摘要：關(guān)于數(shù)據(jù)中心業(yè)界偏向于優(yōu)選采用流體的方式進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的散熱的討論的歷史其實(shí)并不太長(zhǎng)。

關(guān)于數(shù)據(jù)中心業(yè)界偏向于優(yōu)選采用流體的方式進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的散熱的討論的歷史其實(shí)并不太長(zhǎng)。幾十年來(lái)，整個(gè)數(shù)據(jù)中心業(yè)界基本上已經(jīng)形成了“數(shù)據(jù)中心沒(méi)有水”的這一理念，而隨后幾年的理念則是“液體是唯一的選擇”的理念。而在本文中，我們旨在拋磚引玉的提出關(guān)于數(shù)據(jù)中心在權(quán)衡液體冷卻與空氣冷卻時(shí)各自需要考慮的相關(guān)因素，并想要提醒廣大讀者諸君引起注意的是：空氣冷卻和液體冷卻比您所相信的其它競(jìng)爭(zhēng)性的技術(shù)都更有效。

當(dāng)數(shù)據(jù)中心的管理人員們被訪問(wèn)到他們最想要數(shù)據(jù)中心進(jìn)行哪些方面的改進(jìn)，相信我們絕大多數(shù)人在看到：排名最靠前的前兩大選項(xiàng)分別是更高的能源效率和更好的冷卻/ HVAC系統(tǒng)，可能并不會(huì)感到驚訝。然而，當(dāng)要求同樣的受訪者們確定數(shù)據(jù)中心最有前途的新技術(shù)時(shí)，我們可能會(huì)驚訝的看到：液體冷卻與DCIM一起成為了他們的首選。有趣的是，今天只有極少數(shù)的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)了對(duì)于其空氣冷卻方式的全部能力的充分利用，由此使得空氣冷卻所帶來(lái)的效果可能顯然變得不那么明顯，而液體冷卻的擁護(hù)者們則可以宣稱該方法帶來(lái)了數(shù)據(jù)中心機(jī)架密度十倍的增加，甚至能夠使得冷卻操作的成本的降低了75-90%。

雖然與一般的空氣冷卻方案部署相比，特別是與大多數(shù)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心空間空氣冷卻方案相比，液體冷卻方案的這些優(yōu)點(diǎn)確實(shí)存在;但是當(dāng)其與更充分地利用了數(shù)據(jù)中心業(yè)界最佳實(shí)踐方案的數(shù)據(jù)中心空氣冷卻方案相比，這些效率和密度方面的差距就顯得很小了。然而，液體冷卻當(dāng)然也存在其它方面的益處，極其在機(jī)架密度和效率方面所帶來(lái)的能力，也就使得液體冷卻對(duì)于某些應(yīng)用程序而言特別有吸引力。

液體冷卻的優(yōu)勢(shì)

自從大約10-12年前開(kāi)始，具備支持極高密度的數(shù)據(jù)中心機(jī)架能力已然成為液體冷卻方案的一大差異化亮點(diǎn)，而這是在8kW被固定為數(shù)據(jù)中心空氣冷卻方案所普遍接受的最大機(jī)架閾值，并作為科學(xué)的氣流管理成熟之前。在那時(shí)，液體冷卻方案其實(shí)甚至不是真正的液體冷卻，其在今天被更精確地定義為緊密耦合的冷卻——基于機(jī)架行的冷卻和機(jī)架頂部的冷卻解決方案。由于更完整的氣流管理技術(shù)為每臺(tái)機(jī)架提供了20kW的路徑，甚至高達(dá)每機(jī)架接近30kW，因此液體冷卻的密度優(yōu)勢(shì)下降了一點(diǎn)。而最近的消息顯示，英特爾公司已經(jīng)運(yùn)行一出每平方英尺1100瓦的空氣冷卻高密度數(shù)據(jù)中心幾年了，其機(jī)架密度高達(dá)43kW。這是否意味著液體冷卻已經(jīng)沒(méi)有密度優(yōu)勢(shì)了呢?并不盡然。首先，英特爾需要配置特殊的服務(wù)器和機(jī)架，以允許他們將43kW的計(jì)算打包到一款60U高度的機(jī)架中，以減少的占地面積，并在一個(gè)具有足夠高的天花板的舊芯片制造廠中建立數(shù)據(jù)中心，以適應(yīng)大規(guī)模的配置供應(yīng)并排出大量熱空氣。其次，直接接觸的液體冷卻解決方案現(xiàn)在可以有效地冷卻60kW的機(jī)架，并且還有80-100kW的解決方案可用，基本上其可以等待實(shí)際的芯片設(shè)置堆棧到該密度。CoolIT Systems公司的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)副總裁Pat McGinn建議，企業(yè)客戶可以將這些配置都運(yùn)用到其工作中。

但是，液體冷卻解決方案不應(yīng)該用于高于30-40kW的高密度的位置，高于該密度直到80-100kW可以采用空氣冷卻的方案，這是可行的配置和部署方案。例如，如果數(shù)據(jù)中心空間對(duì)于空白空間和機(jī)械設(shè)備都是優(yōu)先的，則100kW的IT可以被打包裝入兩臺(tái)或三臺(tái)機(jī)架而不是四臺(tái)到十五臺(tái)機(jī)架，并且供應(yīng)的水可以通過(guò)連接到建筑物內(nèi)冷凍水環(huán)路返回側(cè)的熱交換器冷卻。這種液體冷卻方案可以用企業(yè)數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場(chǎng)的路徑替代托管，而事實(shí)上，沒(méi)有用于數(shù)據(jù)中心的空間或機(jī)械設(shè)施。在這些情況下，密度成為了解決方案，而不是問(wèn)題。

同樣，英特爾最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心實(shí)驗(yàn)涉及到內(nèi)置于熱通道遏制屋頂?shù)睦鋮s線圈。這些線圈被耦合到一個(gè)非常高效的絕熱冷卻機(jī)制，導(dǎo)致每年節(jié)省超過(guò)1億加侖的水與塔冷卻，并且使得所有商品化IT設(shè)備的密度達(dá)到1100瓦/平方英寸。

雖然這種絕熱冷卻系統(tǒng)的占地面積約占塔式和冷卻設(shè)備占地面積的3倍，但這一概念確實(shí)包括了適用于較小數(shù)據(jù)中心的路徑。由于英特爾在滿足其服務(wù)器入口溫度目標(biāo)的同時(shí)，允許線圈的“冷卻”水達(dá)到80 F，這個(gè)相同的330kW線圈容量可以連接到建筑冷凍水回路的返回側(cè)，導(dǎo)致適度大小中等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心的空氣冷卻PUE甚至能夠低于英特爾在其3MW機(jī)架行上看到的1.06。

其他注意事項(xiàng)

當(dāng)評(píng)估液體冷卻與空氣冷卻的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)時(shí)，可擴(kuò)展性和靈活性也是考慮因素。Clustered Systems公司的首席執(zhí)行官Phil Hughes表示說(shuō)，不需要定制建筑，也不需要“在遷移、添加或改變之前重新架構(gòu)氣流”，因?yàn)橐后w冷卻的一些不太明顯的優(yōu)勢(shì)仍然可能影響總體所有權(quán)成本。

另一個(gè)考慮是部署在數(shù)據(jù)中心操作空間中的IT設(shè)備的相對(duì)同質(zhì)性或異質(zhì)性。作為一般的經(jīng)驗(yàn)法則，規(guī)模化經(jīng)濟(jì)將有利于具有更均勻的IT設(shè)備的液體冷卻解決方案。特別是如果需要一個(gè)相當(dāng)定制化的項(xiàng)目來(lái)配置IT設(shè)備時(shí)，在每個(gè)主要熱源;或每個(gè)熱源和單個(gè)大型冷板之間的導(dǎo)體上使用單獨(dú)的冷板。這種差異的一個(gè)極端例子可能是具有機(jī)架級(jí)客戶的一處托管數(shù)據(jù)中心;與研究實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)中心，使用所有IT來(lái)運(yùn)行某些型號(hào)的模擬，無(wú)論是新的芯片設(shè)計(jì)，星際天氣系統(tǒng)，還是心血管系統(tǒng)。通過(guò)良好的氣流管理，空氣冷卻通常能夠更好地實(shí)現(xiàn)托管空間的異質(zhì)性;而研究型數(shù)據(jù)中心可能是更合理的液體冷卻方案的候選者。

液體、空氣或混合解決方案?

最后，液體冷卻和空氣冷卻的一個(gè)子集，應(yīng)該被認(rèn)為是冷卻替代品的總體評(píng)估的一部分。對(duì)于空氣冷卻方案，部署具有非常緊密的氣流管理，結(jié)合某種形式的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助，并允許在更寬泛的ASHRAE TC9.9規(guī)定條件下，允許在服務(wù)器入口包絡(luò)范圍內(nèi)操作，存在糟糕的空氣冷卻。而真正糟糕的空氣冷卻沒(méi)有站得住腳的理由。在液體冷卻方面，有通過(guò)液體消除所有設(shè)備熱量的系統(tǒng)，有混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠通過(guò)液體冷卻消除大部分的熱量，然后需要一些空氣冷卻的來(lái)消除任何剩余熱量。從理論上說(shuō)，似乎一套完全的液體冷卻解決方案要比一套液體冷卻和空氣冷卻混合解決方案在資本開(kāi)支方面更有意義，但經(jīng)濟(jì)分析需要成為對(duì)基本項(xiàng)目盡職調(diào)查的一部分。

此外，有些情況下混合解決方案可能更有意義。例如，如果現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心嚴(yán)重不足以滿足IT需求的未來(lái)規(guī)劃，企業(yè)組織無(wú)需構(gòu)建一處全新的數(shù)據(jù)中心以適應(yīng)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，而是可以在相同的占地面積條件下，將其現(xiàn)有的每平方英尺100瓦特的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)換為每平方英尺500瓦特，而無(wú)需增加任何機(jī)械設(shè)施。

另一種可能具有成本效益的混合解決方案可能是完全集成的產(chǎn)品，例如由集成后門(mén)熱交換器的返回水提供的冷板。如果該機(jī)架后門(mén)熱交換器需要其自己的機(jī)械設(shè)備，則其可能會(huì)有資本投資與一套完全的液體冷卻解決方案。然而，如果后門(mén)熱交換器本身在建筑物回水循環(huán)中操作，則該混合方法可能更有意義。值得認(rèn)真考慮的最后一個(gè)因素是獲得預(yù)先設(shè)計(jì)的IT設(shè)備配置或您企業(yè)自己的工程訂單(engineered-to-order，ETO)IT合作的舒適區(qū)。

對(duì)PUE值的影響

對(duì)于一款特定應(yīng)用程序的情況，最后需要注意評(píng)估空氣冷卻與液體冷卻的適宜性。如上所述，所有真正的經(jīng)濟(jì)效益需要從一個(gè)或多個(gè)程度進(jìn)行評(píng)估，探索ASHRAE允許的溫度元素或真實(shí)的服務(wù)器OEM操作溫度規(guī)格的更寬的閾值。在這些條件下，PUE值不會(huì)是液體冷卻和空氣冷卻之間的差異的最終確定因素。當(dāng)服務(wù)器入口空氣超過(guò)80 F時(shí)，在大多數(shù)情況下，服務(wù)器風(fēng)扇將升高并且使得消耗的能量非線性增加。 能量增加進(jìn)入PUE計(jì)算方程的除數(shù)，并且將導(dǎo)致更高的能量消耗和更低的PUE值;而液體冷卻方案將消除或大大降低風(fēng)扇能量元件，從而降低PUE除數(shù)，并產(chǎn)生較高的PUE值，而總能量消耗則較低。這個(gè)警告并不一定意味著一種技術(shù)優(yōu)于另一種技術(shù);其只是需要考慮所有其他變量的另一個(gè)因素。

結(jié)論

總之，一切方案都要比糟糕的空氣冷卻方案或沒(méi)有氣流管理的空氣冷卻方案要好。此時(shí)，液體冷卻對(duì)于50kW和更高的機(jī)架密度是必要的。然而，液體冷卻不應(yīng)限于高密度應(yīng)用程序，因?yàn)槠淇梢詭椭朔?duì)空氣冷卻的各種現(xiàn)場(chǎng)約束。對(duì)空氣冷卻即將消亡的著名謠言的斷定還有點(diǎn)為時(shí)過(guò)早，英特爾公司43kW機(jī)架和和空氣側(cè)節(jié)能器的成功部署便是一個(gè)有力的證明。當(dāng)空氣冷卻的數(shù)據(jù)中心可以實(shí)現(xiàn)PUE值小于1.1時(shí)，直接的經(jīng)濟(jì)效益不會(huì)永遠(yuǎn)成為液體冷卻和空氣冷卻之間的顯著差異。不過(guò)，對(duì)數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用程序和IT設(shè)備變化的計(jì)劃進(jìn)行充分評(píng)估的任務(wù)應(yīng)包括其他差異化，包括對(duì)數(shù)據(jù)中心建筑的限制和數(shù)據(jù)中心使用壽命階段的揭示，以便選擇優(yōu)選路徑。

關(guān)于作者

本文作者Ian Seaton是一名獨(dú)立的關(guān)鍵設(shè)施顧問(wèn)，并且是Upsite Technologies公司的技術(shù)顧問(wèn)。他最近剛剛從Chatsworth Products, Inc. (CPI)公司全球技術(shù)經(jīng)理的職務(wù)上退休了。