劉洪宇

數(shù)據(jù)中心,這個(gè)方方正正的發(fā)熱體如何才能涼下來(lái)?是再多加幾部大功率空調(diào),還是干脆把數(shù)據(jù)中心遷去西伯利亞?你不妨試試水冷,這項(xiàng)曾一度衰落的技術(shù)出現(xiàn)了復(fù)興生機(jī),在推動(dòng)者與實(shí)踐者的名單當(dāng)中,IBM、惠普、Intel等赫然在目。

酷暑難當(dāng)?shù)臅r(shí)候,也許你喜歡坐在空調(diào)房里,盡享宜人的溫度;可是也還有這樣一些人,他們會(huì)選擇去游泳,依然可以神清氣爽。二者的共同點(diǎn)是,“夏天似乎也沒那么難捱!”人類當(dāng)然可以這樣,機(jī)器呢?在數(shù)據(jù)中心,尤其是規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心,“水”漸漸開始發(fā)揮降溫作用,正在興起的水冷技術(shù)正成為空調(diào)冷卻的有益補(bǔ)充。機(jī)房里的硬件設(shè)備在風(fēng)冷與水冷的雙重作用下散熱。在自然屬性上就比空氣制冷更有效的水冷技術(shù),被認(rèn)為是建設(shè)下一代數(shù)據(jù)中心的重要方向之一。

水冷技術(shù)復(fù)興

水冷談不上是新技術(shù),在大型機(jī)上,水冷系統(tǒng)的應(yīng)用歷史已經(jīng)很長(zhǎng),Cray、IBM等廠商很早就采用了水冷技術(shù),我國(guó)目前運(yùn)行速度最快的國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)——曙光5000A也采用了水冷散熱系統(tǒng)。曙光5000通過(guò)使用水冷系統(tǒng),用密布著的注有蒸餾水或其他液體的小管道循環(huán)散熱。

但在數(shù)據(jù)中心,起先并不需要部署這樣復(fù)雜的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng),依靠空調(diào)散熱已經(jīng)可以勝任。技術(shù)發(fā)展帶了功率密度提高,尤其是刀片服務(wù)器在節(jié)省空間的同時(shí),也帶來(lái)了“熱點(diǎn)”,水冷系統(tǒng)開始真正證明自己的價(jià)值。Sun技術(shù)總監(jiān)Jud Cooley預(yù)言,數(shù)據(jù)中心都會(huì)傾向于水冷技術(shù)。美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件國(guó)家中心技術(shù)負(fù)責(zé)人Rob Pennington也持類似觀點(diǎn),該中心計(jì)劃在2011年安裝完成千萬(wàn)億次高性能計(jì)算機(jī),規(guī)劃的關(guān)鍵之一就在于制冷系統(tǒng)采用水冷裝置。Rob Pennington認(rèn)為,水冷技術(shù)也是這些年唯一能提供給美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件國(guó)家中心在不久的將來(lái)所需的功率密度的可行性技術(shù)。

谷歌是數(shù)據(jù)中心水冷的典型例子,在美國(guó)俄勒岡州達(dá)勒斯市哥倫比亞河畔,谷歌建設(shè)了一座數(shù)據(jù)中心,水壩旁高聳著大型冷卻塔;不僅如此,嘗到甜頭的谷歌前不久還申請(qǐng)了一項(xiàng)名為“海上數(shù)據(jù)中心”的專利,計(jì)劃將數(shù)據(jù)中心部署在離岸邊3～7海里的海域,其初衷就是考慮到電力和冷卻,尤其是大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)散熱。但并不是所有數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)者都能像谷歌一樣有靈活選址的可能,受延遲、規(guī)模等諸多因素的限制,谷歌的經(jīng)驗(yàn)似乎并不大容易復(fù)制。

把冷水送向機(jī)柜

其實(shí),數(shù)據(jù)中心水冷也可以分不同層面來(lái)完成,不同的數(shù)據(jù)中心可以視實(shí)際情況,考慮是否采用水冷,采用哪種方式的水冷。一種衡量方法是,如果建設(shè)的數(shù)據(jù)中心密度非常高,而且使用的是發(fā)熱量較高的刀片服務(wù)器或1U服務(wù)器,容易在機(jī)房中形成熱點(diǎn),就有必要做更為精確的制冷和散熱,這時(shí)考慮采用水冷技術(shù)比較合適;而數(shù)據(jù)規(guī)模并不大,且使用的多數(shù)是2U或4U服務(wù)器,就沒有必要選擇水冷散熱,畢竟相比風(fēng)冷形式,水冷技術(shù)的初期成本要更高些。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推定,3000~5000平方米以上機(jī)房用水冷技術(shù)比較合算。

從具體的技術(shù)層面上看,最具推廣前景的是水冷與風(fēng)冷的混合,其制冷效果超過(guò)單純使用風(fēng)冷或水冷的方式,而且也不需要對(duì)已有的系統(tǒng)架構(gòu)做出重大改變。越是接近熱源,散熱效果就越好,將制冷方式從房間級(jí)制冷轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)柜級(jí)別制冷,最后到芯片級(jí)制冷,這正是機(jī)房制冷的發(fā)展趨勢(shì)。目前,水冷技術(shù)的關(guān)鍵在于機(jī)柜制冷。冷卻劑在機(jī)柜內(nèi)的封閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng),帶走熱量后,被傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)冷卻或者借助外界自然條件冷卻,比如位于美國(guó)羅德島的布萊恩特大學(xué)就借助冰雪天氣來(lái)為其數(shù)據(jù)中心配備的一套循環(huán)制冷系統(tǒng)降溫。

在數(shù)據(jù)中心層面,一度放棄了水冷技術(shù)的IBM開始重新發(fā)掘水冷技術(shù)的應(yīng)用,IBM推出的eServer Rear Door Heat eXchanger散熱產(chǎn)品,就是像服務(wù)器一樣直接插入機(jī)架的設(shè)備,通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)側(cè)充滿冷卻水的密封散熱管,在空調(diào)系統(tǒng)冷卻下降低整個(gè)機(jī)架所產(chǎn)生的熱量。Sun則是在其模塊化數(shù)據(jù)中心上首次采用了水冷設(shè)計(jì),推出盒子式計(jì)算機(jī)機(jī)房,標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)器放置在“盒子”里,采用水冷設(shè)計(jì)有效減少數(shù)據(jù)中心排放的熱空氣的數(shù)量。

惠普也組建了一個(gè)冷卻設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),數(shù)據(jù)中心水冷技術(shù)也是該小組的研究方向,并且從1999年就開始了。目前在市場(chǎng)上,我們可以看到惠普推出的水冷系統(tǒng),這種模塊冷卻系統(tǒng)是從三種途徑取水的水冷機(jī)架?；萜战o出的數(shù)據(jù)是,采用這種水冷機(jī)架,用戶能節(jié)省大約30%的電能。

IBM還干脆將水冷技術(shù)應(yīng)用在服務(wù)器上,這是Sun和惠普目前沒有涉足的領(lǐng)域。在其采用Power6處理器的System p5 575超級(jí)計(jì)算機(jī)上,IBM采用了水冷裝置。在System p5 575機(jī)柜中內(nèi)置14個(gè)服務(wù)器水冷裝置,機(jī)柜中儲(chǔ)存了反復(fù)循環(huán)使用的大量純凈水,通過(guò)芯片頂部的小型銅板上放置的管道來(lái)抽水制冷,將水冷從外部設(shè)備引入到針對(duì)芯片的核心設(shè)備上來(lái),極大程度地提高了散熱效率。不僅如此,水冷還可能更進(jìn)一步,比如針對(duì)多核處理器和多路主板,水冷技術(shù)甚至還可以對(duì)主板上的四個(gè)插槽進(jìn)行冷卻,這在過(guò)去主板插槽有限的情況下,并不能取得這么明顯的優(yōu)勢(shì)。

不僅能用來(lái)冷卻

國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了數(shù)據(jù)中心水冷的先行者,比如北京天文館數(shù)字工作室的渲染系統(tǒng)就采用水冷作為整個(gè)系統(tǒng)的主要散熱方式,該水冷系統(tǒng)采用封閉管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的冷凍水作為空調(diào)散熱的媒介。世紀(jì)互聯(lián)建設(shè)的M5數(shù)據(jù)中心也采用了水冷式空調(diào),預(yù)計(jì)水冷系統(tǒng)要比風(fēng)冷空調(diào)的電源輸入總功率低33%,散熱效率更高。

推動(dòng)綠色數(shù)據(jù)中心的英特爾,在自己的數(shù)據(jù)中心中也進(jìn)行了水冷嘗試。這座數(shù)據(jù)中心位于以色列,地上建筑有6層,地下有5層,其中包括一個(gè)高密度風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心,滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其總功耗將高達(dá) 3.7 MW。這樣大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心無(wú)疑將產(chǎn)生巨大熱量。英特爾IT部門通過(guò)水冷系統(tǒng)回收數(shù)據(jù)中心熱量,并利用這些熱量為建筑的其他部分供暖這一舉措,設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)能系統(tǒng),為解決散熱,同時(shí)兼顧能源再利用找到了一個(gè)新途徑。

普通水冷式制冷冷卻器通過(guò)冷卻塔將冷凝器水的熱量釋放到大氣中,而英特爾設(shè)計(jì)的新式制冷系統(tǒng)采用熱量回收(HR)冷卻器來(lái)獲取數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和其它設(shè)備產(chǎn)生的熱量。該解決方案使熱量回收冷卻器成為整個(gè)建筑冷卻系統(tǒng)的一部分,HR冷卻器冷卻數(shù)據(jù)中心設(shè)備并回收其產(chǎn)生的熱量。冬天,這些熱量可以用來(lái)為建筑的其他部分供暖,并全年提供洗澡和做飯用熱水。

重復(fù)利用數(shù)據(jù)中心熱量,而不是通過(guò)冷卻塔直接排熱,就無(wú)需再配備鍋爐來(lái)為建筑的其他部分供暖。這種節(jié)能方案不僅可以幫助企業(yè)累積環(huán)境認(rèn)證積分,還具備出色的經(jīng)濟(jì)高效性。據(jù)預(yù)測(cè),燃料消耗每年節(jié)省的資金約相當(dāng)于1.7個(gè)月的投資回報(bào)。