金屬污染物“鋅晶須”對數(shù)據(jù)中心設備可靠性的影響與解決方案探索

李常春， 王新芳， 應露瑤

(1. 寧波緯誠科技股份有限公司，寧波 315000； 2. 中城建(北京)建筑設計有限公司，北京 100061)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的數(shù)字化轉型，數(shù)據(jù)的運算、存儲與傳輸已成為一種生產(chǎn)資料，而數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)的樞紐和應用載體，既是產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的關鍵基礎設施，也是數(shù)字經(jīng)濟的基石。2019年全世界共有180個10萬臺服務器規(guī)模的數(shù)據(jù)中心在建設，但遠遠滿足不了全球經(jīng)濟對數(shù)據(jù)中心的需求。在中國，隨著新基建政策落地，5G基建和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代來臨，數(shù)據(jù)中心市場總體規(guī)模將快速增長。

與此同時，數(shù)據(jù)中心一旦發(fā)生故障，帶來的損失將更加無法估量。艾默生網(wǎng)絡能源與Ponemon研究院合作發(fā)布的《2016年數(shù)據(jù)中心宕機成本》中表明，數(shù)據(jù)中心故障每分鐘為企業(yè)帶來損失近9 000美元。其中，意外宕機平均每分鐘總成本從2010年的5 617美元增加到2013年的7 908美元，再到2016年的8 851美元。數(shù)據(jù)中心宕機的成本在持續(xù)攀升，同時給各行各業(yè)帶來了巨大的損失，如圖1所示。

圖1 2016年各行業(yè)數(shù)據(jù)中心業(yè)務每中斷1小時損失統(tǒng)計表

因此,隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)的蓬勃發(fā)展，如何保障數(shù)據(jù)中心的運維安全，減少意外宕機事故也變得更為重要。近年來，數(shù)據(jù)中心使用的高性能計算機和刀片服務器等IT設備功耗的不斷提升，內(nèi)部電子附件封裝密度越來越高，都對硬件的可靠性造成了很多不利影響，使得IT電子設備更容易受到數(shù)據(jù)中心循環(huán)空氣中鋅晶須、粉塵、腐蝕性氣體等污染物的影響，發(fā)生故障的可能性隨之增加，進而導致意外宕機事故發(fā)生的概率大大提升。

本文著眼數(shù)據(jù)中心金屬顆粒污染物-鋅晶須，闡述其對數(shù)據(jù)中心設備可靠性的影響，并給出行之有效的解決方案，為行業(yè)提供有價值的參考，降低高昂的意外宕機成本。

1 數(shù)據(jù)中心的鋅晶須污染分析

1948年，貝爾實驗室首次發(fā)現(xiàn)鍍鋅支架上的鋅晶須會導致電話傳輸系統(tǒng)中使用的石英濾波器的損耗增加。之后的數(shù)十年內(nèi)，航天航空和通信領域發(fā)現(xiàn)的各種不明原因的電氣和電子設備故障漸漸引起人們的關注。2003年，美國航天局數(shù)據(jù)中心新安裝的大型存儲器在一個月內(nèi)發(fā)生了18起以上的災難性電源故障。隨后的調(diào)查認定故障原因是鋅晶須引發(fā)的電氣短路。經(jīng)過研究分析后，NASA的事故調(diào)研小組成員Jay Brusse等人發(fā)表文章介紹了該次事故的詳細調(diào)查過程，并指出鋅晶須引起的電路短路已經(jīng)是世界范圍內(nèi)造成損失慘重的計算機系統(tǒng)故障的主要原因之一。

鋅晶須是由鋅形成的導電細絲，通常直徑為1μm～5μm，遠小于人的頭發(fā)，肉眼幾乎不可見；少數(shù)情況下，長度會超過1cm。它們從經(jīng)過防腐蝕鍍鋅處理的金屬表面自發(fā)生長出來，生長速度約為每年250μm，主要的幾種形態(tài)為柱狀、彎折狀和結節(jié)狀。目前的研究成果表明鋅晶須是從底部生長而不是頂部生長的，雖然其生長機理尚未證實，但長期以來的主流觀點認為鍍層內(nèi)部的壓縮應力是鋅晶須生長的主要驅(qū)動力。

雖然鋅晶須的體積很小，但對于今天的微電路而言，它們已經(jīng)足以引發(fā)問題。數(shù)據(jù)表明，NTF(未發(fā)現(xiàn)故障)統(tǒng)計資料中可能由于鋅晶須污染導致的間歇性故障占比很高。這種污染已成為最容易引起電子和計算機設備故障的異常因素之一。

數(shù)據(jù)中心中的鋅晶須來源于常見的鍍鋅產(chǎn)品，例如電鍍鋅網(wǎng)格橋架、靜電地板底部的鍍鋅鋼板等。鋅晶須原本是附著在鋅層表面，當它受到干擾時就會脫落，比如數(shù)據(jù)中心進行維護時，拖動電纜就會使得鋅晶須從附著物的表面脫落，進入到空氣中。然后鋅晶須通過空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)流通從而遍布到整個數(shù)據(jù)中心，最后鉆入到設備中，橋接上間隔緊密的電導體，就會導致設備短路、電壓變化和其他信號干擾，造成系統(tǒng)宕機、數(shù)據(jù)丟失，更嚴重者還會引發(fā)電氣火災。

進入21世紀后，關于鋅晶須引發(fā)的數(shù)據(jù)中心故障的報道更加頻繁。一是因為更小型的電子元器件使電路板導體間距越來越小，鋅晶須更容易橋接導體；二是更低的電壓和電流不足以熔化鋅晶須，造成永久性短路；三是更頻繁的機房升級改建，使得鋅晶須斷裂從附著物上脫落。

2 鋅晶須污染解決方案的探索

隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)日益認識到鋅晶須污染引起的問題，各相關行業(yè)也開始致力于探索消除鋅晶須污染的解決方案。同時，數(shù)據(jù)中心不得含有鋅晶須也被寫入相關的行業(yè)指南和標準當中。來自美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會(ASHRAE)于2008年發(fā)布的數(shù)據(jù)中心環(huán)境設備指南對“建議的運行環(huán)境”進行了描述，描述如下。

(1)溫度：18℃(64.4℉)至27℃(80.6℉)。

(2)濕度：上限為60%的相對濕度或15℃(59℉)的露點濕度；下限為5.5℃(41.9℉)的露點濕度。

(3)氣體污染物：ANSI/ISA 71.04-1985的G1級嚴重等級規(guī)定，銅試樣的反應速率低于300C/月(η0.0039μg/cm2一小時的增量)。此外銀試樣的反應速率應低于300C/月(η0.0035μg/cm2一小時的增量)。應在機架進氣口側前端2英寸(5cm)，離地面1/4及3/4機架高度處或者空氣流速較高的地方進行氣體腐蝕性的反應監(jiān)測。

(4)顆粒污染物

1)數(shù)據(jù)中心必須達到ISO 14644-1 8級所規(guī)定的清潔等級。

對于沒有安裝空氣側節(jié)能裝置的數(shù)據(jù)中心，只需采用以下過濾方式，就能輕松地達到ISO 14644-1 8級清潔標準：Ⅰ.使用MERV 8過濾器不斷過濾室內(nèi)空氣；Ⅱ.使用MERV 11過濾器(MERV 13更佳)過濾進入數(shù)據(jù)中心的空氣。

對于配有空氣側節(jié)能裝置的數(shù)據(jù)中心，為達到ISO 8級清潔標準，應根據(jù)數(shù)據(jù)中心的特定情況來選擇過濾器。

2)顆粒污染物的潮解相對濕度不應大于60%RH。

3)數(shù)據(jù)中心內(nèi)不得含有鋅晶須。

目前數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈條中關于解決鋅晶須隱患的方案主要分為兩種。第一種屬于圍堵措施，針對含有鍍鋅部件的數(shù)據(jù)中心進行定期監(jiān)測。如果檢測到鋅晶須的存在，可請專業(yè)的清洗技術服務商對數(shù)據(jù)中心定期進行清洗。以美國Data Clean、 AMB Solution等為代表的清洗服務提供商便專門為數(shù)據(jù)中心提供清除鋅晶須的服務。

另一種方案則屬于預防措施，從根源上杜絕鋅晶須的存在，即在方案設計時就采用其他表面處理方式代替電鍍鋅。以數(shù)據(jù)中心電纜敷設中經(jīng)常使用到的電鍍鋅網(wǎng)格橋架為例，英國BEAMA協(xié)會2012年發(fā)布的橋架指南提出，為了杜絕鋅晶須，建議原材料采用不銹鋼、表面為有機涂層的碳鋼或者非金屬材料。許多國際知名的橋架制造商針對數(shù)據(jù)中心的鋅晶須隱患，也紛紛推出各自的解決方案。例如，ABB集團旗下的Thomas & Betts公司建議采用不銹鋼、熱浸鋅以及環(huán)氧樹脂涂層代替電鍍鋅；美國泛達公司提出預鍍鋅工藝不會產(chǎn)生對靈敏的電子設備造成損害的鋅晶須；美國Chatsworth Products公司提出采用預鍍鋅或者噴塑來代替電鍍鋅等。

以上兩種方案雖然為解決鋅晶須污染提供了不同的方向，但在實踐操作中也存在一定的缺點。 圍堵方案中，鋅晶須清除以后仍會繼續(xù)生長，定期、專業(yè)清洗服務成本高昂，性價比低。替代方案中，其他替代電鍍鋅的材質(zhì)存在表面處理方式、綜合性價比低等一系列問題。

例如，(1)采用不銹鋼替代方案，由于其材質(zhì)特性多用于食品加工行業(yè)或腐蝕性環(huán)境，若用于數(shù)據(jù)中心則建設成本過高，難以推廣。(2)采用熱浸鋅替代方案，雖然具有優(yōu)異的耐腐蝕性，但是表面殘留大量鋅瘤需要人工打磨，增加人工成本，并導致鋅層厚度不可控，帶來防腐隱患；另一方面熱浸鋅工藝對環(huán)境污染嚴重。(3)采用預鍍鋅替代方案，預鍍鋅為加工前鍍鋅，雖然價格低廉但自身耐腐蝕性差，再加上加工過程中的斷面、切口和焊點處無鍍層保護，容易產(chǎn)生銹蝕。(4)采用噴塑替代方案，沒有經(jīng)過電鍍直接噴塑，容易刮花，有防腐隱患。

3 一種環(huán)保無晶須的納米膜技術

目前在國內(nèi)，數(shù)據(jù)中心不應使用鋅晶須已被列入相關的行業(yè)規(guī)范中(參見表1)。但是一方面國內(nèi)缺乏為數(shù)據(jù)中心提供專業(yè)鋅晶須清除服務的清洗技術公司，另一方面上述替代電鍍鋅的方案由于其自身的各種不足，并不能很好地滿足數(shù)據(jù)中心建設中對于預防鋅晶須的要求。

來自中國通信行業(yè)協(xié)會于2019年發(fā)布的《金屬網(wǎng)格式電纜橋架規(guī)范》 表1

化學鍍鎳作為金屬表面防護性工藝的一種，因金屬鎳穩(wěn)定性好、硬度高，其鍍層具有良好的耐腐蝕性和耐磨性，且鍍層表面光滑美觀，工藝經(jīng)濟性相對較高，是替代電鍍鋅的優(yōu)選方案。一支基于硅谷資深科學家領導的研發(fā)團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了具有自主產(chǎn)權的環(huán)境友好型表面納米合金催化鍍膜技術。該技術利用化學氧化還原反應，將鎳離子還原沉積在基材表面，形成致密、均勻、高結合力的鎳合金納米膜。在金屬表面形成的鎳鍍層的生長機理為無晶體取向的層狀生長，鍍層致密且無晶須生長，是一種較為理想的解決鋅晶須給數(shù)據(jù)中心帶來的安全隱患的方案。

其次，該鎳鍍層有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性。電鍍鋅的薄膜硬度為120 HV左右；鍍鎳的薄膜硬度在500 HV左右，經(jīng)過400℃熱處理或共沉積SiC等納米顆?？梢猿^1 100 HV，達到硬鎘的硬度(>800 HV)水平。鍍鎳與電鍍鋅的硬度對比測試和不同表面處理的網(wǎng)格橋架鹽霧試驗時間詳見表2～3。

鍍鎳與電鍍鋅的硬度對比測試 表2

不同表面處理的網(wǎng)格橋架鹽霧試驗時間 表3

鍍鋅薄膜腐蝕后形成的氧化鋅白色粉體，黏附力弱、容易脫落，影響其他設備的穩(wěn)定性和清潔度。而鍍鎳層被腐蝕后形成的氧化鎳黏附力好，不容易脫落。

第三，環(huán)保無晶須納米膜技術可實現(xiàn)豐富的鎳層顏色，符合數(shù)據(jù)中心的色彩管理理念。

第四，環(huán)保無晶須納米膜的生產(chǎn)工藝采用無污染的食品級原料配制鍍液，廢液可以重復利用，達到近乎零排放的環(huán)保處理。

綜合對比分析后，鍍鎳橋架的優(yōu)勢突出，真正從安全防腐、環(huán)保、經(jīng)濟、美觀等各方面契合現(xiàn)代化數(shù)據(jù)中心環(huán)境建設的要求。不同材質(zhì)/表面處理的橋架性能對比詳見表4。

不同材質(zhì)/表面處理的橋架性能對比表 表4

4 結束語