現代高密度數據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

數據中心在我們的日常生活中是必不可少的，但是，它卻是一個能耗大戶。為此我們希望數據中心也能做到節能環保。值得欣慰的是通過節能設計可以為計算機設備提供一個更好的環境，并能降低能源成本。盡管事實上數據中心仍然需要大量的電能，但這并非是在浪費能源。采用專用的電源和制冷設備可以實現這個目標，但需要最先進的技術。

功率密度的快速增長使我們更加關注制冷技術

如果傳統的技術運用得當，每個機架的散熱大約耗能5kW。問題是如今大多的機柜用電量均為15kW～40kW，也許很快會上升至60kW。設備的過熱顯然就成了一個關鍵問題，而傳統的空調也無法解決這種高密度的散熱難題。

將機房空調環繞房間的老式安裝方式已不能完全滿足需要，直角安裝機房空調會產生不均勻的氣流，使地板送風系統形成氣流旋渦，從而增加了能耗卻降低了壓力和制冷效果。然而機房空調在市場上仍然具有一席之地。除非采用特別的方法來隔離和控制回風，否則在安裝時就應將機房空調與機架垂直、與熱管道平行。這似乎違反常規，但是在沒有找到能夠控制回風的方法之前，這種安裝方式能夠最大程度地限制機房空調的回流冷風。

當前，市場上的新技術不勝枚舉，其中也有針對高密度設備的高計算性能進行制冷的，這些技術的使用能夠有效地解決各種問題。關鍵是要知道各種各樣的系統都是什么系統，以及在什么情況下去使用它們。無論制冷過程是在機房的地面上還是地板之下完成的，考量系統的能效有兩個基本原則：

1)使混合的冷空氣和熱空氣分開

2)使空調機的回風溫度最佳化

混合的結果是較暖的空氣被傳輸到服務器，而較冷的空氣返回到空調。控制回風可避免氣流混合，從而使設備更有效地制冷，提高空調盤管的制冷能力。回風通道使用高架管道，通過設置于天花板上的、包含熱風或冷風的壓力通風通道，使氣流分離。

通過緊耦合冷卻或熱源冷卻可以實現制冷效率的最大化，這就意味著制冷裝置需安裝在計算機旁邊。這樣能大大降低將空氣排入地板或管道所需的風扇能量，并將適量、適溫的空氣傳輸到需要的地方，且在熱空氣擴散之前將其回收。

緊耦合冷卻可以采用成排或高架的冷卻裝置、帶有后門預冷器或二者相結合的裝置完成。其中一些設備通過冷機組使冷凍水或冷卻水循環；也有一部分使用制冷劑進行冷卻。如果配置得當，這些都優于傳統的冷卻方式。除了這些方法之外，就是直接在處理器上使冷卻劑循環或將服務器沉浸于冷卻液中。

數據中心不再有任何理由仍然按老的方式制冷。實際上如果按照ASHRAE TC 9.9出版的《數據處理環境熱準則》進行操作，就可以節省更多的能源。該準則允許設備的入口溫度維持在27℃(80.6°F)，如有必要，在不明顯加大風扇轉速的前提下，在少許幾天內甚至可以更高一些。

之所以限定在27℃，是因為高于此溫度風扇的轉速會大幅加快，從而導致大量的能源浪費(風扇速度加快1倍而所需的能量卻要增加8倍)。數以千計的服務器風扇增加的功耗可以迅速抵消在較高溫度操作時節省的能量。現如今將空氣輸送的溫度控制在75°F左右，比采用了數十年的55°F標準溫度要好得多。

這種較高溫度的運行對于傳統和新型的計算機都適用。它使自然冷卻的時間更長，采用室外的空氣代替機械制冷，通過水側節約裝置(通過空氣去除循環水中的熱量)，或空氣-空氣熱交換器(空氣自然冷卻)來散熱。

水在數據中心內的作用

幾乎所有的高密度系統在冷卻過程中都會用到水。水可以直接在機柜里或硬件中流動，或在控制單元中循環，然后將制冷劑配送到冷卻裝置。水在散熱的效率上遠遠超過了空氣。隨著溫度的持續上升，數據中心中液體的使用將變得更為普遍。雖然這種設計讓大多數IT人士感到很憂慮，但是只要管道系統設計得當，安裝合理，有充分的泄漏檢測，該系統的可靠性還是很強的。實際上管道泄漏的概率很小。

對于多數的數據中心來說，即便現在還沒有裝備需要使用水循環的設備，但很有可能最終都會用上。管道設計時，在重要位置設置一些額外的接頭，意味著該數據中心已為安裝后門冷卻器、水冷式機柜、直接冷卻服務器，或任何新出現的冷卻形式做好了準備。

功率的消耗都伴隨著熱量的產生

雖然冷卻是節能最主要的部分，但數據中心中幾乎所有的熱量都是由功耗產生的，因此也必須考慮降低功耗。數據中心的供電系統基本都涉及到可靠性的問題，盡管不再是必須的，但在大多數情況下，可靠性仍然比效率更為重要。因而，首要功率的問題又回到了制冷的設計上。

發動機消耗了大量的電能，特別是風機、水泵及冷水機組的發動機。可以采用兩個基本的解決方案：風機、水泵和冷水機組電機采用變頻驅動(VFD)；另外可以采用電子換向(EC)的風扇電機。變頻驅動可以調節發動機的轉速，使之與傳感器所測得的制冷需求相匹配，因此，當制冷的需求減少時設備就不用全速運行了。在正常情況下，通過采用變頻控制常常都可以使冗余系統的每個部分更低速地運轉，這比原來只運轉主機、需要時才啟動冗余系統的方式更節能。這種方法也可以確保冗余單元總是處于可運行狀態，一旦主機出現故障，立即就能替代其投入運行。EC電機(無刷直流電機)由于它的節能設計，比傳統電機能節約高達30%以上的能耗。

一個超大的不間斷電源(UPS)是原先造成能源浪費的主要根源，而如今大多數的UPS采用的是雙轉換的設計，這就意味著輸入的交流電源通過整流變成直流電，給電池充電，然后通過逆變器又轉換為交流電。在轉換過程中每一步都會有一定的熱消耗，并在傳動鏈中的每一次轉換會進一步產生熱損失。

近年來，雖然UPS的設計更加高效，但是在滿負荷的情況下，即使最好的裝置也只能達到95%～97%，這就意味著有3%～5%的功耗被浪費了(這相當于一個1MW系統中的50kW或是1 200 kWh)。如果UPS在其容量范圍內低功率運行(30%的額定負載)，其效率會戲劇性地降到80%或更低的范圍內。此問題在冗余系統運行時會更加嚴重，因為一個“2N”裝置要求其另一半(UPS、PDU等)被加載時不能超過其容量的50%，才能保證在需要時能滿負荷工作。但是如果UPS系統一開始就過載工作(通常是由于較差的負載估計，或用來滿足理論上長期未來的增長)，在實際使用過程中很容易(尤其是在一個冗余系統)就會下降15%～20%，這會直接導致極低的效率并產生巨大的能量損失和浪費。

為此，針對以上難題，提出兩個較好的解決方案：

1)采用容量合適的UPS系統以保證漸進式增長；

2)使用新的智能在線互動式UPS，可使平均效率達到98%～99%。

也有一些系統采用高壓直流供電方式運行，從而完全地避免雙重轉換。但是該方法在業內還存在一些爭議。

不論采用哪種類型的UPS和配置方法，計算機硬件都將在更高的電壓下運行。在208V，供電電源能更有效地運行。此外，盡量使用較少的導體就意味著可以減少銅的用量。唯一的不足是對相位平衡提出了更大的挑戰，因為此時每個負載都占用三相電源中兩相。若能結合良好的監測系統，此問題就能迎刃而解，從而取得更高效的運行效果和實現UPS容量和效率的最大化。