随着云计算大数据等新兴技术的持续发展,各行各业数字化转型成为必然,随之而来的是不断涌现的大型、乃至超大规模数据中心。统计显示,2016年我国数据中心产业同比增长近40.4%.

然而,数据中心却是个名副其实的“电老虎”,目前全球互联网数据中心一年的用电功率已经超过了300亿瓦特,这相当于30个核电站的供电功率。一座高端数据中心用电量相当于30到40栋高密度住宅楼房的用电量,《中国数据中心能耗现状白皮书》显示,2015年数据中心的电耗达1000亿度,年耗电量超过全社会用电量的1.5%,因此每年的高额的电费支出成为了数据中心的主要开销。

如何建设绿色数据中心,节能减排,减少电费开支,成为众多企业和IT厂商共同亟需解决的难题。

高昂电费成为数据中心巨大负担

位于广州的中国移动南方基地是中国移动两大综合基地之一,它承担着中国移动集中化、云计算和IDC的运维。南方基地数据中心的PUE值为2.2,这与国内大多数数据中心水平相当,据中国移动南方基地总经理林湧双介绍:“南方基地一年用电额中近90%是用于数据中心的消耗。”

而当前国际领先绿色数据中心PUE值仅为1.2,这之间存在着不小的差距。除了承担业务重任,南方基地还肩负着对IT支撑架构进行创新研究和运维探索的重任。因此南方基地决定启动对数据中心的改造,目标是将PUE值降低至国际数据中心的领先水平。

降低PUE值需从致冷着手

众所周知,数据中心的耗电量主要来自数据中心的运行以及冷却散热,致冷占了绝大部分。南方基地确定了以“去空调、去UPS”为方向,从致冷节能技术着手进行突破,有效降低PUE值。

目前IDC致冷节能技术已经历四代演变:从传统的“机房级”致冷、到“模块级”和“机架级”致冷、再到“芯片级”致冷。中国移动南方基地总经理林湧双谈到,前三种为非接触式致冷,散热系统需低温空气作为散热媒介,系统热阻较高;最后一种为接触式致冷,散热系统无需空气作为介质,系统热阻可大大降低。“芯片级”致冷技术可在确保安全工作的前提下进行高效散热,南方基地决定采用全新的“芯片级”致冷方案。

为了进一步提升致冷效率,南方基地邀请了浪潮和另外两家服务器厂商同时对芯片级致冷方案进行共同研发。南方基地提出了热管水冷的方案,这与浪潮的液冷解决方案不谋而合,而另外两家服务器厂商分别提出了浸泡式和直接水冷方案。

热管水冷方案拥有可靠性高、维护便利、低成本、工艺复杂度低等优势,理论上在满足PUE值降低至小于等于1.2这个主要目标的同时,产品化的概率更高。而另外两家服务器厂商的水冷方案虽然理论上也能满足降低PUE值的目标,但要么实现成本太高,要么后期维护复杂,要么工艺复杂度高,均不具备向市场大规模推广的条件。

南方基地对三种方案进行了长达2年的测试,用夏天最极端的高温天气测试获得的PUE值为参考,对方案进行了评估,经过综合衡量,最终确定选用热管水冷方案。

方案很理想服务器改造是关键

“芯片级”致冷方案虽好,但必须对服务器进行定制。因此,浪潮对传统双路服务器浪潮NF5280M4进行了设计调整,以热管液冷模块代替传统的散热翅片模块,通过自然热传导带走CPU等高发热密度芯片的热量。即使使用温度高达45℃的水流,也可对CPU进行高效散热,使其工作温度保持在正常范围内。

改造过程中对方案进行不断优化,例如,液冷方案改变的服务器的整体散热策略,浪潮研发人员经过多次尝试,把服务器风扇数量减少到3个或2个,确保服务器不受影响,正常稳定地运行。在设计热管时,为了避免热管的形状和排布降低实际散热效果,浪潮联合新创意的研发人员经过配合并多次优化,最终找到了散热效率最高的方式。

除此之外,还对致冷系统进行了优化,由冷却塔、板式换热器、双循环水路代替传统精密空调,采用双通道设计:“接触式”致冷通道,排走高功耗高密度元器件的热量:“非接触式”致冷通道,排走低功耗低密度元器件热量。为了保证服务器的运行安全,浪潮和申菱共同承担方案优化,即将水流进行分区,外循环封闭于致冷设备间,同时在服务器接口部分设计了防漏接头,内循环采用无腐蚀绝缘冷媒,以负压方式驱动水流,经反复测试发现,这种方式即便出现水路漏点也不会对服务器造成影响。

再就是对供电系统的优化,采用市电直供,供电效率接近100%,使用高压直流作为热备份,确保市电失压时无缝切换。

PUE达1.2以下成为国家绿色节能标杆

林湧双介绍,与传统数据中心相比,这种新型数据中心节能效果突出,能效指标PUE值可由平均2.2降到1.2以下;省电节能高达45%,在同等业务能力下可减少机房建筑面积70%以上,配套投资下降10%以上,并可广泛应用于高温高湿地区,能有效推动我国数据中心的绿色发展。

据了解,这种芯片级节能绿色数据中心建设方案可有效降低能耗,该科技成果已获得发明专利16项、实用新型专利35项,成功入选了国家2015年工业转型升级资金绿色制造项目名单,关键技术成果被工信部鉴定为“国际领先水平”。接下来,该方案将进行大规模推广,南方基地的创新试点可谓国家绿色节能新标杆,给运营商绿色节能带来了新的方向。

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