劉洪宇

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

酷暑難當?shù)臅r候,也許你喜歡坐在空調房里,盡享宜人的溫度;可是也還有這樣一些人,他們會選擇去游泳,依然可以神清氣爽。二者的共同點是,“夏天似乎也沒那么難捱!”人類當然可以這樣,機器呢?在數(shù)據中心,尤其是規(guī)模較大的數(shù)據中心,“水”漸漸開始發(fā)揮降溫作用,正在興起的水冷技術正成為空調冷卻的有益補充。機房里的硬件設備在風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,被認為是建設下一代數(shù)據中心的重要方向之一。

水冷技術復興

水冷談不上是新技術,在大型機上,水冷系統(tǒng)的應用歷史已經很長,Cray、IBM等廠商很早就采用了水冷技術,我國目前運行速度最快的國產超級計算機——曙光5000A也采用了水冷散熱系統(tǒng)。曙光5000通過使用水冷系統(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)據中心,起先并不需要部署這樣復雜的溫度調節(jié)系統(tǒng),依靠空調散熱已經可以勝任。技術發(fā)展帶了功率密度提高,尤其是刀片服務器在節(jié)省空間的同時,也帶來了“熱點”,水冷系統(tǒng)開始真正證明自己的價值。Sun技術總監(jiān)Jud Cooley預言,數(shù)據中心都會傾向于水冷技術。美國超級計算機應用軟件國家中心技術負責人Rob Pennington也持類似觀點,該中心計劃在2011年安裝完成千萬億次高性能計算機,規(guī)劃的關鍵之一就在于制冷系統(tǒng)采用水冷裝置。Rob Pennington認為,水冷技術也是這些年唯一能提供給美國超級計算機應用軟件國家中心在不久的將來所需的功率密度的可行性技術。

谷歌是數(shù)據中心水冷的典型例子,在美國俄勒岡州達勒斯市哥倫比亞河畔,谷歌建設了一座數(shù)據中心,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了一項名為“海上數(shù)據中心”的專利,計劃將數(shù)據中心部署在離岸邊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)據中心的計算機散熱。但并不是所有數(shù)據中心的運營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,谷歌的經驗似乎并不大容易復制。

把冷水送向機柜

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

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

在數(shù)據中心層面,一度放棄了水冷技術的IBM開始重新發(fā)掘水冷技術的應用,IBM推出的eServer Rear Door Heat eXchanger散熱產品,就是像服務器一樣直接插入機架的設備,通過系統(tǒng)內側充滿冷卻水的密封散熱管,在空調系統(tǒng)冷卻下降低整個機架所產生的熱量。Sun則是在其模塊化數(shù)據中心上首次采用了水冷設計,推出盒子式計算機機房,標準化服務器放置在“盒子”里,采用水冷設計有效減少數(shù)據中心排放的熱空氣的數(shù)量。

惠普也組建了一個冷卻設計團隊,數(shù)據中心水冷技術也是該小組的研究方向,并且從1999年就開始了。目前在市場上,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架?；萜战o出的數(shù)據是,采用這種水冷機架,用戶能節(jié)省大約30%的電能。

IBM還干脆將水冷技術應用在服務器上,這是Sun和惠普目前沒有涉足的領域。在其采用Power6處理器的System p5 575超級計算機上,IBM采用了水冷裝置。在System p5 575機柜中內置14個服務器水冷裝置,機柜中儲存了反復循環(huán)使用的大量純凈水,通過芯片頂部的小型銅板上放置的管道來抽水制冷,將水冷從外部設備引入到針對芯片的核心設備上來,極大程度地提高了散熱效率。不僅如此,水冷還可能更進一步,比如針對多核處理器和多路主板,水冷技術甚至還可以對主板上的四個插槽進行冷卻,這在過去主板插槽有限的情況下,并不能取得這么明顯的優(yōu)勢。

不僅能用來冷卻

國內已經有了數(shù)據中心水冷的先行者,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系統(tǒng)的主要散熱方式,該水冷系統(tǒng)采用封閉管道內循環(huán)流動的冷凍水作為空調散熱的媒介。世紀互聯(lián)建設的M5數(shù)據中心也采用了水冷式空調,預計水冷系統(tǒng)要比風冷空調的電源輸入總功率低33%,散熱效率更高。

推動綠色數(shù)據中心的英特爾,在自己的數(shù)據中心中也進行了水冷嘗試。這座數(shù)據中心位于以色列,地上建筑有6層,地下有5層,其中包括一個高密度風冷數(shù)據中心,滿負荷運轉時,其總功耗將高達 3.7 MW。這樣大規(guī)模的數(shù)據中心無疑將產生巨大熱量。英特爾IT部門通過水冷系統(tǒng)回收數(shù)據中心熱量,并利用這些熱量為建筑的其他部分供暖這一舉措,設計了一個節(jié)能系統(tǒng),為解決散熱,同時兼顧能源再利用找到了一個新途徑。

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

重復利用數(shù)據中心熱量,而不是通過冷卻塔直接排熱,就無需再配備鍋爐來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)境認證積分,還具備出色的經濟高效性。據預測,燃料消耗每年節(jié)省的資金約相當于1.7個月的投資回報。