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給IT設(shè)備“退燒”,人類想過這些招兒

點(diǎn)擊率:1701 發(fā)表時(shí)間:2020/12/22 10:05:57

 長期以來,如何低成本地給數(shù)據(jù)中心“降溫”一直是個(gè)讓人頭疼的問題。想要讓這些不停發(fā)熱的家伙“冷靜”下來并不容易,而微軟公司最近卻想出了一個(gè)“妙招”——在蘇格蘭的奧尼克海域成功完成了數(shù)據(jù)中心的水下部署,用“沉?!钡姆绞浇o它“退燒”。

  隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的迭代,數(shù)據(jù)中心逐漸向大規(guī)模、高密度方向發(fā)展。作為一種新型基礎(chǔ)設(shè)施,數(shù)據(jù)中心已成為支撐城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的中樞系統(tǒng)。

  所謂數(shù)據(jù)中心是指一類用于集中放置和管理各種IT設(shè)備及其配套設(shè)施的特殊建筑,利用相關(guān)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大規(guī)模存儲(chǔ)和運(yùn)算等功能。通俗來講,數(shù)據(jù)中心就是一個(gè)大型機(jī)房。其中的IT設(shè)備在運(yùn)行過程中就像一個(gè)個(gè)“火球”,不斷產(chǎn)生熱量?!叭绻@些設(shè)備溫度過高,芯片就不能穩(wěn)定工作,CPU之類的器件無法正常運(yùn)行,主板也可能會(huì)被燒壞?!背啥贾兴{(lán)信息技術(shù)公司總經(jīng)理代強(qiáng)在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說。因此,需要冷卻系統(tǒng)不斷吸收和消化掉“火球”產(chǎn)生的熱量。

  為了維持機(jī)房適宜的溫度,避免上千臺(tái)服務(wù)器因過熱而宕機(jī),科技公司往往要支付巨額的冷卻費(fèi)用。

  那么,除了“沉?!?,人類還用了哪些方式給“火球”降溫呢?

  方式1 空調(diào)冷卻

  耗能巨大且效率低,易導(dǎo)致冷卻不均

  目前,數(shù)據(jù)中心機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)多采用恒溫恒濕的空調(diào)設(shè)備。就像家里裝的空調(diào)一樣,在電力驅(qū)動(dòng)下空調(diào)的壓縮機(jī)做功輸送冷風(fēng),再通過冷熱通道送回風(fēng)的方式給機(jī)房降溫,同時(shí)保持室內(nèi)濕度的穩(wěn)定。

  空調(diào)產(chǎn)生的冷風(fēng)從架空的地板下吹出,進(jìn)入封閉的通道,機(jī)柜前端的設(shè)備吸入冷空氣。這些冷空氣與發(fā)熱器件接觸吸熱后會(huì)變成熱空氣,而后氣體再從機(jī)柜后端排至熱通道。最終,熱通道的氣體還會(huì)返回到空調(diào)回風(fēng)口。

  “這種冷卻方式耗能巨大而且效率很低,需要先冷卻空氣,再通過冷空氣對(duì)發(fā)熱電子元件進(jìn)行冷卻,不能很好地控制電子元件的溫度。同時(shí),電子元件表面積小,與空氣的接觸面積就小,加之器件表面與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)低,需要通過配置體積較大的散熱器來增加散熱表面積,以滿足電子元件正常工作時(shí)的散熱要求?!敝袊茖W(xué)院工程熱物理研究所研究員胡學(xué)功告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

  同時(shí),空調(diào)冷卻的方式也可能由于冷氣流分配不均而增加能耗。數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的機(jī)柜是一層一層的,假設(shè)冷風(fēng)剛從最底層吹進(jìn)來時(shí),溫度是20攝氏度,但到了中間層時(shí)溫度就可能升至25攝氏度甚至更高,這樣就會(huì)導(dǎo)致同一機(jī)柜的不同層級(jí)冷卻不均。為使最上層的溫度也能達(dá)到設(shè)備正常運(yùn)行所需的溫度要求,往往需要加大送風(fēng)量,這就會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的能耗激增。

  方式2 自然冷卻

  可節(jié)約成本,但對(duì)空氣質(zhì)量要求高

  為了降低冷卻系統(tǒng)的能耗,節(jié)約運(yùn)營成本,越來越多的公司選擇將數(shù)據(jù)中心建在人煙稀少的高寒地區(qū),希望利用自然環(huán)境中的冷空氣來降低冷卻成本。這種利用自然界的低溫冷源進(jìn)行冷卻的方式被稱為自然冷卻。微軟公司將數(shù)據(jù)中心沉入海底的做法就是利用自然冷源來降溫的一種方式。

  “這種冷卻方法可能導(dǎo)致室內(nèi)污染物濃度增加以及濕度發(fā)生變化,從而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。如果空氣中的灰塵較多,也可能會(huì)污染電子設(shè)備。因此這種方式對(duì)空氣質(zhì)量的要求較高,需要安裝專門的空氣凈化和除濕系統(tǒng)?,F(xiàn)實(shí)中,應(yīng)用這種冷卻方法的數(shù)據(jù)中心也不太多?!焙鷮W(xué)功說。

  方式3 液體冷卻

  用冷水帶走熱量,相變換熱方式更有效

  對(duì)于一些高功率的數(shù)據(jù)中心來說,一般的空氣冷卻方式已不能滿足其降溫要求,因而不少數(shù)據(jù)中心采用強(qiáng)制液冷技術(shù)進(jìn)行散熱?!皬?qiáng)制液冷技術(shù)是通過泵和管路將液體工質(zhì)輸送到機(jī)柜或機(jī)柜內(nèi)部發(fā)熱部件進(jìn)行熱交換的冷卻技術(shù),依靠液態(tài)工質(zhì)的循環(huán)或相變帶走熱量,能減少換熱設(shè)備的換熱面積并降低輸配系統(tǒng)的能耗?!焙鷮W(xué)功說。

  所謂工質(zhì)是指各種熱機(jī)中借以完成能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì),比如蒸汽輪機(jī)中的蒸汽、內(nèi)燃機(jī)中的燃?xì)?。液體冷卻技術(shù)根據(jù)循環(huán)工質(zhì)在換熱過程中是否發(fā)生相變,可分為單相冷卻技術(shù)和相變冷卻技術(shù)兩類。

  “現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心用單相液體冷卻的比較多,所用工質(zhì)主要是水,通過水泵來為整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)提供動(dòng)力。水在流經(jīng)CPU等發(fā)熱器件時(shí),會(huì)將熱量帶走。同時(shí),由于水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)比較高,換熱能力較強(qiáng)。相比氣體冷卻,單相液體冷卻的效率要高很多?!焙鷮W(xué)功說。

  在冷卻高性能計(jì)算機(jī)上有很好應(yīng)用前景的微槽群冷卻技術(shù)是一種高強(qiáng)度的相變冷卻技術(shù)。這種技術(shù)的單位面積換熱能力更強(qiáng),比較適合冷卻單位面積熱負(fù)荷較高的發(fā)熱器件?!霸谶M(jìn)行熱交換時(shí),液體工質(zhì)會(huì)在具有微尺度結(jié)構(gòu)的固體壁面上形成薄液膜,遇熱后會(huì)蒸發(fā)變?yōu)闅怏w。這是一種利用相變強(qiáng)化換熱機(jī)理進(jìn)行冷卻的方式,其帶走的熱量遠(yuǎn)高于未發(fā)生相變的方式帶走的熱量?!焙鷮W(xué)功說。

  例如,相同質(zhì)量的水經(jīng)過某一發(fā)熱器件時(shí),水溫會(huì)從20攝氏度升至50攝氏度,這時(shí)它帶走的熱量很有限。但是當(dāng)其發(fā)生相變,從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí),就可以利用水的汽化潛熱帶走更多熱量?!皬膯挝毁|(zhì)量所能帶走的熱量角度來看,相變換熱方式所能帶走的熱量是非常大的,這種冷卻方式的冷卻效率也就更高。


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