要的。

目前,很多數據中心的服務器散熱采用風冷技術,即用空氣來冷卻。空氣并不是很好的冷媒。若采用液冷,其冷卻效果比空氣強1000～3000倍。風冷所不能解決的高能耗、低性能的問題,用液冷技術卻可以得到顯著的改善。服務器也因此實現了高密度、低噪音、低傳熱溫差、全年自然冷卻的效果。

液冷是利用工作流體作為熱量傳輸的媒介,將熱量由熱區傳遞到遠處再進行冷卻。由于液體比空氣的比熱大很多,散熱速度也遠遠大于空氣,因此制冷效率遠高于風冷散熱,由于省去了風扇,也能達到降低噪音的效果。

液冷服務器不用壓縮機制冷,使得整個系統全年PUE值下降到1.2以下并非難事,同時服務器CPU可超頻運行,計算性能可提高12%。國外研究表明,CPU核溫每提高10℃,可靠性降低一半。而液冷服務器的CPU核溫比風冷極限溫度可低20～30℃,可靠性必將大大提高。

　　1 液冷服務器的原理

制冷系統的制冷原理主要在于冷量傳輸的途徑差異。冷媒的全熱為顯熱與潛熱之和。濕熱是液體在加熱或冷卻過程中,溫度升高或降低而不改變其原有相態,所需吸收或放出的熱量時,不發生相變;而潛熱是相變潛熱的簡稱,為單位質量的物質在等溫等壓情況下,從一個相變化到另一個相時,所吸收或放出的熱量。這是物體在固、液、氣三相之間以及不同的固相之間相互轉變時具有的特點之一,固、液之間的潛熱稱為熔解熱或凝固熱,液、氣之間的潛熱稱為汽化熱或凝結熱,而固、氣之間的潛熱稱為升華熱或凝華熱。

對于超高功率密度的數據中心來說,風冷技術難以實現對系統的高效散熱,而水冷或液冷有兩大好處:一是把冷卻劑直接導向熱源,而不是像風冷那樣間接制冷;二是和風冷相比,每單位體積所傳輸的熱量(散熱效率)比風冷高幾千倍。

由于液體的比熱容大,能吸收大量的熱量而保持溫度不會有明顯的變化,液冷系統中CPU的溫度能夠得到很好的控制,突發的操作不會引起CPU內部溫度瞬間大幅度的變化,因此能允許CPU進行超頻工作,從而節省服務器的數量。此外,由于泵的噪聲很小,整個液冷系統的噪音比與風冷系統小很多,可達到“靜音機房”的效果。此外,由于省掉了風扇及機房專用空調系統,因此節省了電費和耗能。

該技術可廣泛應用于超高功率密度數據中心中服務器的散熱,為數據中心的散熱問題提供一個優異的解決方案。

圖2  給出了風冷服務器與液冷服務器的比較。

值得一提的是,服務器的液冷技術并不需要昂貴的水冷機組,在減少總體擁有成本的同時,顯著提高了數據中心的能源效率,而且做到了綠色環保。它還可以控制運營成本,使初始投資實現快速回報。這在那些高電力成本、高運營成本的數據中心顯得尤其重要。

使用液冷系統的節能效果十分明顯。服務器前部必須要保持25℃以下才能穩定工作,精密空調想要保持這個溫度,必須在空調冷風口達到18～20℃,而液冷媒只要能達到20～25℃就可以。另一方面,遠程制冷的效率比較低,而液冷媒在相對封閉的運行環境中,效率較高。

形象地理解,液冷設備與精密空調的區別,就像冰箱制冷與冷庫制冷的區別。對機房來說,液冷媒將每個機柜包裝成為一個“冰箱”,而精密空調則把整個機房制冷視為一個“冷庫”,其能耗的差別不言而喻。使用液冷技術節能的效果不僅僅在于制冷方面,液冷技術有一個與眾不同的系統,叫Freecooling(自然冷卻系統)。液冷媒的進口溫度需要低于15℃,而當環境溫度低于15℃時,就可以不需要通過循環制冷來制冷液體,僅僅用自然冷量制冷即可。這一切都是自動調節的,不需要人工操作。使用液冷系統的節能效果十分明顯。

　　2  液冷服務器的種類

液冷服務器的種類一般是按采用的模式和選用的冷媒來區分的。

按照系統模式,液冷服務器可分為直接冷卻和間接冷卻兩大類;按照工作介質的不同,可分為水冷和其它制冷劑冷卻,制冷劑除水以外,還有變壓器油、礦物油、19.8%的乙二醇溶液、13.6%NaC的鹽水、FC-75、Coolanol45、二甲烷飽和溶液等;按照是否發生相變,可分為溫差換熱(利用制冷劑的溫升來帶走熱量)和相變換熱(利用制冷劑的氣化潛熱來帶走熱量)。

(1)間接液冷服務器

間接液冷服務器又叫冷板式液冷服務器,其原理圖如圖3所示。如圖中所示,冷媒與被冷卻對象分離,并不直接接觸,而是通過液冷板等高效熱傳導部件將被冷卻對象的熱量傳遞到冷媒中。對于原有的風冷方式來說,僅需將原風冷散熱片替換為液冷散熱片,并將冷媒管路引出機箱即可。在間接冷卻方式中,冷媒有其自身通路,并不與電子器件直接接觸,因此只要液體管路密封性好、冷媒不泄漏,那么系統對冷媒種類的要求較低,多種冷媒均可實現其功能。

缺點是由于增加了傳熱過程熱阻,傳熱溫差增大,制冷效果遜于直接冷卻式,且需要額外安裝風扇對機房的其他元器件進行散熱。

(2)直接液冷服務器

直接液冷服務器又叫浸沒式液冷服務器,其原理圖如圖4所示。如圖中所示,發熱元器件與冷媒直接接觸,即將服務器主板、CPU、內存等發熱量大的元器件完全浸沒在冷媒中。由于冷卻液與被冷卻對象直接接觸,散熱效果更佳,能一次性解決全部元器件的散熱問題,無須額外配置風扇、散熱片等。但此系統對原有的風冷系統有較大改動,需制作密封艙體用來盛放冷媒。另外,對冷媒的要求較高,需具備絕緣性好(不導電)、無毒無害、無腐蝕性等物理化學特性。

直接冷卻式能解決更高熱流密度的散熱問題。直接冷卻式是利用液體的溫差或相變將熱量直接帶走,減少了傳熱過程的熱阻,冷卻效率更高。而且,冷卻制冷劑蒸汽只需40℃的進水,由于全國很多地方全年溫度都是在40℃以下,因此可實現全年自然冷卻,PUE值可降至1.05左右。

服務器設計者和數據中心運營商主要關注的問題是數據中心系統的穩定性。然而,在液體冷卻系統中,一個接頭的失效就會導致冷卻液無法自動替補供應。因此,對機械沖擊的抵抗能力及可靠性是液體冷卻系統快速插拔接頭的重要特征。服務器設計者就需要構造優良、鎖緊機構簡單、制作材料耐用并兼容的快速插拔接頭。這種接頭必須能夠長期保持連接狀態,但在斷開進行維護時快速接頭內集成的閥門能夠迅速動作,以避免冷卻液的溢出。使得密封件應當與冷卻液兼容,以避免膨脹、收縮或者變形。

在使用液體冷卻系統時,為了更好地保障電子設備周圍設施的安全性與可靠性,數據中心運營商需要采用堅固耐用且保證無滴漏的連接設備。快速接頭連接后的多重密封和無密封摩擦功能,能夠保證液體冷卻設備即使在長時間處于連接狀態和壓力的情況下,在斷開時也能保證無溢漏,大大提高了液體冷卻系統的安全性和可靠性。

此外,簡單易用、設計直觀的快速插拔接頭可以滿足液體冷卻系統操作及維護的便利性。

比如,彩色編碼的設計為冷卻管理提供即時視覺上的辨別,這種易用且直觀的設計更加方便技術人員使用和維護。產品配有高質量閥門的一鍵連接或扭鎖式接頭,操作簡單快速,并且在斷開時閥門完好閉合。對于慣于連接和斷開以太網和電源電纜的技術人員而言,直觀設計的快速插拔接頭更方便使用。

3 國內外服務器液冷技術發展現狀

(1)國內服務器液冷技術發展現狀

目前國內知名的多個設備、軟件廠商推出了液冷服務器系統產品,包括曙光、華為、神威藍光等。

曙光推出的TC4600E-LP液冷服務器是以原有風冷型刀片為原型,進行了液冷改造設計,除去CPU和顯卡的風冷式散熱器,改造為液冷冷板。圖5為TC4600E-LP液冷服務器的前、后視圖。

TC4600E-LP采用CPU冷板技術以及先進的防泄漏技術,具有以下優越的性能:

①風扇功耗降低70%,具有更優的整機效率;

②CPU可超頻運行,計算性能提高12%;

③CPU核溫可降低30℃,平均無故障工作時間延長50%,具有更高的可靠性;

④噪聲比風冷板機型低20dB(A),具有更低的噪音指數;

⑤由于處理器的熱量通過水冷帶走,不需要安裝大量的機房專用精密空調;

⑥液冷系統采用30℃的常溫進水,可以實現全年自然冷卻,PUE值輕松降至1.2以下。

華為公司的液冷刀片服務器采用高集成LCS(Liquid Cooling System)設計,在1個標準的42U機柜中通過部署三臺裝配有高性能冷板(CH121 CH140刀片服務器)的E9000融合架構刀片服務器,即在部署96個2路刀片服務器的情況下,對86%的器件進行液體冷卻，相比傳統的風冷散熱設計可實現50%～60%的能耗降低，有助于將數據中心PUE值降至1.2以下。華為公司間接液冷服務器如圖6所示。

神威藍光公司的間接液冷服務器中的冷卻用水是內部封閉循環,是來自礦泉水廠處理過的純水。中間是鋁制液冷散熱板。神威藍光公司的間接液冷服務器的優勢是集成度高,水冷散熱高效,可在一個機柜內存放更多的CPU,僅依靠9個運算機柜就達到了很高的運算能力。神威藍光間接液冷服務器如圖7所示。

目前國內有很多企業已經開始研發液冷服務器產品,但截至目前,大部分企業使用液冷技術多采用純水作為冷媒。眾所周知,含雜質的水是電的良導體,一旦冷媒泄漏,與主板上的塵埃等雜質混合,后果不堪設想。且選用水作為冷媒,是利用水的溫升帶走發熱元件的熱量,只利用了水的顯熱,并沒有發揮其全部功效,還有很大的潛能可以發揮。

(2) 國外液冷服務器的現狀

國外液冷服務器的用戶主要還是大型數據中心和超級計算中心,已經有一些用戶開始使用液冷服務器。比如美國國家安全局、美國空軍、CGG、ORANGE、VIENNA科學計算集群、日本東京工業大學已經使用了Green Revolution Cooling的浸沒式液冷技術,美國AFRL、ERDL、法國TUTAL、歐洲AWE等使用了SGI的液冷服務器,德國LRZ已經使用了聯想(原IBM)的Next Scalen x360 M5冷板式液冷服務器。

IBM的新SuperMUC超級計算機中心(LRZ)Super MUC與IBM xiData Plex均采用了水冷技術,即采用40℃的溫水作為IT設備制冷的冷媒工質。比起普通的風冷系統,這種水冷系統的散熱效率高4000倍,能耗也大幅度降低。除此之外,其產生的熱水可以給萊布尼茲超級計算機中心園區的其他生活建筑供熱,每年可節約125萬美元。IBM間接液冷服務器如圖8所示。

Green Revolution Cooling推出的直接式液冷系統是把服務器浸沒在一種礦物油中進行降溫,浸沒其中的戴爾R730機架服務器的CPU溫度為30℃左右。Green Revolution Cooling直接式液冷系統如圖9所示。

Asetek的液冷機柜是在室外側充分利用室外冷源,實現自然冷卻,節約數據中心的運維成本。模塊化設計為數據中心提供了最大的可擴展性。以1U服務器(功耗為500W,其中CPU及內存功耗為400W)為例,80%(400W)的熱負荷來自于CPU及內存,采用液冷散熱,剩余20%(100W)的熱負荷采用風冷散熱。PUE值由1.61下降至1.08,單機柜每年節省電費7784美元,能使數據中心節能50%,密度增加2.5倍。Asetek的液冷機柜如圖10所示。

　　4 結束語

按照美國IDC公司的預測,移動產品和數據等的總量,今后還會持續高速增長,數據中心必須要高密度配置服務器。為了應對這樣的變化,制冷技術也需要隨之改變。實際上,IDC于2016年3月,以美國的各類數據中心的運營商為對象實施的問卷調查中,有高達42%的受訪者表示,其公司最大的數據中心采用了液冷技術。

對于單臺服務器而言,使用液冷服務器能高效準確制冷,節能降耗,降低噪音。而且由于液體的比熱容大,能吸收大量的熱量而自身溫度不會明顯變化,使得CPU在突發操作時不會引起內部溫度瞬間大幅度變化,因此允許CPU超頻工作,提高了服務器的使用效率和性能。

對于機柜而言,由于省掉了機房專用空調,因而節能、降噪。而且由于液冷服務器的冷卻能力優良,能在單位空間內布置更多的刀片服務器,提高熱流密度,因此節省占地面積。

對于數據中心而言,雖然增加了泵和工作液體循環系統,但是省掉了整個空調系統以及基礎設施層,也無須地板下送風和冷熱通道封閉技術,能節省更多的成本。且能在有限的空間內容納更多的服務器,從而得到更高的效率。此外,由于泵的噪聲很小,整個液冷系統的噪音相比于風冷系統要小得多,可達到“靜音機房”的效果。

此外,液冷服務器可以不受海拔和地域的限制,在任何地方均能正常工作。而機房專用空調系統則不同,在不同緯度和海拔的地區,必須考慮當地的情況進行設計調整。

因此,液冷服務器可廣泛應用于超級計算機和大型服務器的散熱,為大規模計算中心和數據中心的散熱問題提供優異的解決方案,從而大大降低了PUE值。

目前,冷板式的液冷技術已經比較成熟,具備了產業化的可行性。但對于更具革命性的浸沒式液冷技術,仍然處于發展初期。據了解,液冷服務器的用戶主要還是大型數據中心和超級計算中心,這些用戶對于高密度擴展、綠色節能、機房靜音的需求比較迫切,已經有一些用戶開始使用液冷服務器,不過對于企業級應用,無論是普通的服務器,還是大型數據中心,液冷技術的普及之路還剛開始。

編輯：Harris

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