高密度主机托管和企业数据中心的冷却系统考虑因素

当前，在计算机技术领域的最新进展以及高性能CPU和GPU的日益普及使得企业用户们能够在计算机分析方面达到新的高度，包括使用大数据分析、人工智能、高频交易、石油和天然气研究以及网络规模化商业模式。对于这些技术普及采用的快速增长已经超过了大多数主机托管和企业基础设施大规模冷却这些高度密集的服务器机架的能力。

虽然许多基础设施均承诺能够以每平方英尺一瓦特为基础，以便能够为高于标准服务器机架密度的计算机系统提供冷却的能力，但是许多基础设施(如果不是全部的话)均无法大规模地实现对于如此高密度的新的计算机系统的有效管理。故而主机托管和企业数据中心必须考虑这些新的计算机如何在数据中心环境中进行交互，了解可用于冷却这些密集服务器的各种解决方案，并构建可支持当前和未来使用的最新计算机机架的基础架构。

随着当前的IT企业组织对于高密度计算机使用的不断增加，运行这些先进系统的要求也在相应提升。推动更高效的数据中心是与数据中心建筑物的电源使用效率(PUE)密切相关的主题，而后者的定义计算公式为：(数据中心总设备能耗)/(IT设备的能耗)。对于高性能计算(HPC)集群和高密度计算机架而言，其每台机架的功率密度高达100 kW，有时甚至更高，每台机架的平均密度估计为35 kW。

故而当前的建筑物业主、主机托管设施、企业数据中心、Web规模化企业、政府机构、大学和国家级的研究实验室都在积极努力的升级其冷却基础设施，以便不仅能够为这些新的计算机系统所产生的热量提供冷却散热，并且与此同时还要尽可能的减少或消除它们对建筑的能源消耗量或PUE的影响。

当前在石油和天然气勘探研究、金融交易机构、网络营销等行业中对于“大数据分析”技术的快速采用进一步突显了对数据中心高效冷却的需求。这是因为世界上大多数的计算机服务器机房和数据中心都没有配备或准备好处理当前和下一代服务器计算机所产生的大量热负荷。如果我们假设由高密度计算机所消耗的功率都100%的转换为热能的话，那么也就很容易理解“为什么当下的企业数据中心必须要以有效且高效的方式去除这些热量”这一议题会成为业界广泛关注的焦点了。

研究高密度计算机系统的冷却解决方案

1、浸没式冷却方案

新的超高性能计算机芯片能够让HPC系统的设计人员们开发出每台机架可达100 kW的特殊集群，并且几乎可以超越目前所有可用的服务器冷却方法。浸没式冷却系统提供填充有特殊设计的非导电介电液体的槽，允许整个服务器浸没在液体中，而不会跨计算机电路产生电导的风险。这些高效系统可以消除高密度计算机系统产生的热量高达100%。一旦这些热量被转移到介电流体中，然后就可以通过热交换器，泵和闭环冷却系统很容易地移除了。

通常，传统的企业数据中心为了能够顺利部署采用新的浸没式冷却系统，都需要进行翻新。包括CRAC、高架地板和垂直服务器机架等传统的冷却设备都将被浸没式的液体槽和更新的闭环温水冷却系统所取代。这些液体槽水平安置在地板上，为IT人员提供了一大新的优势，但却是以占据了每平方英尺高成本的数据中心占地面积空间为代价的。服务器由其所有者或第三方通过移除可能受到电介质流体负面影响的组件被修改——例如硬盘驱动器和原始设备制造商(OEM)可能无法保证的其他组件。考虑到对于相关基础设施所实施的这些巨大改变将极大地限制企业未来的OEM服务器选项，并且仅限于具有专用浸入式冷却技术的服务器机房使用，故而企业数据中心应该专门考虑未来的服务器更新选项。

虽然浸入式冷却为世界上最极端的HPC系统提供了极高的效率，但这种HPC系统的普遍稀缺性及其所需的对于基础设施升级和维护方面的挑战是目前市场广泛对其普及接受的一大难题。

图一：浸没式冷却

2、直接到冷却芯片，片上冷却方案

最近，直接冷却到芯片或片上冷却技术在HPC行业取得了重大进展。小型散热器被直接连接到计算机的CPU和GPU，从而创建了高效的紧密耦合服务器散热。来自服务器的高达70%的散热将由直接到芯片的散热器收集，并通过小型的毛细管系统传输到冷却液分配单元(CDU)。然后，CDU将热量传递到单独的闭环冷却系统，以排出来自计算机房的热量。其热平衡使得30%或更多的热量被拒绝进入到现有的服务器房间冷却基础设施。

通常用于直接到芯片冷却的温水冷却系统一般被认为是不使用制冷设备的冷却系统，例如闭环干式冷却器(类似于大型散热器)和冷却塔，并且最近由美国供暖制冷与空调工程师协会(ASHRAE)进行了量化。以生产“W-3或W-4”水温或介乎2°C - 46°C(36°F-115°F)的水温。与典型的冷藏冷却系统相比，这些系统所消耗的能量显著减少，并为直接到芯片的冷却系统提供了足够的散热，因为它们可以在W3-W4范围内的冷却水供应温度下保持运行。

如果重新利用和恰当的使用能够有助于提高数据中心整体建筑的效率和PUE的话，直接芯片冷却解决方案也可用于回收低等级的水热。这种形式的热回收的优点会受到该建筑物的采暖、通风和空气调节(HVAC)系统功能的限制。HVAC建筑设计在世界各地是不同的。由于大多数建筑物中都普遍使用基于水的终端设备，因此欧洲的许多地方都可以从低等级的热回收中受益。相比之下，大多数北美地区的HVAC建筑设计使用具有电子再热终端盒的中央强制空气加热和冷却系统，故而很少使用从直接到芯片或片上冷却系统的低等级热回收。分配再生温水的可行性也应在使用建筑水力基础设施之前一起进行研究。

根据最近由欧内斯特·劳伦斯伯克利国家实验室所进行的一项名为“电子设备的直接液体冷却”的研究得出结论：在优化的实验室条件下，市场领先的直接芯片冷却系统所达到的最佳冷却性能为70%。这对于这样的系统留下了有趣且可能适得其反的结果，因为来自计算机系统的大量热量仍然必须禁止进入到周围的房间，然后必须通过诸如计算机房空调(CRAC)或计算机室空气处理器(CRAH)等更传统、效率更低的装置来冷却。(如下图二)。

为了更好地了解部署直接或片上冷却系统的新效果，必须将HPC集群视为整体建筑能耗的一部分，然后可以直接与建筑物PUE相连。考虑到具有直接芯片冷却功能的35 kW机架将至少拒绝10.5 kW(占30%)的热量散发到计算机房，平均一台HPC群集包括6台机架式计算机(不包括高密度存储阵列)，直接到芯片或片上冷却系统将在既定空间内排出至少60kW的热负荷。利用CRAC或CRAH排除这种余热的最常用方法会导致原始效率增益的显著下降。

（编辑：辽源站长网）

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