海底數(shù)據(jù)中心的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

張俊麗 張豪 楊震 武澤菲

摘要：隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的迅速發(fā)展，海底數(shù)據(jù)中心規(guī)模和數(shù)量都在日益增長(zhǎng)，其耗能問題也受到更多的關(guān)注。如何在有限的體積內(nèi)存放更多的服務(wù)器，且保證服務(wù)器工作過程中向海水正常快速的散熱已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器存放問題研究的焦點(diǎn)。該文就如何最大程度優(yōu)化數(shù)據(jù)中心散熱問題建立了CFD仿真模型并進(jìn)行評(píng)估分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;散熱優(yōu)化;冷卻功能;服務(wù)器

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）04-0022-02

1引言

近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等嶄新科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，信息化建設(shè)提出了挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)的大數(shù)據(jù)中心主要建立在內(nèi)陸地區(qū)，但是因?yàn)榻⒃陉懙厣暇捅仨氄紦?jù)巨大土地面積和龐大成本，所以有專家學(xué)者提出了“海底數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目”。它是將服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備放置于帶有制冷功用的海底封閉的抗壓容器中，并使用海底復(fù)合纜供電，以便于將數(shù)據(jù)上傳給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)[1]。

早在2015年8月，微軟公司就首次在美國(guó)中西部加州的一處水域，對(duì)水下數(shù)據(jù)中心的原型機(jī)開展了仿真試驗(yàn)。開展了三個(gè)多月的試驗(yàn)并獲得了超乎預(yù)想的成果。而2018年，微軟Project Natick項(xiàng)目還在英國(guó)蘇格蘭沿海線附近的海域中，試驗(yàn)地部署了一個(gè)在水下的數(shù)據(jù)中心。這也是數(shù)據(jù)中心的第一次部署于海底。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果表明海底數(shù)據(jù)中心的總故障率約為陸地的八分之一，大大降低了故障率[2]。對(duì)于海底的數(shù)據(jù)中心，如何在有限的體積內(nèi)存放多個(gè)服務(wù)器并且保證該服務(wù)器在工作過程中給海水快速散熱是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的問題[3]。

2最大可存放服務(wù)器數(shù)量測(cè)算

首先不考慮服務(wù)器的散熱需求，對(duì)集裝箱最多可以放多少個(gè)服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，得到存放最大值。然后結(jié)合服務(wù)器的散熱情況，得到單個(gè)集裝箱最大存放服務(wù)器量。

將高度為44.45毫米，寬度為482.6毫米，長(zhǎng)度為525毫米的IU服務(wù)器放入直徑為1米，長(zhǎng)為12米的圓柱體集裝箱共有3類方法。分別為長(zhǎng)寬與圓柱體底面平行，長(zhǎng)高與圓柱體底面平行，寬高與圓柱體底面平行。以圓柱體的一個(gè)底面為例，以上三類情況如圖1所示。

當(dāng)為長(zhǎng)與寬時(shí)，其中服務(wù)器長(zhǎng)與寬分別為525毫米、482.6毫米，經(jīng)計(jì)算可得，該圓柱體底面的平面最多存放1個(gè)服務(wù)器，該集裝箱在該類情況下可共放269個(gè)服務(wù)器。

當(dāng)為寬與高時(shí)，其中服務(wù)器寬與高分別為482.6毫米、44.45毫米，經(jīng)計(jì)算可得，該圓柱體底面的平面最多存放10個(gè)服務(wù)器，該集裝箱在此種情況下可共放220個(gè)服務(wù)器。

當(dāng)為長(zhǎng)與高時(shí)，其中服務(wù)器長(zhǎng)與寬分別為525毫米、44.45毫米，經(jīng)計(jì)算可得，該圓柱體底面的平面最多存放19個(gè)服務(wù)器，該集裝箱在此種情況下可共放456個(gè)服務(wù)器。

通過上述情況可以得到，在不考慮服務(wù)器的散熱需求時(shí)，一個(gè)集裝箱內(nèi)最多可以存放456個(gè)服務(wù)器，這是服務(wù)器容納上限。在此種情況下，再考慮服務(wù)器的散熱需求。

由于固體在液體中的冷卻方式主要是對(duì)流傳熱，因此對(duì)流傳熱又可分成自由對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。在僅考慮服務(wù)器的散熱需求時(shí)，為了評(píng)估出單個(gè)集裝箱里最多能存放多少個(gè)服務(wù)器，本文建立了服務(wù)器集群傳熱模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

假設(shè)集裝箱內(nèi)有n臺(tái)功耗為Pi的服務(wù)器，第i臺(tái)服務(wù)器收入的冷風(fēng)溫度為：Tiin，放出的熱風(fēng)溫度為：Tiout[4]。由能量守恒定律與熱力學(xué)定律可以得到服務(wù)器的熱平衡方程為：

但由于服務(wù)器吸入的冷水中會(huì)混有少量的循環(huán)熱水，那么服務(wù)器出口排出的熱量可以表示為：

從上述分析可以得出，服務(wù)器入口溫度可表示為向量的形式：

由于單個(gè)服務(wù)器的產(chǎn)熱為500W，且正常溫度不得超過80℃。因此，本文中假定將服務(wù)器所消耗的功率全部轉(zhuǎn)換為熱能，則服務(wù)器表面和冷卻水之間的穩(wěn)態(tài)換熱流程即可表述為：

利用以上的穩(wěn)態(tài)換熱方程，可得到服務(wù)器表面溫度的向量形式：

再將服務(wù)器入口溫度向量形式“代入”服務(wù)器表面溫度的向量形式后得到服務(wù)器表面溫度可以表示為：

通過上述能量守恒定律與熱力學(xué)定律可以得出在僅考慮服務(wù)器的散熱需求，且保障服務(wù)器工作溫度不高于80攝氏度的條件下，可求得單個(gè)集裝箱外殼中最多可以放230個(gè)服務(wù)器。

3 優(yōu)化集裝箱外殼結(jié)構(gòu)

在前面的基礎(chǔ)上，對(duì)集裝箱的外殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化的散熱效果，即存放更多的服務(wù)器。具體步驟如下文所示。

通過ANSYS CFX軟件建立數(shù)據(jù)中心的CFD仿真模型來(lái)對(duì)集裝箱外殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)前最常用的方法之一就是將服務(wù)器放置在高架地板上的位置，但由于空氣中的靜電，他們內(nèi)部都有過濾器，可去除房間內(nèi)的灰塵以及用于循環(huán)和分配空氣的風(fēng)扇。為了提高效率，破解單元，應(yīng)使用節(jié)能過濾器，EC或電控風(fēng)扇地板中的壓力和壓力傳感器，精確控制送風(fēng)量。但這樣是非常低效的行為，因?yàn)樾迈r的冷空氣剛剛混合服務(wù)器排除的熱氣，這意味著服務(wù)器有的熱，有的冷，這容易導(dǎo)致高耗能以及高故障率[2]。為了解決這個(gè)問題，本文將服務(wù)器定位，設(shè)計(jì)出集裝箱內(nèi)部部分服務(wù)器存放圖，這樣服務(wù)器的機(jī)架都面向于同一個(gè)方向，如圖2所示。

其次，對(duì)集裝箱天花板進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立冷熱通道。冷空氣從地板上冒出來(lái)并通過服務(wù)器，所有排除過的熱空氣都收集到熱通道中，并朝天花板上升。然后將其拉回破解單元，這就意味著服務(wù)器應(yīng)該收到只有新鮮的冷空氣和裂紋單元，接收排出的熱空氣，即增加了溫差，穿過裂紋單元的熱交換器可以提高機(jī)器的效率。

為了防止地板漏氣，冷空氣和熱空氣混合在一起導(dǎo)致空氣直接循環(huán)回裂紋單元并與返回的氣流混合;再通過安裝盲板來(lái)對(duì)其進(jìn)行解決。如果供應(yīng)的空氣超過氣流，那么它將流過各個(gè)單元并于排除管線混合。

通過前文建立的CFD仿真模型，可使冷空氣充滿房間，并且排除的熱空氣被推動(dòng)，進(jìn)入天花板的另一個(gè)空隙，裂紋單元的進(jìn)氣口也被進(jìn)入天花板，拔出熱風(fēng)進(jìn)行修復(fù)。熱通道氣流遏制提供卓越的性能，并且留一些冷卻緩沖液。如圖3所示;

通過上述所建立的模型，實(shí)現(xiàn)了散熱最大化，可以存放更多個(gè)服務(wù)器。

4 優(yōu)化集裝箱外殼金屬材料

由于部分金屬與海水接觸受到海水的腐蝕。為了選擇合適的材料并對(duì)海底深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限。需要找出海水中耐腐蝕、耐壓力、成本低等相關(guān)金屬與附件所給金屬材料表進(jìn)行分析對(duì)比，從而找出合適的材料[5]。

海水是一種具有多種鹽類的電解質(zhì)溶液，它以3%～3.5%的氯化鈉為主（鹽），pH值為8左右，并溶有一定量的氧氣。除鋁及合金以外，大多數(shù)金屬在海水中均易銹蝕。其中以下三類金屬可以耐海水腐蝕。

（1）熱力學(xué)穩(wěn)定性高的金屬。一般使用其標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)來(lái)判斷，其值較正者的穩(wěn)定性也較高;較負(fù)者則穩(wěn)定性也較低。抗蝕性好的貴金屬，如Pt、Au、Ag、Cu等就屬于這一類。

（2） 容易鈍化的金屬。許多金屬都能在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中產(chǎn)生有良好防護(hù)功能的致密氧化物層，這些現(xiàn)象就叫作鈍化。金屬中最容易鈍化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr、 AI等。

（3） 在表面上能形成難溶的和保護(hù)效果好的腐蝕產(chǎn)物膜的金屬表面。這些情況都只能在金屬處于一定的腐蝕性介質(zhì)中時(shí)發(fā)生。比如，H2SO4溶液中的Pb和Al，H3PO4中的Fe，鹽酸溶液中的Mo以及大氣中的Zn等。

通過比較上述三種抗海水侵蝕的金屬材料，本文對(duì)8種金屬材料：鋁合金5052、鋁合金6061、鋁合金7075、鈹銅合金，CDA 172、抑制海軍黃銅、蒙乃爾400、鉻鎳鐵合金625、鈦6al-4v在6個(gè)指標(biāo)上：含量、密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、海水電位進(jìn)行對(duì)比分析，選擇出部分耐海水腐蝕的金屬材料。經(jīng)過比較分析，發(fā)現(xiàn)蒙乃爾400合金是最高強(qiáng)度的單項(xiàng)固溶體材料，且它是一種用量最高、應(yīng)用范圍最廣泛、綜合性能最好的耐腐蝕合金，且成本較低。抑制海軍銅里主要成分含71%銅、28%鋅、1%錫等，它廣泛應(yīng)用在海洋船舶上。鈦、鎳合金對(duì)耐海水腐蝕性優(yōu)異，不過用于加工困難，成本比較高，不太被廣泛應(yīng)用。為了選擇合適的材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高散熱效果，并盡可能降低成本，提高使用年限，本文最終選取蒙乃爾400作為防腐蝕材料。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過建立能量守恒建立了數(shù)據(jù)中心的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)集裝箱的外殼結(jié)構(gòu)以及選擇合適的材料，不斷進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最大化散熱效果，并進(jìn)行了散熱器最優(yōu)設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭康.為什么微軟要將數(shù)據(jù)中心沉入海底[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2018，44（23）：43.

[2] 王彬，諸凱，王雅博，等.翅柱式水冷CPU芯片散熱器冷卻與流動(dòng)性能[J].化工進(jìn)展，2017，36（6）：2031-2037.

[3] 諸凱，王華峰，王建惠，等.帶有強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的芯片散熱器實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[J].制冷學(xué)報(bào)，2015，36（2）：46-51.

[4] 諸凱，劉澤寬，何為，等.數(shù)據(jù)中心服務(wù)器CPU水冷散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制冷學(xué)報(bào)，2019，40（2）：36-42.

[5] 吳海飛，劉景華，王雷廣，等.海底電纜工程造價(jià)影響因素分析[J].中國(guó)電力企業(yè)管理，2021（6）：72-74.

收稿日期：2021-08-18

基金項(xiàng)目：陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題（SGH20Y1480）;西安歐亞學(xué)院2021年度校級(jí)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2021ZD002）

作者簡(jiǎn)介：張俊麗（1982—），女，陜西韓城人，副教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)分析與挖掘;楊震（1999—），男，本科在讀，陜西楊凌人，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù);張豪（1999—），男，陜西寶雞人，本科在讀，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù);武澤菲（2000—），女，陜西大荔人，本科在讀，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)。