現(xiàn)代高密度數(shù)據(jù)中心高效供電和散熱的研究策略

羅伯特 ·麥克法蘭 / 申 ·米爾索姆 威克

數(shù)據(jù)中心在我們的日常生活中是必不可少的，但是，它卻是一個(gè)能耗大戶。為此我們希望數(shù)據(jù)中心也能做到節(jié)能環(huán)保。值得欣慰的是通過(guò)節(jié)能設(shè)計(jì)可以為計(jì)算機(jī)設(shè)備提供一個(gè)更好的環(huán)境，并能降低能源成本。盡管事實(shí)上數(shù)據(jù)中心仍然需要大量的電能，但這并非是在浪費(fèi)能源。采用專用的電源和制冷設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，但需要最先進(jìn)的技術(shù)。

功率密度的快速增長(zhǎng)使我們更加關(guān)注制冷技術(shù)

如果傳統(tǒng)的技術(shù)運(yùn)用得當(dāng)，每個(gè)機(jī)架的散熱大約耗能5kW。問(wèn)題是如今大多的機(jī)柜用電量均為15kW～40kW，也許很快會(huì)上升至60kW。設(shè)備的過(guò)熱顯然就成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，而傳統(tǒng)的空調(diào)也無(wú)法解決這種高密度的散熱難題。

將機(jī)房空調(diào)環(huán)繞房間的老式安裝方式已不能完全滿足需要，直角安裝機(jī)房空調(diào)會(huì)產(chǎn)生不均勻的氣流，使地板送風(fēng)系統(tǒng)形成氣流旋渦，從而增加了能耗卻降低了壓力和制冷效果。然而機(jī)房空調(diào)在市場(chǎng)上仍然具有一席之地。除非采用特別的方法來(lái)隔離和控制回風(fēng)，否則在安裝時(shí)就應(yīng)將機(jī)房空調(diào)與機(jī)架垂直、與熱管道平行。這似乎違反常規(guī)，但是在沒(méi)有找到能夠控制回風(fēng)的方法之前，這種安裝方式能夠最大程度地限制機(jī)房空調(diào)的回流冷風(fēng)。

當(dāng)前，市場(chǎng)上的新技術(shù)不勝枚舉，其中也有針對(duì)高密度設(shè)備的高計(jì)算性能進(jìn)行制冷的，這些技術(shù)的使用能夠有效地解決各種問(wèn)題。關(guān)鍵是要知道各種各樣的系統(tǒng)都是什么系統(tǒng)，以及在什么情況下去使用它們。無(wú)論制冷過(guò)程是在機(jī)房的地面上還是地板之下完成的，考量系統(tǒng)的能效有兩個(gè)基本原則：

1)使混合的冷空氣和熱空氣分開

2)使空調(diào)機(jī)的回風(fēng)溫度最佳化

混合的結(jié)果是較暖的空氣被傳輸?shù)椒?wù)器，而較冷的空氣返回到空調(diào)?？刂苹仫L(fēng)可避免氣流混合，從而使設(shè)備更有效地制冷，提高空調(diào)盤管的制冷能力?；仫L(fēng)通道使用高架管道，通過(guò)設(shè)置于天花板上的、包含熱風(fēng)或冷風(fēng)的壓力通風(fēng)通道，使氣流分離。

通過(guò)緊耦合冷卻或熱源冷卻可以實(shí)現(xiàn)制冷效率的最大化，這就意味著制冷裝置需安裝在計(jì)算機(jī)旁邊。這樣能大大降低將空氣排入地板或管道所需的風(fēng)扇能量，并將適量、適溫的空氣傳輸?shù)叫枰牡胤?，且在熱空氣擴(kuò)散之前將其回收。

緊耦合冷卻可以采用成排或高架的冷卻裝置、帶有后門預(yù)冷器或二者相結(jié)合的裝置完成。其中一些設(shè)備通過(guò)冷機(jī)組使冷凍水或冷卻水循環(huán)；也有一部分使用制冷劑進(jìn)行冷卻。如果配置得當(dāng)，這些都優(yōu)于傳統(tǒng)的冷卻方式。除了這些方法之外，就是直接在處理器上使冷卻劑循環(huán)或?qū)⒎?wù)器沉浸于冷卻液中。

數(shù)據(jù)中心不再有任何理由仍然按老的方式制冷。實(shí)際上如果按照ASHRAE TC 9.9出版的《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱準(zhǔn)則》進(jìn)行操作，就可以節(jié)省更多的能源。該準(zhǔn)則允許設(shè)備的入口溫度維持在27℃(80.6°F)，如有必要，在不明顯加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的前提下，在少許幾天內(nèi)甚至可以更高一些。

之所以限定在27℃，是因?yàn)楦哂诖藴囟蕊L(fēng)扇的轉(zhuǎn)速會(huì)大幅加快，從而導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)(風(fēng)扇速度加快1倍而所需的能量卻要增加8倍)。數(shù)以千計(jì)的服務(wù)器風(fēng)扇增加的功耗可以迅速抵消在較高溫度操作時(shí)節(jié)省的能量?，F(xiàn)如今將空氣輸送的溫度控制在75°F左右，比采用了數(shù)十年的55°F標(biāo)準(zhǔn)溫度要好得多。

這種較高溫度的運(yùn)行對(duì)于傳統(tǒng)和新型的計(jì)算機(jī)都適用。它使自然冷卻的時(shí)間更長(zhǎng)，采用室外的空氣代替機(jī)械制冷，通過(guò)水側(cè)節(jié)約裝置(通過(guò)空氣去除循環(huán)水中的熱量)，或空氣-空氣熱交換器(空氣自然冷卻)來(lái)散熱。

水在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的作用

幾乎所有的高密度系統(tǒng)在冷卻過(guò)程中都會(huì)用到水。水可以直接在機(jī)柜里或硬件中流動(dòng)，或在控制單元中循環(huán)，然后將制冷劑配送到冷卻裝置。水在散熱的效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了空氣。隨著溫度的持續(xù)上升，數(shù)據(jù)中心中液體的使用將變得更為普遍。雖然這種設(shè)計(jì)讓大多數(shù)IT人士感到很憂慮，但是只要管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)，安裝合理，有充分的泄漏檢測(cè)，該系統(tǒng)的可靠性還是很強(qiáng)的。實(shí)際上管道泄漏的概率很小。

對(duì)于多數(shù)的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，即便現(xiàn)在還沒(méi)有裝備需要使用水循環(huán)的設(shè)備，但很有可能最終都會(huì)用上。管道設(shè)計(jì)時(shí)，在重要位置設(shè)置一些額外的接頭，意味著該數(shù)據(jù)中心已為安裝后門冷卻器、水冷式機(jī)柜、直接冷卻服務(wù)器，或任何新出現(xiàn)的冷卻形式做好了準(zhǔn)備。

功率的消耗都伴隨著熱量的產(chǎn)生

雖然冷卻是節(jié)能最主要的部分，但數(shù)據(jù)中心中幾乎所有的熱量都是由功耗產(chǎn)生的，因此也必須考慮降低功耗。數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)基本都涉及到可靠性的問(wèn)題，盡管不再是必須的，但在大多數(shù)情況下，可靠性仍然比效率更為重要。因而，首要功率的問(wèn)題又回到了制冷的設(shè)計(jì)上。

發(fā)動(dòng)機(jī)消耗了大量的電能，特別是風(fēng)機(jī)、水泵及冷水機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)?？梢圆捎脙蓚€(gè)基本的解決方案：風(fēng)機(jī)、水泵和冷水機(jī)組電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)；另外可以采用電子換向(EC)的風(fēng)扇電機(jī)。變頻驅(qū)動(dòng)可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之與傳感器所測(cè)得的制冷需求相匹配，因此，當(dāng)制冷的需求減少時(shí)設(shè)備就不用全速運(yùn)行了。在正常情況下，通過(guò)采用變頻控制常常都可以使冗余系統(tǒng)的每個(gè)部分更低速地運(yùn)轉(zhuǎn)，這比原來(lái)只運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)、需要時(shí)才啟動(dòng)冗余系統(tǒng)的方式更節(jié)能。這種方法也可以確保冗余單元總是處于可運(yùn)行狀態(tài)，一旦主機(jī)出現(xiàn)故障，立即就能替代其投入運(yùn)行。EC電機(jī)(無(wú)刷直流電機(jī))由于它的節(jié)能設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)電機(jī)能節(jié)約高達(dá)30%以上的能耗。

一個(gè)超大的不間斷電源(UPS)是原先造成能源浪費(fèi)的主要根源，而如今大多數(shù)的UPS采用的是雙轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，這就意味著輸入的交流電源通過(guò)整流變成直流電，給電池充電，然后通過(guò)逆變器又轉(zhuǎn)換為交流電。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中每一步都會(huì)有一定的熱消耗，并在傳動(dòng)鏈中的每一次轉(zhuǎn)換會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生熱損失。

近年來(lái)，雖然UPS的設(shè)計(jì)更加高效，但是在滿負(fù)荷的情況下，即使最好的裝置也只能達(dá)到95%～97%，這就意味著有3%～5%的功耗被浪費(fèi)了(這相當(dāng)于一個(gè)1MW系統(tǒng)中的50kW或是1 200 kWh)。如果UPS在其容量范圍內(nèi)低功率運(yùn)行(30%的額定負(fù)載)，其效率會(huì)戲劇性地降到80%或更低的范圍內(nèi)。此問(wèn)題在冗余系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)更加嚴(yán)重，因?yàn)橐粋€(gè)“2N”裝置要求其另一半(UPS、PDU等)被加載時(shí)不能超過(guò)其容量的50%，才能保證在需要時(shí)能滿負(fù)荷工作。但是如果UPS系統(tǒng)一開始就過(guò)載工作(通常是由于較差的負(fù)載估計(jì)，或用來(lái)滿足理論上長(zhǎng)期未來(lái)的增長(zhǎng))，在實(shí)際使用過(guò)程中很容易(尤其是在一個(gè)冗余系統(tǒng))就會(huì)下降15%～20%，這會(huì)直接導(dǎo)致極低的效率并產(chǎn)生巨大的能量損失和浪費(fèi)。

為此，針對(duì)以上難題，提出兩個(gè)較好的解決方案：

1)采用容量合適的UPS系統(tǒng)以保證漸進(jìn)式增長(zhǎng)；

2)使用新的智能在線互動(dòng)式UPS，可使平均效率達(dá)到98%～99%。

也有一些系統(tǒng)采用高壓直流供電方式運(yùn)行，從而完全地避免雙重轉(zhuǎn)換。但是該方法在業(yè)內(nèi)還存在一些爭(zhēng)議。

不論采用哪種類型的UPS和配置方法，計(jì)算機(jī)硬件都將在更高的電壓下運(yùn)行。在208V，供電電源能更有效地運(yùn)行。此外，盡量使用較少的導(dǎo)體就意味著可以減少銅的用量。唯一的不足是對(duì)相位平衡提出了更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榇藭r(shí)每個(gè)負(fù)載都占用三相電源中兩相。若能結(jié)合良好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此問(wèn)題就能迎刃而解，從而取得更高效的運(yùn)行效果和實(shí)現(xiàn)UPS容量和效率的最大化。