近幾年,數(shù)據(jù)中心的能耗問題受到越來越多的關(guān)注,并且已經(jīng)成為制約數(shù)據(jù)中心行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。為此,2013年以來,政府相繼出臺了多項政策,對新建數(shù)據(jù)中心的節(jié)能水平提出了要求,北京更是暫停了PUE>1.5的新建數(shù)據(jù)中心審批工作。
數(shù)據(jù)中心為了追求更加的高效節(jié)能,冷卻技術(shù)也發(fā)展出了多種形式。目前,數(shù)據(jù)中心市場上主要采取制冷方式包括:風(fēng)冷精密空調(diào)制冷和水冷精密空調(diào)制冷。
數(shù)據(jù)中心早期并沒有專用的精密空調(diào),也沒有統(tǒng)一的標準,早期的數(shù)據(jù)中心主要用的是民用大功率空調(diào),這種空調(diào)主要是為人而設(shè)計,并不合適在數(shù)據(jù)中心的環(huán)境中使用,與機房專用空調(diào)相比在恒溫、恒濕、除塵等方面均達不到數(shù)據(jù)中心的標準。在數(shù)據(jù)中心發(fā)展初期,由于受到當(dāng)時條件所限,使用這種空調(diào)也只是權(quán)宜之計。
到上世紀70年代,機房專用精密空調(diào)出現(xiàn),精密空調(diào)可以有效保障數(shù)據(jù)中心的恒溫恒濕環(huán)境,而除塵方面采用新風(fēng)系統(tǒng)和機房正壓除塵,從而滿足數(shù)據(jù)中心保持適度恒定,良好的空氣潔凈度、具備遠程監(jiān)控等要求。
2000年以后,我國改革開放到了一個新的時期,國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)開始快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心也進入到了一個新的發(fā)展階段。因為網(wǎng)絡(luò)的普及,互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,信息傳遞越來越頻繁,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和計算量越來越大,這時為了保障數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定,人們對精密空調(diào)系統(tǒng)的高可用性提出了更高的要求,在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中,可用性、綠色節(jié)能、動態(tài)冷卻成為了主要的創(chuàng)新方向。
與風(fēng)冷精密空調(diào)制冷相比,水冷精密空調(diào)制冷則呈現(xiàn)起步較早,發(fā)展緩慢的現(xiàn)象。
上世紀60年代,水冷開始被運用到大型計算機主機和高性能個人計算機中。起初,數(shù)據(jù)中心中的熱負荷較低,使用風(fēng)冷比水冷的成本低,所以當(dāng)時更多的機房主要還是使用風(fēng)冷。后來,隨著設(shè)備的不斷增加,服務(wù)器越發(fā)的密集,人們發(fā)現(xiàn)風(fēng)冷已經(jīng)開始不能滿足冷卻需求,這個時候水冷技術(shù)得以發(fā)揮出自己的優(yōu)勢,因為在熱傳導(dǎo)方面,水比空氣有效得多,據(jù)測算,用于冷卻時,水的效率是空氣的3500倍。
后來,IBM研究人員推出了直射式散熱技術(shù)。這是一種水冷技術(shù)的新突破,在一個密閉的系統(tǒng)中將水直接噴射至芯片背板,并隨后將吸附芯片熱量的水分吸干。這套系統(tǒng)采用了多達5萬個噴嘴和1個復(fù)雜的樹狀回路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
大約10年前,人們發(fā)現(xiàn)將水冷管道通過機架直接接入到服務(wù)器上,并配合處理器散熱器上的水冷銅座共同發(fā)揮作用,這種方式的散熱效率相比之前的更好。
再后來,因為水冷能耗低,效率高等特點逐漸也成為了機房冷卻的主要方式。
但是,風(fēng)冷也好,水冷也好,人們對技術(shù)的要求總是不滿足的,為了數(shù)據(jù)中心更安全同時更加綠色節(jié)能,為了應(yīng)對未來大數(shù)據(jù)時代,數(shù)據(jù)中心對于高密度的需求,一種新的制冷技術(shù)應(yīng)運而生了,那就是將服務(wù)器直接浸入絕緣性液體運行的浸沒液冷技術(shù)。
目前,對于浸沒液冷技術(shù)國內(nèi)外很多廠商都都進行了研究,例如,IBM公司從20世紀70年代開始浸沒液冷的研究,具有30多項機架式浸沒液冷專利。美國的GRC開發(fā)了高沸點單相浸沒的碳氫溶劑制冷系統(tǒng)。3M公司從2009年倡導(dǎo)使用低沸點氟化液的兩相式蒸發(fā)浸沒冷卻系統(tǒng)。日本利用3M公司一種高沸點氟化液FC43開發(fā)的單相浸沒超算系統(tǒng)。另外,我國的一些企業(yè)也在研究開發(fā)相關(guān)浸沒液冷技術(shù),例如曙光,從2012年開始就對液冷服務(wù)器技術(shù)進行了探索和研究。
浸沒液冷技術(shù)之所以受到眾多廠商的青睞,主要是因為它突出的性能。首先,液體的冷卻能力是空氣的1000-3000倍;其次,液冷可實現(xiàn)高密度、低噪音、低傳熱溫差、自然冷卻等優(yōu)點;另外,浸沒液冷的功率密度可超過每機柜體積100kW、噪音低于50dB、PUE低于1.2.目前在浸沒液冷服務(wù)器冷卻技術(shù)的分類上又分為:單相冷卻:即利用高沸點液體的比熱溫升過程帶走熱量,稱為單相浸沒冷卻服務(wù)器或油(包括高沸點碳氫、硅油、氟化液)冷服務(wù)器。
相變冷卻:利用低沸點氟化液或其他絕緣易蒸發(fā)液體的氣化過程帶走熱量,稱為相變冷卻式服務(wù)器或蒸發(fā)冷卻式服務(wù)器。
據(jù)了解,目前機房浸沒液冷技術(shù)主要運用在比特幣礦機和超算中心等高密度環(huán)境。
雖然浸沒液冷技術(shù)有諸多的優(yōu)勢,但是目前卻無法大面積的使用在已建數(shù)據(jù)中心中,因為如果采用浸沒液冷方式的話,需要對原有的數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)進行較大改造,而這對于數(shù)據(jù)中心運營商來說是一筆不小的成本,另外,許多熱負荷較低的小型數(shù)據(jù)中心機房可能并沒有必要采用液冷的必要,因為風(fēng)冷對于小型的數(shù)據(jù)中心機房來說已經(jīng)夠用了,液冷的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在大型或者超大型的數(shù)據(jù)中心中。
不過,浸沒液冷技術(shù)的前景還是非??陀^的,近幾年,國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)如火如荼,并且數(shù)據(jù)中心正在向大型和超大型方面發(fā)展,液冷技術(shù)將會更好的發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。除了在數(shù)據(jù)中心方面的應(yīng)用,液冷技術(shù)在未來的應(yīng)用還要很多,比如現(xiàn)在越來越熱的人工智能方面,人工智能的發(fā)展得益于大數(shù)據(jù)或者是深度學(xué)習(xí)算法,以及計算能力的提升,近年來對人工智能的研究有了很大的突破。在硬件方面,GPU并行能力的提升使得人工智能釋放了一些全新的潛力。對于GPU本身來說,單個芯片的功耗可以達到300瓦以上,這樣對于整個服務(wù)器來說,它的散熱問題將是一個非常嚴峻而且有待解決的問題,而全浸沒式的液冷技術(shù)則恰恰很好的解決了這個問題。
另外,在前沿科學(xué)領(lǐng)域,例如大氣或者是洋流的仿真研究,包括天體物理的數(shù)據(jù)處理,包括宇宙演化的模擬,全球氣候變化的模擬等。在這些研究的過程當(dāng)中伴隨著大量的數(shù)據(jù)運算分析處理,包括圖片的分析處理,所以在科研領(lǐng)域,在未來對芯片的性能要求會是非常高的。全浸沒式的液冷技術(shù)能夠很好的解決芯片的散熱問題,同時提高芯片的性能。
科技是第一生產(chǎn)力,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動著整個社會的發(fā)展,而機房冷卻技術(shù)的發(fā)展將在很大程度上推動著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,浸沒液冷技術(shù)作為一種高效,節(jié)能,安全的冷卻技術(shù),在將來必將成為越來越多的數(shù)據(jù)中心的選擇。