海底数据中心的散热优化设计

席欣然

（吉林财经大学，吉林 长春 130022）

1 研究背景

本文是对海底数据中心的优化设计进行研究，在资源矛盾日益突出的今天，该研究完全符合绿色可持续发展战略，既可以有效的将数据回传给互联网，也有效的节约了资源。针对如何在有限的集装箱外壳中放入最多数量的服务器、如何达到最佳散热效果进行合理分析和建模，并在考虑到海水的低温和压强的条件下，选择综合性能最强的金属物来制作散热服务器，并在研究后给微软、谷歌、华为等公司的海底数据中心的外壳散热提供设计方案，加以推广和改进，具有一定的现实意义。

2 模型的建立

2.1 海底散热器放置个数的最优化

结合实际情况和题意分析，固体在液体中的冷却方式为强制对流传热。根据牛顿冷却定律，即温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循规律——当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比。

仅考虑服务器的散热需求，可以对模型进行合理的简化，对于1U 服务器的安放，我们分别从长、宽、高三个角度考虑，开展线性规划，同时结合体积，散热等限制因素，计算出结果来确定最合适的1U 服务器数量。

建立空间直角坐标系，规定平行于海平面的方向为X 轴方向，海平面以下垂直于X 轴的方向为Y 轴方向，而垂直于海平面的方向为Z 轴方向。x,y,z 分别表示X 轴方向，Y 轴方向，Z 轴方向上的1U 服务器个数。

N=max(x*y*z)考虑到体积的限制，得出以下不等式（图1）：

图1 集装箱横截面图

x*525≤12000

y*486.2≤1000

z*44.5≤1000

d2+h2≤5002

经过线性计算，可得出在不考虑散热条件下的X 轴，Y 轴，Z 轴的1U 服务器安装数量。其余两个方面的分析方法同理。考虑以上限制因素，从长、宽、高分别考虑服务器安装方式结果如表1。

表1 分别根据长、宽、高计算的安装方式

对比以上三种结果可知，将1U 服务器的长平行于海平面安装，即横向截面安装的方法要明显好于另外两种。故得出结论：单个集装箱外壳中最多可以放置330个服务器。

2.2 海底数据中心散热器材料的最优选择

由于深海海水温度更低，能够使得集装箱获得更好的散热效果，但同时深海海水压力更大，导致对集装箱的抗压能力要求更高，并且海水具有较强的腐蚀性，因此在价格合理的情况下，需要找到综合能力较强的材料作为海底集装箱的制作。首先将目前发现的金属制品分为了铝合金、镍合金、钛及钛合金、不锈钢和其他金属。根据腐蚀性和价格因素进行筛选后，可认为镍合金中的铬镍铁合金抗腐蚀性较强、钛及钛合金腐蚀类型基本均抗腐蚀[1]，可运用AHP 层次分析法和熵权法进行综合评价。根据三种金属的价格、密度、弹性强度、抗弯强度和抗拉强度，给予他们不同的权重，根据每种合金的含量以及从中国金属网获得的金属价格的数据，利用标准化后的数据计算出每种材料的价格，从而计算出相应的综合评价指数，并根据价格、密度、弹性强度、抗弯强度和抗拉强度五个指标的重要程度不同，赋予它们不同的权重，如表2。

表2 金属材料的各项指标

计算出金属材料的综合指标，如表3。

表3 金属材料的综合评价指标

综合指标最优的金属材料为铬镍铁合金，其次是钛6Al-4v。铬铁镍合金虽然价格较低，但密度仅为钛6Al-4V 的二分之一，我们认为密度太低会使集装箱在深海中不够稳定，且两者的综合指标相差并不多，所以，综合来看，钛6Al-4V 性能更优，更适合作为深海集装箱的主材料，铬镍铁合金可以用作钢丝绳、螺旋桨叶片、弹簧紧固件等配件。

对于非金属材质，我们将其分为聚合物，橡胶和弹性体、混凝土和玻璃、纤维增强塑料，从弹性强度、抗拉强度和水吸收三方面进行讨论。将各类材料及其特质进行标准化描述，并根据不同特质的重要程度，赋予其不同权重。其中最后三种增强环氧树脂我们不对其水吸收性做出讨论，因此我们对这两类赋予两个不同的权重，得到表4。

表4 非金属材料的各项指标

最终，计算出非金属材料的综合指标，如表5。

表5 非金属材料的综合评价指标

纤维增强塑料中，凯夫拉尔49 增强环氧树脂的综合指标最高；聚合物，橡胶和弹性体中，尼龙、缩醛，标准均聚物和丙烯酸指标较高，可用于集装箱船体各种配件的制作。

2.3 潮汐与季节等因素对海底数据中心散热的影响及解决

2.3.1 各种因素对集装箱的影响

经过多方实验和研究证实潮汐和季节的变动会对水温等水文因素进行影响。这种影响会让潮汐区域地带处于一种长期干湿交替状态。在湿润的状态下为侵蚀提供了电解质环境，而干燥的时候又为侵蚀提供了充足的氧气，进行侵蚀。海洋腐蚀主要与海水含氧量、海水流速和深度、钙质沉积，以及海水的污染情况和海洋植物的光合作用等有关。海底技术难题：受到海底环境的影响我们对于电力供给，制冷能力有着很大的考验（海底压力对制冷系统有着很大影响），设计防止海水浸入，忍耐海下巨大水压的箱类容器是非常有必要的，这直接联系到海下环境对于海底数据中心散热效果影响。

海洋环境：海底环境与陆面有很大不同，不同海域有不用的压力，有些高压对于海底数据中心散热效果有着巨大的影响，另外海底生物的存在也是一个很大的变化量。海底生物会对海底数据中心散热效果撞击，个别生物甚至会附着在海底数据中心容器表面，对于海底数据中心散热效果会有很大的影响。海底低温也是一大影响因素。

多变性：对于海底数据中心散热效果有着很大的影响。

2.3.2 解决方案

通过上面对于潮汐、季节与其他因素对于散热性影响分析，我们在具体分析各因素对于海底数据中心散热效果影响时，应该结合一个随时间变化的多维度影响过程，然后建立一个基于因子分析和动态规划的多元时间序列分段模型。

步骤一:录入原始多元时间序列同时进行标准化处理，再设置自回归阶数最高量和最大分段的个数的参数数值，见图2。

图2 自回归输出结果

步骤二: 计算任意两个变量之间的Pearson 相关系数,通过我们学习到的统计知识，根据显著的正相关性对变量序列进行增量聚类,得到多个簇。

步骤三: 对于聚类获得的每个簇,我们进行分情况进行下一步分析。

如果某一个簇中只包含一个变量,则将该簇中拥有变量序列直接加入到低维的多元时间序列数据中集中。

如果所有簇中都包含多个变量，则将利用动态的因子模型从该簇中的多变量序列数据集提取出一条能够使用的共同因子序列, 然后将处理后得到的共同因子序列加入低维多元时间序列数据集，准备下一步分析。

步骤四: 我们用向量自回归模型对之前得到的维度为n 的低维多元时间序列进行拟合处理, 然后根据赤池信息准则选择出最大的自回归阶数pmax。

步骤五:对于每个可能的自回归阶数p=0，1，…,pmax,分别用动态规划找到N=2，…对应最优分段的相关位置,并且计算出最小段的代价。

步骤六: 将自回归阶数、分段个数量及相应的最小段代价值代入到 贝叶斯信息准则 计算公式, 选择出最优的自回归阶数p 和分段个数N。

步骤七: 经过回溯,得到低维多元时间序列的全局最优分段位置t,同时我们也将其也视为原始多元时间序列的全局最优分段位置地点。

3 对海底数据的外壳散热提供设计方案

2021 年1 月10 日，全国首个海底数据舱在珠海高栏港揭幕，这标志着我国大数据中心走进了“海洋时代”。通过对比计算结果可知，将IU 服务器的长平行于海平面安装，即横向截面安装的方法要明显好于另外两种。并得出在仅考虑服务器的散热需求的情况下，单个集装箱外壳中最多可以放置330 个服务器的结论，具体数量可按照实际情况进行灵活调整的。同时作为国内首个海底数据舱，虽无经验可以借鉴，但在罐体钢结构制造中，专业的焊接技师对材料从材料和焊接工艺方面进行了深入探索和研究，层层把关质量，最终一次性通过压力密闭试验。

对材料进行分类筛选和详细的计算，推荐使用以下材料。在金属材料中我们建议采用铬镍铁合金和钛6Al-4V，价格较实惠且性能良好，有较好的弹性强度、抗弯强度和抗拉强度且水吸收百分率较小，钛6Al-4V 性能更优，更适合作为深海集装箱的主材料，铬镍铁合金可以用作钢丝绳、螺旋桨叶片、弹簧紧固件等配件。非金属材料建议大量采用凯夫拉尔49 增强环氧树脂、尼龙、缩醛，标准均聚物和丙烯酸，用于集装箱船体各种配件的制作。

考虑到潮汐运动，季节变化和海底其他影响因素对于海底数据中心散热有的不同层面上的影响。如潮汐“湿”作用提供电解质环境，“干”作用提供足够氧气，它会影响附近海域的海水温度和，这些都会促进对金属等物质的侵蚀。

通过研究，建议：(1)数据中心容器使用的材料应该具有强大的抗氧化能力。(2) 它还应该拥有一个坚硬的外壳，能抵御外来攻击或者碰撞。(3)表面涂抹驱赶生物附着的化学物质，防止生物附着对海底数据中心的散热功能造成影响。(4)另外容器应该有强大的供电能力，能够长期供给能源，防止常常动力不足失去运作能力。(5)并且它所用的材料应该要能够适应海底多变的环境变化。