現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展演變導(dǎo)致了其能源消耗需求的不斷增加，這反過來又需要更好的冷卻技術(shù)方案。而數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商們對(duì)于冷卻成本的控制也是至關(guān)重要的，故而他們需要選擇恰當(dāng)?shù)姆椒▉砥胶饫鋮s效率和冷卻支出。今天，騰科小編將為大家介紹關(guān)于現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的合理的關(guān)注點(diǎn)，指出潛在的解決方案，并推薦新的技術(shù)——液浸冷卻、行內(nèi)、機(jī)架內(nèi)空氣冷卻以及氣流建模和密封遏制。

當(dāng)前市場(chǎng)上已經(jīng)有了一系列新的冷卻技術(shù)和方案了，但是，無論是密封遏制、液體浸泡或絕熱，選擇一款適合您企業(yè)數(shù)據(jù)中心特定業(yè)務(wù)需求的冷卻技術(shù)解決方案才是最有必要的。

當(dāng)選擇冷卻技術(shù)解決方案時(shí)花時(shí)間進(jìn)行冷靜的思考

數(shù)據(jù)中心冷卻散熱可能不是會(huì)IT專業(yè)人員們廣泛的討論興趣的一個(gè)話題。但是，如果處理不當(dāng)?shù)脑挘淇赡茉斐沙杀敬鷥r(jià)昂貴的錯(cuò)誤。而如果不采取必要的預(yù)防措施或者如果太長(zhǎng)時(shí)間依賴過時(shí)的冷卻技術(shù)的話或?qū)⒃斐赡鷶?shù)據(jù)中心的服務(wù)器能耗的顯著增加。而由于能源需求的增加，能源使用量也相應(yīng)顯著增加，數(shù)據(jù)中心冷卻的重要性也在不斷提升。

選擇正確的冷卻技術(shù)和方案并非易事，并且其需要在申請(qǐng)相關(guān)的資金預(yù)算之前進(jìn)行徹底的審查和規(guī)劃。無論是對(duì)舊設(shè)備的翻新改造還是完全的升級(jí)，數(shù)據(jù)中心管理人員需要能夠隨著時(shí)間的推移看到投資回報(bào)率，但只有當(dāng)他們花時(shí)間來檢查所有潛在的備選方案時(shí)才能看到。

數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)代冷卻方法

冷卻的關(guān)鍵性，再加上當(dāng)今高密度的機(jī)柜所產(chǎn)生的高熱水平，已經(jīng)擴(kuò)展了傳統(tǒng)常規(guī)數(shù)據(jù)中心冷卻的限制。數(shù)據(jù)中心的冷卻可以并且應(yīng)該使用最新的技術(shù)和方案來得到增強(qiáng)。一些最新和最有效的技術(shù)方案是非常先進(jìn)的，而其他一些技術(shù)方案仍然存在其固有的缺陷。數(shù)據(jù)中心管理人員需要了解所有這些方法，以便他們可以為他們的數(shù)據(jù)中心選擇最佳的冷卻技術(shù)方案。

老的密封遏制的方法仍然有效

密封遏制(containment)的方法其實(shí)是熱通道/冷通道概念的延伸。機(jī)架行的兩端被門或塑料簾幕堵住以進(jìn)一步防止空氣混合。如果門封閉了熱通道，其被稱為熱通道密封。如果其包圍封閉了冷通道，那就是冷通道密封。如果只有熱通道或冷通道的端部被阻塞，那么部分的密封遏制。如果屏障安裝在過道上或從機(jī)柜頂部到天花板，這將構(gòu)成完全密封遏制。據(jù)稱，部分密封遏制的效率可達(dá)完全密封遏制效率的80%，這兩者都有助于提高新建和現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的制冷和能源效率。在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心操作空間，主要的關(guān)注問題是防火。完全密封遏制可以防止水份的分散蒸發(fā)或抑制氣體的流通，這是相當(dāng)危險(xiǎn)且非法的。解決這一問題有三種方案，在熱通道和冷通道中安裝噴淋頭或惰性氣體噴頭；可在探測(cè)到煙霧時(shí)降下豎立屏障或采用部分的密封遏制。每種類型的方案都各有其利弊。由于冷卻通常是除計(jì)算設(shè)備本身之外較大的電力資源消耗者，因此，數(shù)據(jù)中心操作運(yùn)營(yíng)人員應(yīng)考慮某種形式的密封遏制。

熱輪和絕熱冷卻提高效率的冷卻

熱輪(heat wheel)是大型的，緩慢旋轉(zhuǎn)的裝置，具有多個(gè)空氣室。一半的輪子在戶外，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)室外的冷空氣被輸送到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部。而內(nèi)部的熱空氣則被輸送到戶外。在其旋轉(zhuǎn)期間這些復(fù)雜的輪子作為熱交換器，并帶來少量的外部空氣。輪子轉(zhuǎn)動(dòng)所需的能量很小，并且其在大多數(shù)氣候條件下都是有效的。在所有的“免費(fèi)冷卻”形式中熱輪可能位列能效清單列表的頂部。

絕熱冷卻( Adiabatic cooling)是蒸發(fā)冷卻的一種奇特方式。將水從液體變?yōu)檎羝韵臒崃浚虼巳绻覀冊(cè)跍嘏⒏稍锏臍夂蛳略谑彝馔抑袊娝畷?huì)快速蒸發(fā)，然后冷卻。如果我們同時(shí)通過在室內(nèi)傳輸熱空氣，空氣將被冷卻。因此，絕熱冷卻是一種節(jié)能的散熱方式，并且在該過程中使用的水量通常小于冷卻塔所消耗的水量。

熱源冷卻系統(tǒng)

雖然它們?cè)谠S多方面有所不同，但是在熱源冷卻系統(tǒng)類別中的方法卻具有類似的功能。行級(jí)冷卻(In-Row Cooling，IRC)基本上將計(jì)算機(jī)房的空調(diào)(CRAC)從房間周邊移動(dòng)到了機(jī)柜行中。冷卻單元設(shè)計(jì)為類似于機(jī)柜，并且放置在機(jī)柜之間或機(jī)柜行的端部。在這里，他們將空氣直接輸送到機(jī)柜前面的冷通道。同樣重要的是IRC將從熱通道排出的空氣直接排入每個(gè)冷卻單元的后部，留下很少的熱空氣重新循環(huán)。即使存在開放路徑，例如在部分密封遏制設(shè)計(jì)中。由于空氣路徑短，與周邊單元相比，所需的風(fēng)扇功率低。一些IRC包括控制空氣流向的方法。所有這些都使用高效率的風(fēng)扇，具備變速控制以自動(dòng)匹配冷卻與熱釋放，從而最小化能源使用。最常見的控制方法依賴于連接到柜門前端的傳感器來監(jiān)測(cè)入口的空氣溫度和濕度。IRC可用于冷凍水，壓縮機(jī)和基于制冷劑的系統(tǒng)。一些可以提供濕度控制，這意味著它們還需要冷凝排水管連接，而其他則只能提供等濕冷卻(sensible cooling)。IRC的較大缺點(diǎn)是它們占用的機(jī)柜位置，從12到30英寸的寬度不等。 雖然通過消除了對(duì)于大的周邊所需的CRAC的使用通常抵消了占地面積的要求，但是行內(nèi)單元破壞了機(jī)柜行的連續(xù)性，這在一些安裝中是非常重要的。機(jī)柜冷卻裝置上方是基于制冷劑的，這吸引了在其數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的水管有偏執(zhí)偏好的數(shù)據(jù)中心管理人員們。但是制冷劑系統(tǒng)也接近能源效率的規(guī)模頂端，并且不會(huì)吞噬地板空間，因?yàn)樗鼈兓蛘咧苯游挥跈C(jī)柜之上或在機(jī)柜行之間的冷通道中。它們最常用來補(bǔ)充傳統(tǒng)的CRAC，以便直接向高密度機(jī)柜提供額外的冷卻。由于這些單元僅提供等濕冷卻，因此CRAC仍然需要控制濕度，并冷卻低密度機(jī)柜。機(jī)柜上方機(jī)組需要占用空間，并且在設(shè)計(jì)過程中與其他架空基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行精心的協(xié)調(diào)。

后門熱交換器(RDHxs)取代了傳統(tǒng)的機(jī)柜上的穿孔后門。從計(jì)算設(shè)備排出的熱量通過門中的線圈，在其逸出之前用冷的循環(huán)水進(jìn)行中和。這意味著入口和出口的溫度是相同的。RDHx冷卻器的一大優(yōu)勢(shì)是其能夠與溫水一起使用。傳統(tǒng)的建筑物冷卻系統(tǒng)使用45華氏度的水，但是，在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心建筑中55至60華氏度的溫度變得越來越普遍。與大多數(shù)冷卻單元不同，RDHx在高溫下仍然表現(xiàn)良好。被動(dòng)的RDHxs被設(shè)計(jì)為通過門線圈低壓降，排名能源效率規(guī)模的認(rèn)可度高位置。

RDHx單元還可以附加到幾乎任何規(guī)模尺寸的機(jī)柜或使用適配器框架制造的設(shè)備。它們的主要缺點(diǎn)是將機(jī)柜深度增加了大約6英寸，每個(gè)機(jī)柜需要水管和閥門以及連接軟管所需的清除空間，因此門可以打開。當(dāng)軟管與地板桁條相沖突時(shí)，這在活動(dòng)地板設(shè)計(jì)中是具有挑戰(zhàn)性的。請(qǐng)記住，RDHx的安裝從不完全受控制，因?yàn)樗鼈円揽恐匦卵h(huán)來運(yùn)行。因此，在主要使用RDHx冷卻的冗余設(shè)計(jì)中是固有的。

自冷柜可以可以在很大程度上幫助解決這一問題，特別是當(dāng)需要幾個(gè)高密度柜，而實(shí)施重大的冷卻升級(jí)又不現(xiàn)實(shí)的時(shí)候。機(jī)柜是完全封閉的，內(nèi)置冷卻，使設(shè)備熱量在機(jī)柜內(nèi)冷卻，并重新循環(huán)到設(shè)備進(jìn)水口。這些機(jī)柜可以使用冷凍水或制冷劑連接;他們甚至可能包含自己的冷卻壓縮機(jī)，就像一臺(tái)大冰箱。

這些機(jī)柜較大的問題是冷卻故障。有具備冗余、“熱插拔”冷卻組件的機(jī)柜，但最常見的方法是自動(dòng)門釋放，在發(fā)生冷卻故障的情況下打開后門。這意味著設(shè)備受到機(jī)房中的冷卻條件的影響，可能不足以持續(xù)幾分鐘。自冷卻裝置通常比其他機(jī)柜大，并且價(jià)格相當(dāng)昂貴。然而，它們的成本要比實(shí)施重大的冷卻升級(jí)的成本低。

浸沒冷卻是一種新的、有趣的技術(shù)。服務(wù)器完全浸沒在不導(dǎo)電的冷卻劑中，例如純礦物油或3M研制的Novec冷卻液中，其包圍組件并散熱。固態(tài)驅(qū)動(dòng)器是首選，但是如果它們被密封或懸掛在油位之上，則可以使用傳統(tǒng)的常規(guī)驅(qū)動(dòng)器。這消除了10%到20%的服務(wù)器能源使用以及最易發(fā)生故障的元件。

液體的熱慣性可以在發(fā)生電源故障的情況下將服務(wù)器保持在溫度公差范圍內(nèi)，根本不需要冷卻功率。一款系統(tǒng)可以維持25千瓦半小時(shí)的時(shí)長(zhǎng)。系統(tǒng)可以打造100 kW或更大的容量，可以在任何氣候條件下運(yùn)行，無需冷卻設(shè)備。在至少一款這樣的系統(tǒng)中，唯一的移動(dòng)部件是循環(huán)泵，冷凝器水泵和冷卻塔風(fēng)扇。

標(biāo)準(zhǔn)的為提供舒適度的建筑冷卻方案是為滿足在機(jī)房?jī)?nèi)工作的人員的需要所提供的。其結(jié)果是極端的能源效率(能源效率低至一款良好的風(fēng)冷設(shè)計(jì)的50%)，并且潛在地降低了總成本，因?yàn)橄藢?duì)于操作環(huán)境涼爽的工廠的需要。一款有42臺(tái)機(jī)架承載了約300加侖的油或冷卻液，重量在2500磅和3000磅之間，但分配的重量超過了約12平方英尺，這導(dǎo)致其比今天許多的機(jī)架較低的地板負(fù)載。

直接的液體冷卻也可以被稱為“一切舊貌換新顏”。液體冷卻再次出現(xiàn)在高性能計(jì)算環(huán)境中，根據(jù)一些業(yè)內(nèi)專家的預(yù)測(cè)，隨著企業(yè)服務(wù)器及其處理器變得越來越普及，而且更小更強(qiáng)大，液體冷卻將成為司空見慣的事，甚至是必要的。

這些系統(tǒng)要么循環(huán)冷卻水要么循環(huán)制冷劑，通過服務(wù)器以經(jīng)由特殊散熱器直接從處理器去除熱量。這實(shí)質(zhì)上是筆記本電腦多年來一直所使用的冷卻方法，采用內(nèi)部閉環(huán)液體冷卻系統(tǒng)，其將處理器熱量移動(dòng)到筆記本電腦外殼的邊緣，然后借助風(fēng)扇排出散熱。用于服務(wù)器的直接液體冷卻將液體循環(huán)到每個(gè)機(jī)柜中的第二液體——熱交換器，或者有時(shí)甚至一直返回到中央冷卻系統(tǒng)。

這種技術(shù)較大的問題是潛在的泄漏和對(duì)管道連接以及所有電源和電纜的必要管理。制造商盡較大努力避免泄漏，借助使用液體管線以盡可能減少的連接點(diǎn)。

是時(shí)候采用密集的服務(wù)器機(jī)架設(shè)計(jì)了

數(shù)據(jù)中心密度曾經(jīng)是一個(gè)具有啟示性話題，這可能是為什么許多IT企業(yè)組織仍然處于4到6 kW機(jī)架密度的原因所在了。但是電源和熱管理已經(jīng)為在大于10 kW服務(wù)器機(jī)架設(shè)計(jì)中的正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備了。

猛漲的處理器內(nèi)核和機(jī)箱刀片服務(wù)器設(shè)計(jì)使計(jì)算機(jī)機(jī)房空調(diào)(CRAC)和電源成本變得失控似乎是不可避免的。但是，更高的密度并不會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)師的擔(dān)心而扼殺服務(wù)器。虛擬化，節(jié)能硬件，積極的冷卻遏制和可接受的更高的操作溫度聯(lián)合起來，以防止熱耗盡陷入困境。

冷卻散熱的問題有多大?

并非每項(xiàng)工作負(fù)載使用一臺(tái)服務(wù)器，而是使用虛擬化技術(shù)適度的對(duì)服務(wù)器部署虛擬機(jī)管理程序，以支持10項(xiàng)、20項(xiàng)甚至更多的工作負(fù)載。設(shè)備必須將服務(wù)器壓縮到每個(gè)開放的機(jī)架空間中，以匹配由虛擬化支持的工作負(fù)載容量。同時(shí)，芯片在晶體管水平和更低的時(shí)鐘速度下變得更加密集，因此在設(shè)備更新中螺旋式增加處理器核心的數(shù)量幾乎不改變機(jī)架的總體能量消耗。

在數(shù)據(jù)中心中使用較少的機(jī)架，更少的利用服務(wù)器已經(jīng)改變了散熱的方法。無需冷卻整個(gè)數(shù)據(jù)中心，使用空氣處理策略，如熱/冷通道，以節(jié)省流經(jīng)操作空間的空氣流，操作運(yùn)營(yíng)人員部署密封遏制策略，并將運(yùn)營(yíng)操作區(qū)域縮小到一個(gè)更小的房間，甚至在幾臺(tái)機(jī)架內(nèi)。在機(jī)架行或機(jī)架冷卻系統(tǒng)處理這些機(jī)架，切斷CRAC。

此外，美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)這樣的組織提出，將服務(wù)器入口溫度提高到80甚至90華氏度。由于能源管理的這些進(jìn)步，出現(xiàn)熱點(diǎn)和冷卻效率低下是不大可能的。然而，不良的規(guī)劃或復(fù)古設(shè)計(jì)將限制設(shè)施的效率增益。

熱點(diǎn)和其他冷卻問題

意外的障礙物或空氣路徑通道中的意外間隙會(huì)產(chǎn)生多余的熱量。例如，忽略服務(wù)器機(jī)架的擋板使冷卻的空氣流入機(jī)架中的意外位置，削弱其對(duì)其他服務(wù)器的影響，并增加出口溫度。

服務(wù)器功率的顯著增加也導(dǎo)致冷卻問題。例如，用刀片系統(tǒng)替換幾個(gè)白盒1U服務(wù)器大大增加了機(jī)架的功耗，并且不足的空氣流量可能阻礙全套刀片模塊的冷卻。如果冷卻方案不是專門為這種服務(wù)器而設(shè)計(jì)的，通常會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)。

當(dāng)企業(yè)提高服務(wù)器機(jī)架密度時(shí)請(qǐng)考慮數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)管理和其他系統(tǒng)管理工具，這些工具用于收集和報(bào)告每臺(tái)服務(wù)器和機(jī)架中的熱傳感器所提供的溫度數(shù)據(jù)。這些工具能夠識(shí)別違反熱限制，并采取必要的措施，從警告技術(shù)人員自動(dòng)調(diào)用工作負(fù)載遷移到關(guān)閉系統(tǒng)，以防止過早的故障失效。

當(dāng)服務(wù)器機(jī)架設(shè)計(jì)產(chǎn)生熱點(diǎn)時(shí)，IT團(tuán)隊(duì)可以重新分配硬件設(shè)備。不是填充單臺(tái)機(jī)架，而是如果有可用空間的話，將多達(dá)一半的設(shè)備移動(dòng)到第二臺(tái)機(jī)架，或者移走過熱的系統(tǒng)。

如果空間不能進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，則添加點(diǎn)冷卻裝置，例如用于數(shù)據(jù)中心使用的便攜式自包含空調(diào)。如果機(jī)架使用行內(nèi)或機(jī)架內(nèi)冷卻單元緊密排列，則降低設(shè)定點(diǎn)溫度可能更有效，而不是打開保護(hù)遏制屏障以添加點(diǎn)冷卻裝置。

長(zhǎng)期的緩解措施

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，更具破壞性的技術(shù)可以幫助進(jìn)行熱管理。

水冷機(jī)架通過機(jī)柜門或其他空氣通道傳送冷凍水。水冷式服務(wù)器機(jī)架解決了廣泛的加熱問題，特別是當(dāng)空氣溫度較低，或更高的空氣流動(dòng)速率單獨(dú)不奏效時(shí)。

浸入式冷卻將服務(wù)器浸入冷卻的不導(dǎo)電、非腐蝕性材料(如礦物油)中。這種技術(shù)帶來更高的冷卻效率，幾乎沒有噪聲，在功率損耗的情況下進(jìn)行長(zhǎng)期的熱穿越。

然而，這些熱點(diǎn)選項(xiàng)更適合于最近新建的數(shù)據(jù)中心，而不是普通的技術(shù)更新。