近几年,数据中心的能耗问题受到越来越多的关注,并且已经成为制约数据中心行业可持续发展的重要因素。为此,2013年以来,政府相继出台了多项政策,对新建数据中心的节能水平提出了要求,北京更是暂停了PUE>1.5的新建数据中心审批工作。

数据中心冷战:风冷未央 液冷已至1

数据中心为了追求更加的高效节能,冷却技术也发展出了多种形式。目前,数据中心市场上主要采取制冷方式包括:风冷精密空调制冷和水冷精密空调制冷。

数据中心早期并没有专用的精密空调,也没有统一的标准,早期的数据中心主要用的是民用大功率空调,这种空调主要是为人而设计,并不合适在数据中心的环境中使用,与机房专用空调相比在恒温、恒湿、除尘等方面均达不到数据中心的标准。在数据中心发展初期,由于受到当时条件所限,使用这种空调也只是权宜之计。

到上世纪70年代,机房专用精密空调出现,精密空调可以有效保障数据中心的恒温恒湿环境,而除尘方面采用新风系统和机房正压除尘,从而满足数据中心保持适度恒定,良好的空气洁净度、具备远程监控等要求。

2000年以后,我国改革开放到了一个新的时期,国内互联网开始快速发展,数据中心也进入到了一个新的发展阶段。因为网络的普及,互联网的发展,信息传递越来越频繁,产生的数据量和计算量越来越大,这时为了保障数据中心的安全稳定,人们对精密空调系统的高可用性提出了更高的要求,在空调系统设计中,可用性、绿色节能、动态冷却成为了主要的创新方向。

与风冷精密空调制冷相比,水冷精密空调制冷则呈现起步较早,发展缓慢的现象。

上世纪60年代,水冷开始被运用到大型计算机主机和高性能个人计算机中。起初,数据中心中的热负荷较低,使用风冷比水冷的成本低,所以当时更多的机房主要还是使用风冷。后来,随着设备的不断增加,服务器越发的密集,人们发现风冷已经开始不能满足冷却需求,这个时候水冷技术得以发挥出自己的优势,因为在热传导方面,水比空气有效得多,据测算,用于冷却时,水的效率是空气的3500倍。

后来,IBM研究人员推出了直射式散热技术。这是一种水冷技术的新突破,在一个密闭的系统中将水直接喷射至芯片背板,并随后将吸附芯片热量的水分吸干。这套系统采用了多达5万个喷嘴和1个复杂的树状回路结构系统。

大约10年前,人们发现将水冷管道通过机架直接接入到服务器上,并配合处理器散热器上的水冷铜座共同发挥作用,这种方式的散热效率相比之前的更好。

再后来,因为水冷能耗低,效率高等特点逐渐也成为了机房冷却的主要方式。

数据中心冷战:风冷未央 液冷已至2

但是,风冷也好,水冷也好,人们对技术的要求总是不满足的,为了数据中心更安全同时更加绿色节能,为了应对未来大数据时代,数据中心对于高密度的需求,一种新的制冷技术应运而生了,那就是将服务器直接浸入绝缘性液体运行的浸没液冷技术。

目前,对于浸没液冷技术国内外很多厂商都都进行了研究,例如,IBM公司从20世纪70年代开始浸没液冷的研究,具有30多项机架式浸没液冷专利。美国的GRC开发了高沸点单相浸没的碳氢溶剂制冷系统。3M公司从2009年倡导使用低沸点氟化液的两相式蒸发浸没冷却系统。日本利用3M公司一种高沸点氟化液FC43开发的单相浸没超算系统。另外,我国的一些企业也在研究开发相关浸没液冷技术,例如曙光,从2012年开始就对液冷服务器技术进行了探索和研究。

浸没液冷技术之所以受到众多厂商的青睐,主要是因为它突出的性能。首先,液体的冷却能力是空气的1000-3000倍;其次,液冷可实现高密度、低噪音、低传热温差、自然冷却等优点;另外,浸没液冷的功率密度可超过每机柜体积100kW、噪音低于50dB、PUE低于1.2.

目前在浸没液冷服务器冷却技术的分类上又分为:

单相冷却:即利用高沸点液体的比热温升过程带走热量,称为单相浸没冷却服务器或油(包括高沸点碳氢、硅油、氟化液)冷服务器。

相变冷却:利用低沸点氟化液或其他绝缘易蒸发液体的气化过程带走热量,称为相变冷却式服务器或蒸发冷却式服务器。

据了解,目前机房浸没液冷技术主要运用在比特币矿机和超算中心等高密度环境。

虽然浸没液冷技术有诸多的优势,但是目前却无法大面积的使用在已建数据中心中,因为如果采用浸没液冷方式的话,需要对原有的数据中心结构进行较大改造,而这对于数据中心运营商来说是一笔不小的成本,另外,许多热负荷较低的小型数据中心机房可能并没有必要采用液冷的必要,因为风冷对于小型的数据中心机房来说已经够用了,液冷的优势主要体现在大型或者超大型的数据中心中。

不过,浸没液冷技术的前景还是非常客观的,近几年,国内数据中心的建设如火如荼,并且数据中心正在向大型和超大型方面发展,液冷技术将会更好的发挥其技术优势。除了在数据中心方面的应用,液冷技术在未来的应用还要很多,比如现在越来越热的人工智能方面,人工智能的发展得益于大数据或者是深度学习算法,以及计算能力的提升,近年来对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释放了一些全新的潜力。对于GPU本身来说,单个芯片的功耗可以达到300瓦以上,这样对于整个服务器来说,它的散热问题将是一个非常严峻而且有待解决的问题,而全浸没式的液冷技术则恰恰很好的解决了这个问题。

数据中心冷战:风冷未央 液冷已至3

另外,在前沿科学领域,例如大气或者是洋流的仿真研究,包括天体物理的数据处理,包括宇宙演化的模拟,全球气候变化的模拟等。在这些研究的过程当中伴随着大量的数据运算分析处理,包括图片的分析处理,所以在科研领域,在未来对芯片的性能要求会是非常高的。全浸没式的液冷技术能够很好的解决芯片的散热问题,同时提高芯片的性能。

科技是第一生产力,科学技术的发展推动着整个社会的发展,而机房冷却技术的发展将在很大程度上推动着数据中心的发展,浸没液冷技术作为一种高效,节能,安全的冷却技术,在将来必将成为越来越多的数据中心的选择。

 

 

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