數(shù)據(jù)中心的液體冷卻與空氣冷卻

為了提高計(jì)算能力并保持?jǐn)?shù)據(jù)中心的運(yùn)行溫度正常，很多組織已經(jīng)從空氣冷卻過渡到液體冷卻。

　　數(shù)據(jù)中心繼續(xù)將更多的計(jì)算能力整合到更小的空間中，以整合工作負(fù)載并容納和處理密集型應(yīng)用程序，例如人工智能和高級分析。因此，數(shù)據(jù)中心的機(jī)架消耗更多的能量并產(chǎn)生更多的熱量，從而對數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)帶來更大的壓力，以確保安全有效的運(yùn)行。

　　在以往，數(shù)據(jù)中心可能依靠空氣冷卻技術(shù)來維持正常的工作溫度。而保持更高的功率密度是空氣冷卻面臨的一個重大挑戰(zhàn)，促使許多組織開始考慮采用液體冷卻技術(shù)。
　　
　　在討論采用液體冷卻和空氣冷卻技術(shù)時有許多因素要考慮。以下描述了這兩種主要的數(shù)據(jù)中心冷卻方法，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和成本。
　　
　　什么是空氣冷卻?
　　
　　數(shù)據(jù)中心從一開始就一直在使用空氣冷卻技術(shù)，并繼續(xù)廣泛使用。盡管這些年來冷卻技術(shù)不斷發(fā)展，冷卻系統(tǒng)的效率越來越高，但基本概念一直保持不變。冷空氣在硬件周圍循環(huán)，通過用較冷的空氣交換熱空氣來消散熱量。
　　空氣冷卻系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于它們?nèi)绾慰刂茪饬?。這些系統(tǒng)通常分為三種類型：基于房間、基于行、基于機(jī)架。
　　基于房間的系統(tǒng)有幾種類型?？諝饪赡軙谡麄€房間內(nèi)循環(huán)，或者可能會加高設(shè)備附近的地板，冷空氣在地板下通過進(jìn)行冷卻。而基于房間的冷卻系統(tǒng)已經(jīng)整合了冷熱通道，以更好地控制氣流和設(shè)備。在更先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)中，可以采用圍堵技術(shù)更精確地引導(dǎo)氣流。
　　采用基于行的方法，每行包含專用冷卻單元，這些冷卻單元針對特定設(shè)備的氣流。這種方法提高了冷卻效率，并減少了引導(dǎo)氣流所需的風(fēng)扇能耗。
　　基于機(jī)架的系統(tǒng)通過將冷卻單元專用于特定的機(jī)架，更進(jìn)一步進(jìn)行冷卻，與其他方法相比，其精度和效率更高。但是該系統(tǒng)需要更多的冷卻設(shè)備，并且產(chǎn)生更多的復(fù)雜性。
　　多年來，空氣冷卻已被證明是保護(hù)數(shù)據(jù)中心設(shè)備的寶貴工具。其背后的技術(shù)已廣為人知并得到廣泛部署。數(shù)據(jù)中心人員通常熟悉風(fēng)冷及其保持運(yùn)行所需的條件，而維護(hù)這些系統(tǒng)是一個簡單的過程，其背后有大量的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)提供支持。
　　
　　空氣冷卻的缺點(diǎn)
　　
　　不幸的是，空氣冷卻技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)。最重要的是它無法滿足現(xiàn)代工作負(fù)載需求。空氣冷卻根本趕不上功率密度的增加和繁重的工作負(fù)荷的發(fā)展。在某種程度上，用于空氣冷卻的資本支出不再合理?？諝饫鋮s已經(jīng)占了數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本的很大一部分，不斷上升的能源成本只會加劇這一問題。
　　對于依靠蒸發(fā)冷卻或冷卻塔的空氣冷卻系統(tǒng)來說，用水的限制和成本也可能帶來挑戰(zhàn)。此外，更高的功率密度會導(dǎo)致部署更多的冷卻風(fēng)扇和水泵，使數(shù)據(jù)中心更加嘈雜，因此工作人員必須佩戴保護(hù)性聽力設(shè)備。
　　潛在的問題是，盡管空氣被廣泛使用，但仍然不是有效的傳熱介質(zhì)，因此需要更好的冷卻解決方案來滿足當(dāng)今數(shù)據(jù)中心的需求。
　　
　　什么是液體冷卻?
　　
　　數(shù)據(jù)中心已開始采用液體冷卻，而不僅僅是應(yīng)用在大型機(jī)和超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用場合。水和其他液體的傳熱效率比空氣高得多，并且可以幫助解決空氣冷卻系統(tǒng)帶來的一些挑戰(zhàn)，尤其是功率密度的提高。
　　越來越受關(guān)注的一種液體冷卻技術(shù)是直接基板冷卻。在這種配置中，冷卻板直接位于組件(例如CPU、GPU或存儲設(shè)備)旁邊。通過連接到基板上細(xì)小管道帶來冷水并帶走溫水。然后將溫水冷卻并重新循環(huán)冷卻設(shè)備。
　　類似的概念可以應(yīng)用于機(jī)架或服務(wù)器級別。水或其他類型的冷卻劑通過閉環(huán)系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行熱交換。盡管其確切的冷卻過程根據(jù)解決方案的不同而有所不同，但它們通常使用封閉循環(huán)的冷卻劑，用于散發(fā)熱量的交換器和在冷卻劑循環(huán)時降低冷卻劑溫度的機(jī)構(gòu)。例如，交換器可以安裝在機(jī)架的背面，而風(fēng)扇安裝在另一側(cè)，以促進(jìn)空氣循環(huán)并散發(fā)熱量。另一個系統(tǒng)可能會將冷卻劑輸送到地板下面的管道以提供冷卻。
　　浸入式冷卻技術(shù)正在取得新進(jìn)展。在這種方法中，所有的服務(wù)器組件都浸沒在不導(dǎo)電的冷卻液中，然后將組件和冷卻液裝入密封的容器中以防止泄漏。以這種方式，來自部件的熱量被傳遞到冷卻液，該冷卻液被循環(huán)和冷卻以實(shí)現(xiàn)持續(xù)散熱。
　　因?yàn)橐后w冷卻的導(dǎo)熱性比空氣好，所以它可以更有效地處理數(shù)據(jù)中心不斷增長的功率密度，從而有助于滿足計(jì)算密集型應(yīng)用程序的需求。此外，液體冷卻大幅降低了能耗，并且比許多空氣冷卻系統(tǒng)使用的水更少，這可以降低運(yùn)營成本。液體冷卻還占用更少的空間，并產(chǎn)生更少的噪音。
　　
　　液體冷卻的缺點(diǎn)
　　
　　盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但是液體冷卻也有其缺點(diǎn)。除了更高的資本支出之外，它還要求IT人員和數(shù)據(jù)中心管理員學(xué)習(xí)新技能并采用新的管理框架，這可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
　　這也可能意味著數(shù)據(jù)中心要引進(jìn)新的運(yùn)營人員或技術(shù)顧問，從而進(jìn)一步削弱運(yùn)營成本的優(yōu)勢。此外，液體冷卻市場仍在日趨成熟，其技術(shù)范圍很廣，從而導(dǎo)致專有產(chǎn)品和供應(yīng)商鎖定的風(fēng)險(xiǎn)。
　　
　　選擇空氣冷卻還是液體冷卻時要考慮的因素
　　
　　建立新的數(shù)據(jù)中心或更新現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的組織可能正在評估現(xiàn)在是實(shí)施液體冷卻還是堅(jiān)持采用空氣冷卻技術(shù)的好時機(jī)。如果是這樣，他們需要考慮以下幾個重要因素：
　　
　　(1) 成本
　　成本無疑將是決定性因素之一，但是達(dá)到真正的總擁有成本(TCO)可能是一個復(fù)雜的過程。盡管液體冷卻的資本支出較高，但其較高的效率可以轉(zhuǎn)化為較低的運(yùn)營支出，尤其是隨著功率密度的增長。另外，液體冷卻使用較少的電力和水，這在缺水地區(qū)尤為重要。另一方面，供應(yīng)商鎖定的風(fēng)險(xiǎn)可能會影響長期的總體擁有成本。
　　評估系統(tǒng)時也應(yīng)考慮服務(wù)器本身。液體冷卻可以支持更高的計(jì)算密度，同時減少占用數(shù)據(jù)中心的空間，從而提高空間利用率并降低成本。對更高功率密度的支持可以使由于空氣冷卻限制而無法執(zhí)行處理密集型工作負(fù)載的組織受益。支持這些工作負(fù)載可以轉(zhuǎn)化為更多的成本節(jié)省。
　　
　　(2) 易于安裝和維護(hù)
　　
　　另一個重要的考慮因素是部署和維護(hù)冷卻系統(tǒng)需要采取的措施。使用空氣冷卻技術(shù)，操作設(shè)備和更換組件通常很簡單。這并不是說空氣冷卻不會面臨自身的挑戰(zhàn)，例如正在進(jìn)行的水處理或機(jī)械維護(hù)，但卻能夠獲得更多的支持。
　　液體冷卻代表著一種新的思維方式工作方式。IT和數(shù)據(jù)中心團(tuán)隊(duì)將面臨艱難的學(xué)習(xí)曲線，在某些情況下，可能需要依靠供應(yīng)商進(jìn)行日常維護(hù)。例如，如果IT部門需要更換使用浸入式冷卻的服務(wù)器中的內(nèi)存，那么該怎么辦?在分析成本時，組織必須評估部署和維護(hù)冷卻系統(tǒng)的所有影響。
　　
　　(3) 效率
　　
　　有些組織并不支持需要高功率密度的高級工作負(fù)載類型，因此可能無法過渡到液體冷卻技術(shù)。也就是說，隨著數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商更好地利用數(shù)據(jù)中心占地面積以及IT整合工作負(fù)載以提高效率，功率密度只會在未來幾年內(nèi)增長。在某個時候，液體冷卻技術(shù)可能會成為唯一可行的選擇，但這并不意味著組織必須急于采用。
　　在決定采用液體冷卻還是空氣冷卻技術(shù)時，其他考慮因素也可能起到重要作用。例如，組織可能正朝著更綠色環(huán)保的數(shù)據(jù)中心實(shí)踐邁進(jìn)，并且可能希望采用諸如液體冷卻之類的技術(shù)，該技術(shù)使用更少的資源并且更加安靜。位置也可能是一個因素。在北極附近運(yùn)營的數(shù)據(jù)中心可以使用大量冷空氣，而在工廠附近或其他惡劣環(huán)境中運(yùn)營的數(shù)據(jù)中心則可能難以維護(hù)空氣冷卻系統(tǒng)。在擁擠的城市環(huán)境中，數(shù)據(jù)中心可能需要增加功率密度，以最大限度地利用占地面積。而地方法規(guī)、稅收優(yōu)惠或類似問題也能發(fā)揮重要作用。
　　
　　技術(shù)成熟度在冷卻選擇中的作用
　　
　　液體冷卻技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，除了應(yīng)用在大型機(jī)和超級計(jì)算機(jī)以外，這是一個新興的行業(yè)。因此，很難衡量哪些冷卻技術(shù)將成為領(lǐng)導(dǎo)者，如何使這些冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化或者是在四五年后會發(fā)生什么。
　　采用空氣冷卻技術(shù)，組織可以知道他們要進(jìn)入的領(lǐng)域，但是其長期應(yīng)用可能會受到限制。而不需要倉促做出決定的組織可能對采用液態(tài)冷卻技術(shù)采取觀望和等待的時間。那些已經(jīng)感受到其危機(jī)的組織可能會考慮采取分階段的液體冷卻方法。