機房服務器散熱技術應用研究進展＊

施 勇，許志慧，柳博文，許家翔，張可凡，劉志航，蔣達華

（江西理工大學土木與測繪工程學院，江西 贛州341000）

1 引言

近年來，隨著信息技術的發(fā)展，高熱流密度數據機房的數量越來越多，設備產生的熱量和機房的能耗也越大。機房內大量服務器設備以堆棧或并排的方式布置運行使電子設備的工作溫度升高，從而導致機柜和機房的溫度也會持續(xù)上升。如果這些熱量不能及時被轉移，將會影響服務器正常運行。數據機房的能耗主要由通信設備能耗、空調系統(tǒng)能耗、電源系統(tǒng)能耗三部分組成。其中，通信設備能耗占數據機房能耗的比例最大，約為50%；其次，空調系統(tǒng)能耗也較高，約占40%；電源系統(tǒng)能耗相對較少，約占10%[1]。因此，數據中心高效制冷散熱技術是機房空調節(jié)能解決方案中的重要環(huán)節(jié)[2]。因此，在設計機房散熱方案的同時，數據機房節(jié)能降耗顯得尤為重要。常用的散熱技術有風冷散熱技術、液冷散熱技術及蒸發(fā)冷卻散熱技術，分別對三種技術進行分析和梳理，從中發(fā)現服務器散熱技術的發(fā)展方向。

2 風冷散熱技術在機房中的應用

電子通信行業(yè)常用的空調節(jié)能方法主要是采用高效空調設備、換熱設備和利用室外冷源的新風等。常見的兩種散熱方式有：利用溫度較低的自然冷源來冷卻機房，有效地降低機房的能耗；利用冷卻設備進行機械冷卻。機房冷卻系統(tǒng)具有兩套冷卻設備，一套是常規(guī)的冷卻液冷卻設備，另一套利用室外的冷卻空氣作為冷卻劑，當室外溫度在某個特定值之下或者室外溫度與室內溫度的差值大于某個特定值時，可以采用室外冷空氣冷卻電子設備。在室外氣溫較低的冬季，這種組合冷卻裝置也能有效降低能耗[3]；在炎熱的夏季，兩套設備組合使用加快了散熱響應時間。

自然冷卻技術是利用自然空氣對數據機房進行散熱，能耗低，是實現節(jié)能減排的重要途徑，但其冷卻能力有限[4]。在工程應用中，利用空調系統(tǒng)進行散熱是目前應用最廣泛的方法。根據空調系統(tǒng)的氣流組織形式可以分為上送下回、下送上回、側送上回等，不同的氣流組織形式有不同的散熱效果。在實際數據機房的空調系統(tǒng)工程案例中，下送風方式較上送風方式約節(jié)約20%的運行費用[5]。孫鐵柱等[6]利用自泄壓熱管散熱器，將該散熱器應用到機房服務器導出內部熱量，然后再由排風系統(tǒng)直接將熱量排出室外，該種方法有效降低了空調負荷和空調能耗。另外，布置冷熱通道是數據機房空調冷卻系統(tǒng)中應用較多的一種調節(jié)氣流組織的方法，該方法無需對整個機房制冷，可節(jié)省空調能耗，還可靈活擴充，利于機械化加工，安裝簡易，能大幅度避免冷熱空氣混合以減少能量損耗[7]。由于風冷散熱技術存在散熱能力低、冷卻效率低、能耗大、易出現局部過熱現象等諸多問題，因此液冷散熱技術逐漸被學者關注。

3 液冷散熱技術在機房中的應用

液冷散熱技術是依靠液體的流動來傳遞熱量，與風冷散熱方式相比，液冷散熱效果相對更好。與傳統(tǒng)的風冷散熱方式相比，當使用循環(huán)水冷系統(tǒng)對數據中心進行散熱時，數據中心的總能耗大約可以降低50%；當使用蒸汽壓縮兩相冷卻系統(tǒng)散熱時，數據中心的總能耗大約可以降低41%；如果將機房的熱量出售給熱用戶，數據中心的總能耗還可以進一步降低[8]。

液冷散熱系統(tǒng)主要通過水泵、導管、散熱器等部件，將芯片產生的熱量傳遞給液體[9]。數據機房液冷散熱包括單相冷卻、兩相冷卻和熱管冷卻[10]。單相液冷散熱在冷卻過程中不發(fā)生相變，是利用水作為循環(huán)冷卻劑實現散熱，在數據機房或者數據機柜內應用冷水板，利用離心泵驅動冷水流經冷水板來實現散熱，可以對多個處理器同時進行冷卻，具有較高且可靠的散熱效果，同時還可以回收機房內的余熱，具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ运渖岱绞綖槔粋€功率密度為500 kW的數據機房，需要1 000臺風機才能達到的冷卻效果，32臺冷卻水泵就可以達到[11]。以北京市某數據中心為例，在一臺功率為10 kW的機柜內采用封閉式液冷散熱方式后，可達到一臺5匹空調的散熱效果，每年可節(jié)約近30%的用電量[12]。為了提高換熱器的散熱量，增強單相冷卻的余熱回收效果，可將液冷機柜進行封閉式設計，控制冷卻水溫度始終高于露點溫度，此種設計方案可滿足機柜內高熱密度服務器的散熱要求，與傳統(tǒng)的空調制冷系統(tǒng)相比，散熱效率可提高80%以上，且服務器安放在密閉的機柜中，大大降低了機房的噪聲值[13]。雖然單相液冷散熱技術能夠提高散熱效果，降低數據機房的能源消耗，但是由于液體存在泄漏或導電的風險，因此在數據機房液冷散熱并沒有得到廣泛的應用，無法全面替代風冷散熱。

兩相冷卻的散熱性能要比單相冷卻強，制冷劑在發(fā)生相變吸收熱量蓄熱時，其溫度不會上升。在吸收相同的熱量情況下，兩相冷卻的制冷劑溫度比單相冷卻低；在相同的熱負載下，單相冷卻需要的循環(huán)流量較兩相冷卻系統(tǒng)大得多，若要達到相同的冷卻效果，單相冷卻需要的流量是兩相冷卻系統(tǒng)的26倍之多[14]。但是兩相冷卻系統(tǒng)結構復雜，初期投入高，實際應用較少。熱管冷卻是一種利用熱管兩端的溫差驅動液體流動來實現傳熱的散熱方式[8]。熱管冷卻無需工質泵提供動力，而是利用重力驅動，冷卻劑的泄漏風險較低，是一種安全可靠的冷卻方式[15]。熱管冷卻的主要優(yōu)勢有：熱管的冷凝段與蒸發(fā)段溫差越大，其散熱效率越高，并且熱管冷凝段可設置換熱器與冷卻塔相連，冬季可利用自然冷源冷卻提高能源利用率。分離式熱管換熱器是目前技術較為成熟的小型機房換熱設備，其效果體現在當室外環(huán)境溫度比較低的時候，可以通過引入室外自然冷源，排除機房內的熱空氣來減少空調的開啟時間，達到節(jié)能降耗的效果[16]。

為了增強散熱效果，液冷散熱與風冷散熱可形成互補，結合多種冷卻技術，尋求最優(yōu)的解決方案[17]，或者通過放置改性相變材料模塊能有效減緩機房內的溫度波動情況，增強溫控效果，達到節(jié)約能耗的目的[18]。于昕等提出一種新型的相變蓄能空調系統(tǒng)，利用相變材料吸收和釋放冷量的特性來控制移動通信基站機房內的溫度，可以有效節(jié)約空調能耗，減小機房內的溫度波動[19]。應用研究表明，無機相變材料具備較好的穩(wěn)定性，使用壽命不低于10年，而且該類相變材料可以根據應用場景需要封裝成各種形狀，充分滿足產品使用的便利性、長期性和安全性等要求[20]。在未來的數據機房散熱方式中，液冷散熱技術將成為主力軍，但液冷散熱技術無法完全替代傳統(tǒng)風冷散熱，兩種散熱方式結合使用，相輔相成，將成為未來數據機房散熱的發(fā)展趨勢。

4 蒸發(fā)冷卻技術在機房中的應用

蒸發(fā)冷卻技術[21]是將風冷和水冷有效結合起來的一種新型復合散熱技術，依靠流體沸騰造成的密度差即可形成自然循環(huán)，無需外加驅動力，提高了運行的可靠性，并且無需風機，降低了噪聲水平。

蒸發(fā)冷卻分為直接蒸發(fā)冷卻（DEC）和間接蒸發(fā)冷卻（IEC）兩種。直接蒸發(fā)冷卻技術發(fā)展時間較長，直接蒸發(fā)式冷氣機組在數據機房中已經得到廣泛應用，主要的應用形式有兩種：直接在數據機房中設置蒸發(fā)式冷氣機，并且增加排風系統(tǒng)，與蒸發(fā)式冷氣機配合；在蒸發(fā)式冷氣機運行的同時，讓部分回風與冷氣機處理后的空氣一次混合。蒸發(fā)冷卻技術應結合區(qū)域的濕度進行合理優(yōu)化設計，只有適應區(qū)域的技術才能得到最大化的節(jié)能[22]。目前市場上出現了蒸發(fā)式冷氣機和原有機房專用空調系統(tǒng)聯(lián)動的運行方案，其運行成本是傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的20%左右，但原有空調系統(tǒng)在運行時會增加空氣含濕度，導致無法在任意室外條件下，實現同步排熱和排濕，給冷氣機帶來冷負荷增大能耗，達不到節(jié)能目的[23]。間接蒸發(fā)冷卻指通過非直接接觸式換熱器將直接蒸發(fā)冷卻得到的介質中的冷量傳遞給工作介質，實現熱濕交換的過程。某數據中心整體占地420 000 m2，規(guī)模為30萬臺服務器，建成后若采用間接蒸發(fā)冷卻技術，經測試驗證，該數據中心PUE值低于1.100，與同規(guī)模傳統(tǒng)大型數據中心制冷相比，全年節(jié)能率超過60%[24]。在節(jié)能方面，數據機房使用蒸發(fā)冷卻技術可減少空調系統(tǒng)對電力的需求量，西安地區(qū)某數據中心進行蒸發(fā)冷卻技術改造后，每年節(jié)能約179 180 kW·h，采用蒸發(fā)冷卻技術對指導綠色數據中心的空調系統(tǒng)設計具有重要意義[25]。由于各方面性能良好，蒸發(fā)冷卻技術已經運用到超算中心，冷卻系統(tǒng)本身可達到節(jié)能降噪甚至零功耗無噪音的標準[26]。

利用蒸發(fā)相變帶走潛熱，有效地提高了CPU的散熱效果；而且在原有散熱器的結構上也不必做太大的改動，相對比較簡單。應充分考慮蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)形式、設備組成形式和蒸發(fā)冷卻與原有的機械制冷系統(tǒng)的聯(lián)動模式，將蒸發(fā)冷卻技術的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢更好發(fā)揮[27]。

5 小結

面對不斷增長的數據計算需求，數據中心機房的建設與使用規(guī)模更加龐大，數據機房內高熱密度服務器的數量逐漸增多，IT設備集成度和功率密度將會更高，依靠傳統(tǒng)的空調制冷方式難以滿足高熱密度數據機房的散熱需求，同時造成大量的能源浪費。目前應用廣泛的風冷冷卻技術都難以做到高效綠色，仍需進行較大改進，可以從散熱方式上進行優(yōu)化，或是研究新的散熱材料，但最為核心的綠色方式是利用自然冷源散熱。傳統(tǒng)的散熱技術多以風冷技術為主，但能耗大的問題顯著。而液冷技術正逐漸得到關注，并被運用到實踐工程中。液冷技術不僅降低系統(tǒng)的能耗，還可以將余熱回收利用。盡管液冷技術有利之處顯著，但完全替換風冷技術仍不可能，未來將集中于液冷與相變材料的復合散熱技術。蒸發(fā)冷卻技術優(yōu)點明顯，但在實際應用中較為復雜，仍是一個研究熱點。隨著節(jié)能意識的不斷加深，服務器散熱技術將迎來蓬勃發(fā)展。