數據中心的液體冷卻與空氣冷卻

2020-11-04 17:26:31      點擊:

為了提高計算能力并保持數據中心的運行溫度正常,很多組織已經從空氣冷卻過渡到液體冷卻。
  數據中心繼續將更多的計算能力整合到更小的空間中,以整合工作負載并容納和處理密集型應用程序,例如人工智能和高級分析。因此,數據中心的機架消耗更多的能量并產生更多的熱量,從而對數據中心的冷卻系統帶來更大的壓力,以確保安全有效的運行。
  在以往,數據中心可能依靠空氣冷卻技術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,促使許多組織開始考慮采用液體冷卻技術。
  在討論采用液體冷卻和空氣冷卻技術時有許多因素要考慮。以下描述了這兩種主要的數據中心冷卻方法,并比較了它們的優缺點和成本。
  
  什么是空氣冷卻?
  
  數據中心從一開始就一直在使用空氣冷卻技術,并繼續廣泛使用。盡管這些年來冷卻技術不斷發展,冷卻系統的效率越來越高,但基本概念一直保持不變。冷空氣在硬件周圍循環,通過用較冷的空氣交換熱空氣來消散熱量。
  空氣冷卻系統之間的主要區別在于它們如何控制氣流。這些系統通常分為三種類型:基于房間、基于行、基于機架。
  基于房間的系統有幾種類型?諝饪赡軙谡麄房間內循環,或者可能會加高設備附近的地板,冷空氣在地板下通過進行冷卻。而基于房間的冷卻系統已經整合了冷熱通道,以更好地控制氣流和設備。在更先進的冷卻系統中,可以采用圍堵技術更精確地引導氣流。
  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備的氣流。這種方法提高了冷卻效率,并減少了引導氣流所需的風扇能耗。
  基于機架的系統通過將冷卻單元專用于特定的機架,更進一步進行冷卻,與其他方法相比,其精度和效率更高。但是該系統需要更多的冷卻設備,并且產生更多的復雜性。
  多年來,空氣冷卻已被證明是保護數據中心設備的寶貴工具。其背后的技術已廣為人知并得到廣泛部署。數據中心人員通常熟悉風冷及其保持運行所需的條件,而維護這些系統是一個簡單的過程,其背后有大量的行業經驗提供支持。
  
  空氣冷卻的缺點
  
  不幸的是,空氣冷卻技術也面臨一些挑戰。最重要的是它無法滿足現代工作負載需求?諝饫鋮s根本趕不上功率密度的增加和繁重的工作負荷的發展。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已經占了數據中心運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。
  對于依靠蒸發冷卻或冷卻塔的空氣冷卻系統來說,用水的限制和成本也可能帶來挑戰。此外,更高的功率密度會導致部署更多的冷卻風扇和水泵,使數據中心更加嘈雜,因此工作人員必須佩戴保護性聽力設備。
  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,因此需要更好的冷卻解決方案來滿足當今數據中心的需求。
  
  什么是液體冷卻?
  
  數據中心已開始采用液體冷卻,而不僅僅是應用在大型機和超級計算機應用場合。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帶來的一些挑戰,尤其是功率密度的提高。
  越來越受關注的一種液體冷卻技術是直接基板冷卻。在這種配置中,冷卻板直接位于組件(例如CPU、GPU或存儲設備)旁邊。通過連接到基板上細小管道帶來冷水并帶走溫水。然后將溫水冷卻并重新循環冷卻設備。
  類似的概念可以應用于機架或服務器級別。水或其他類型的冷卻劑通過閉環系統循環進行熱交換。盡管其確切的冷卻過程根據解決方案的不同而有所不同,但它們通常使用封閉循環的冷卻劑,用于散發熱量的交換器和在冷卻劑循環時降低冷卻劑溫度的機構。例如,交換器可以安裝在機架的背面,而風扇安裝在另一側,以促進空氣循環并散發熱量。另一個系統可能會將冷卻劑輸送到地板下面的管道以提供冷卻。
  浸入式冷卻技術正在取得新進展。在這種方法中,所有的服務器組件都浸沒在不導電的冷卻液中,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,該冷卻液被循環和冷卻以實現持續散熱。
  因為液體冷卻的導熱性比空氣好,所以它可以更有效地處理數據中心不斷增長的功率密度,從而有助于滿足計算密集型應用程序的需求。此外,液體冷卻大幅降低了能耗,并且比許多空氣冷卻系統使用的水更少,這可以降低運營成本。液體冷卻還占用更少的空間,并產生更少的噪音。
  
  液體冷卻的缺點
  
  盡管有這些優點,但是液體冷卻也有其缺點。除了更高的資本支出之外,它還要求IT人員和數據中心管理員學習新技能并采用新的管理框架,這可能是一項艱巨的任務。
  這也可能意味著數據中心要引進新的運營人員或技術顧問,從而進一步削弱運營成本的優勢。此外,液體冷卻市場仍在日趨成熟,其技術范圍很廣,從而導致專有產品和供應商鎖定的風險。
  
  選擇空氣冷卻還是液體冷卻時要考慮的因素
  
  建立新的數據中心或更新現有數據中心的組織可能正在評估現在是實施液體冷卻還是堅持采用空氣冷卻技術的好時機。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,但是達到真正的總擁有成本(TCO)可能是一個復雜的過程。盡管液體冷卻的資本支出較高,但其較高的效率可以轉化為較低的運營支出,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,這在缺水地區尤為重要。另一方面,供應商鎖定的風險可能會影響長期的總體擁有成本。
  評估系統時也應考慮服務器本身。液體冷卻可以支持更高的計算密度,同時減少占用數據中心的空間,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行處理密集型工作負載的組織受益。支持這些工作負載可以轉化為更多的成本節省。
  
  (2) 易于安裝和維護
  
  另一個重要的考慮因素是部署和維護冷卻系統需要采取的措施。使用空氣冷卻技術,操作設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,例如正在進行的水處理或機械維護,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和數據中心團隊將面臨艱難的學習曲線,在某些情況下,可能需要依靠供應商進行日常維護。例如,如果IT部門需要更換使用浸入式冷卻的服務器中的內存,那么該怎么辦?在分析成本時,組織必須評估部署和維護冷卻系統的所有影響。
  
  (3) 效率
  
  有些組織并不支持需要高功率密度的高級工作負載類型,因此可能無法過渡到液體冷卻技術。也就是說,隨著數據中心運營商更好地利用數據中心占地面積以及IT整合工作負載以提高效率,功率密度只會在未來幾年內增長。在某個時候,液體冷卻技術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保的數據中心實踐邁進,并且可能希望采用諸如液體冷卻之類的技術,該技術使用更少的資源并且更加安靜。位置也可能是一個因素。在北極附近運營的數據中心可以使用大量冷空氣,而在工廠附近或其他惡劣環境中運營的數據中心則可能難以維護空氣冷卻系統。在擁擠的城市環境中,數據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、稅收優惠或類似問題也能發揮重要作用。
  
  技術成熟度在冷卻選擇中的作用
  
  液體冷卻技術面臨的最大挑戰之一是,除了應用在大型機和超級計算機以外,這是一個新興的行業。因此,很難衡量哪些冷卻技術將成為領導者,如何使這些冷卻技術實現標準化或者是在四五年后會發生什么。
  采用空氣冷卻技術,組織可以知道他們要進入的領域,但是其長期應用可能會受到限制。而不需要倉促做出決定的組織可能對采用液態冷卻技術采取觀望和等待的時間。那些已經感受到其危機的組織可能會考慮采取分階段的液體冷卻方法。

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