液冷服务器可有效降低数据中心PUE

目前,冷板式的液冷技术已经比较成熟,具备了产业化的可行性。但对于更具革命性的浸没式液冷技术,仍然处于发展初期。据了解,液冷服务器的用户主要还是大型数据中心和超级计算中心,这些用户对于高密度扩展、绿色节能、机房静音的需求比较迫切,已经有一些用户开始使用液冷服务器,不过对于企业级应用,无论是普通的服务器,还是大型数据中心,液冷技术的普及之路还刚开始。

高密度数据中心发展至今,迫切需要解决的问题是降低PUE值。随着电子信息机房IT设备和供配电系统的高度集成化,机房散热量日渐趋高,必须要有强大的制冷系统,来维持机房的环境温度能保持在一个合理范围内。从图1中可以看出,电力在数据中心的消耗仅有33%供给了IT负荷,散热负荷却高达63%,也就是说,散热负荷已经远远超过了IT设备的负荷。这意味着,降低IT设备的发热量,可相应地降低散热负荷,也就是降低了用于制冷设备的电力,这对于降低PUE值是一个关键的因素。

在现代电子信息机房中,空调负荷主要来自计算机主机设备、外部辅助设备的发热量,这些发热量大约占机房空调总热量的80%～95%,而在计算机主设备(包括服务器、存储、网络等)中,服务器所产生的热量约占到80%左右。可见,降低服务器的发热量,从而降低制冷系统的能耗是至关重要的。

目前,很多数据中心的服务器散热采用风冷技术,即用空气来冷却。空气并不是很好的冷媒。若采用液冷,其冷却效果比空气强1000～3000倍。风冷所不能解决的高能耗、低性能的问题,用液冷技术却可以得到显著的改善。服务器也因此实现了高密度、低噪音、低传热温差、全年自然冷却的效果。

液冷是利用工作流体作为热量传输的媒介,将热量由热区传递到远处再进行冷却。由于液体比空气的比热大很多,散热速度也远远大于空气,因此制冷效率远高于风冷散热,由于省去了风扇,也能达到降低噪音的效果。

液冷服务器不用压缩机制冷,使得整个系统全年PUE值下降到1.2以下并非难事,同时服务器CPU可超频运行,计算性能可提高12%。国外研究表明,CPU核温每提高10℃,可靠性降低一半。而液冷服务器的CPU核温比风冷极限温度可低20～30℃,可靠性必将大大提高。

液冷服务器的原理制冷系统的制冷原理主要在于冷量传输的途径差异。冷媒的全热为显热与潜热之和。湿热是液体在加热或冷却过程中,温度升高或降低而不改变其原有相态,所需吸收或放出的热量时,不发生相变;而潜热是相变潜热的简称,为单位质量的物质在等温等压情况下,从一个相变化到另一个相时,所吸收或放出的热量。这是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一,固、液之间的潜热称为熔解热或凝固热,液、气之间的潜热称为汽化热或凝结热,而固、气之间的潜热称为升华热或凝华热。

对于超高功率密度的数据中心来说,风冷技术难以实现对系统的高效散热,而水冷或液冷有两大好处:一是把冷却剂直接导向热源,而不是像风冷那样间接制冷;二是和风冷相比,每单位体积所传输的热量(散热效率)比风冷高几千倍。

由于液体的比热容大,能吸收大量的热量而保持温度不会有明显的变化,液冷系统中CPU的温度能够得到很好的控制,突发的操作不会引起CPU内部温度瞬间大幅度的变化,因此能允许CPU进行超频工作,从而节省服务器的数量。此外,由于泵的噪声很小,整个液冷系统的噪音比与风冷系统小很多,可达到“静音机房”的效果。此外,由于省掉了风扇及机房专用空调系统,因此节省了电费和耗能。

该技术可广泛应用于超高功率密度数据中心中服务器的散热,为数据中心的散热问题提供一个优异的解决方案

值得一提的是,服务器的液冷技术并不需要昂贵的水冷机组,在减少总体拥有成本的同时,显著提高了数据中心的能源效率,而且做到了绿色环保。它还可以控制运营成本,使初始投资实现快速回报。这在那些高电力成本、高运营成本的数据中心显得尤其重要。

使用液冷系统的节能效果十分明显。服务器前部必须要保持25℃以下才能稳定工作,精密空调想要保持这个温度,必须在空调冷风口达到18～20℃,而液冷媒只要能达到20～25℃就可以。另一方面,远程制冷的效率比较低,而液冷媒在相对封闭的运行环境中,效率较高。

形象地理解,液冷设备与精密空调的区别,就像冰箱制冷与冷库制冷的区别。对机房来说,液冷媒将每个机柜包装成为一个“冰箱”,而精密空调则把整个机房制冷视为一个“冷库”,其能耗的差别不言而喻。使用液冷技术节能的效果不仅仅在于制冷方面,液冷技术有一个与众不同的系统,叫Freecooling(自然冷却系统)。液冷媒的进口温度需要低于15℃,而当环境温度低于15℃时,就可以不需要通过循环制冷来制冷液体,仅仅用自然冷量制冷即可。这一切都是自动调节的,不需要人工操作。使用液冷系统的节能效果十分明显。