现代高密度数据中心高效供电和散热的研究策略

罗伯特 ·麦克法兰 / 申 ·米尔索姆 威克

数据中心在我们的日常生活中是必不可少的，但是，它却是一个能耗大户。为此我们希望数据中心也能做到节能环保。值得欣慰的是通过节能设计可以为计算机设备提供一个更好的环境，并能降低能源成本。尽管事实上数据中心仍然需要大量的电能，但这并非是在浪费能源。采用专用的电源和制冷设备可以实现这个目标，但需要最先进的技术。

功率密度的快速增长使我们更加关注制冷技术

如果传统的技术运用得当，每个机架的散热大约耗能5kW。问题是如今大多的机柜用电量均为15kW～40kW，也许很快会上升至60kW。设备的过热显然就成了一个关键问题，而传统的空调也无法解决这种高密度的散热难题。

将机房空调环绕房间的老式安装方式已不能完全满足需要，直角安装机房空调会产生不均匀的气流，使地板送风系统形成气流旋涡，从而增加了能耗却降低了压力和制冷效果。然而机房空调在市场上仍然具有一席之地。除非采用特别的方法来隔离和控制回风，否则在安装时就应将机房空调与机架垂直、与热管道平行。这似乎违反常规，但是在没有找到能够控制回风的方法之前，这种安装方式能够最大程度地限制机房空调的回流冷风。

当前，市场上的新技术不胜枚举，其中也有针对高密度设备的高计算性能进行制冷的，这些技术的使用能够有效地解决各种问题。关键是要知道各种各样的系统都是什么系统，以及在什么情况下去使用它们。无论制冷过程是在机房的地面上还是地板之下完成的，考量系统的能效有两个基本原则：

1)使混合的冷空气和热空气分开

2)使空调机的回风温度最佳化

混合的结果是较暖的空气被传输到服务器，而较冷的空气返回到空调。控制回风可避免气流混合，从而使设备更有效地制冷，提高空调盘管的制冷能力。回风通道使用高架管道，通过设置于天花板上的、包含热风或冷风的压力通风通道，使气流分离。

通过紧耦合冷却或热源冷却可以实现制冷效率的最大化，这就意味着制冷装置需安装在计算机旁边。这样能大大降低将空气排入地板或管道所需的风扇能量，并将适量、适温的空气传输到需要的地方，且在热空气扩散之前将其回收。

紧耦合冷却可以采用成排或高架的冷却装置、带有后门预冷器或二者相结合的装置完成。其中一些设备通过冷机组使冷冻水或冷却水循环；也有一部分使用制冷剂进行冷却。如果配置得当，这些都优于传统的冷却方式。除了这些方法之外，就是直接在处理器上使冷却剂循环或将服务器沉浸于冷却液中。

数据中心不再有任何理由仍然按老的方式制冷。实际上如果按照ASHRAE TC 9.9出版的《数据处理环境热准则》进行操作，就可以节省更多的能源。该准则允许设备的入口温度维持在27℃(80.6°F)，如有必要，在不明显加大风扇转速的前提下，在少许几天内甚至可以更高一些。

之所以限定在27℃，是因为高于此温度风扇的转速会大幅加快，从而导致大量的能源浪费(风扇速度加快1倍而所需的能量却要增加8倍)。数以千计的服务器风扇增加的功耗可以迅速抵消在较高温度操作时节省的能量。现如今将空气输送的温度控制在75°F左右，比采用了数十年的55°F标准温度要好得多。

这种较高温度的运行对于传统和新型的计算机都适用。它使自然冷却的时间更长，采用室外的空气代替机械制冷，通过水侧节约装置(通过空气去除循环水中的热量)，或空气-空气热交换器(空气自然冷却)来散热。

水在数据中心内的作用

几乎所有的高密度系统在冷却过程中都会用到水。水可以直接在机柜里或硬件中流动，或在控制单元中循环，然后将制冷剂配送到冷却装置。水在散热的效率上远远超过了空气。随着温度的持续上升，数据中心中液体的使用将变得更为普遍。虽然这种设计让大多数IT人士感到很忧虑，但是只要管道系统设计得当，安装合理，有充分的泄漏检测，该系统的可靠性还是很强的。实际上管道泄漏的概率很小。

对于多数的数据中心来说，即便现在还没有装备需要使用水循环的设备，但很有可能最终都会用上。管道设计时，在重要位置设置一些额外的接头，意味着该数据中心已为安装后门冷却器、水冷式机柜、直接冷却服务器，或任何新出现的冷却形式做好了准备。

功率的消耗都伴随着热量的产生

虽然冷却是节能最主要的部分，但数据中心中几乎所有的热量都是由功耗产生的，因此也必须考虑降低功耗。数据中心的供电系统基本都涉及到可靠性的问题，尽管不再是必须的，但在大多数情况下，可靠性仍然比效率更为重要。因而，首要功率的问题又回到了制冷的设计上。

发动机消耗了大量的电能，特别是风机、水泵及冷水机组的发动机。可以采用两个基本的解决方案：风机、水泵和冷水机组电机采用变频驱动(VFD)；另外可以采用电子换向(EC)的风扇电机。变频驱动可以调节发动机的转速，使之与传感器所测得的制冷需求相匹配，因此，当制冷的需求减少时设备就不用全速运行了。在正常情况下，通过采用变频控制常常都可以使冗余系统的每个部分更低速地运转，这比原来只运转主机、需要时才启动冗余系统的方式更节能。这种方法也可以确保冗余单元总是处于可运行状态，一旦主机出现故障，立即就能替代其投入运行。EC电机(无刷直流电机)由于它的节能设计，比传统电机能节约高达30%以上的能耗。

一个超大的不间断电源(UPS)是原先造成能源浪费的主要根源，而如今大多数的UPS采用的是双转换的设计，这就意味着输入的交流电源通过整流变成直流电，给电池充电，然后通过逆变器又转换为交流电。在转换过程中每一步都会有一定的热消耗，并在传动链中的每一次转换会进一步产生热损失。

近年来，虽然UPS的设计更加高效，但是在满负荷的情况下，即使最好的装置也只能达到95%～97%，这就意味着有3%～5%的功耗被浪费了(这相当于一个1MW系统中的50kW或是1 200 kWh)。如果UPS在其容量范围内低功率运行(30%的额定负载)，其效率会戏剧性地降到80%或更低的范围内。此问题在冗余系统运行时会更加严重，因为一个“2N”装置要求其另一半(UPS、PDU等)被加载时不能超过其容量的50%，才能保证在需要时能满负荷工作。但是如果UPS系统一开始就过载工作(通常是由于较差的负载估计，或用来满足理论上长期未来的增长)，在实际使用过程中很容易(尤其是在一个冗余系统)就会下降15%～20%，这会直接导致极低的效率并产生巨大的能量损失和浪费。

为此，针对以上难题，提出两个较好的解决方案：

1)采用容量合适的UPS系统以保证渐进式增长；

2)使用新的智能在线互动式UPS，可使平均效率达到98%～99%。

也有一些系统采用高压直流供电方式运行，从而完全地避免双重转换。但是该方法在业内还存在一些争议。

不论采用哪种类型的UPS和配置方法，计算机硬件都将在更高的电压下运行。在208V，供电电源能更有效地运行。此外，尽量使用较少的导体就意味着可以减少铜的用量。唯一的不足是对相位平衡提出了更大的挑战，因为此时每个负载都占用三相电源中两相。若能结合良好的监测系统，此问题就能迎刃而解，从而取得更高效的运行效果和实现UPS容量和效率的最大化。