泛家庭数据中心碳排放的解决之道

服务器 数据中心
在我们国家力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的背景下,泛家庭数据中心在运营过程中如何实现绿色低碳尤其需要关注。

作者 | 周春鹏,单位:中移(杭州)信息技术有限公司

​Labs 导读

在我们国家力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的背景下,泛家庭数据中心在运营过程中如何实现绿色低碳尤其需要关注。

Part 01  泛家庭数据中心为什么需要解决碳排放问题? ● 

随着我国新基建的开始和云计算的迅速兴起,为家庭业务、云业务等提供服务的泛家庭数据中心成为了新的建设重点,其作为数字经济的承载体的重要性与日俱增。正是有了这些泛家庭数据中心,我们平时在家才能无忧无虑地追剧、刷抖音。由于泛家庭数据中心需要大量电力来维持服务器、空调系统、冷却系统、存储网络设备等设施的运行,能耗和碳排放也是迅速增长。在我们国家力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的背景下,泛家庭数据中心在运营过程中如何实现绿色低碳尤其需要关注。

Part 02  泛家庭数据中心碳排放痛点在哪? 

当前数据中心的PUE(电能源利用率)较好的情况下普遍在1.5左右,相当于1度电产生的算力另外还需要0.5度电进行冷却、灯光等基础设施维护。其中用来对机房内部散热的冷却系统消耗了最多的电力。当前数据中心都是使用空调进行散热,将服务器等算力设备产生的热量通过空调带到室外进行散热,由于热传导效率低,空调作为冷却系统已经开始给碳排放拖后腿。

Part 03  如何解决散热痛点问题?

空调散热效率低?那我们能不能换效率高的方式来散热?

答案是可以。当前散热效率比较高的就是液冷。由于液体的比热容是空气的上千倍,所以液冷的散热效率远大于空气,而且相较于空气,液体更便于运输。当前液冷主要有三种:冷板式液冷、喷淋式液冷、浸没式液冷。

- 冷板式液冷

冷板式液冷主要将带有腹腔的冷板和需要发热的器件直接接触固定,依靠冷板内部流经的液体将热量带走达到散热的目的。冷板式液冷主要解决发热量比较大的零部件,其他部件还需要风冷,所以冷板式液冷又被称为气液双通。冷板式液冷最大的优点在于改造小,冷却液不直接接触零部件,安全性高。

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图 1 冷板式液冷1

- 喷淋式液冷

喷淋式液冷主要是在服务器机箱顶部根据发热部件的位置进行开孔,将冷却液直接喷淋在对应的发热部件上来达到设备冷却的目的。由于冷却液直接和零部件接触,效率较高,但是喷淋的液体容易挥发、机箱内部容易渗透到外面,所以安全性较差。

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图 2 喷淋式液冷1

- 浸没式液冷

浸没式液冷主要是将元器件或者服务器直接浸没在冷却液中,依靠冷却液和服务器的直接接触带走热量,达到冷却的目的。优点是由于完全直接接触,服务器内部不再需要风扇等散热设备,散热效率高。缺点是由于设备和冷却液直接接触,需要对服务器主板和一些零部件比如光模块、PCIe设备等进行定制。

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图 3 浸没式液冷1

注释1:图选自明哲工作室图解液冷技术

- 液冷模式对比

如果进行液冷改造的话,服务器内部的话冷板式液冷只需对CPU的散热片进行更换改造,将设备接入到冷却液循环系统即可。

进行喷淋式液冷改造则需要针对众多厂商不同类型的产品进行机箱和机架进行分别设计,改造成本远超冷板式液冷。

当前现网机器无法使用浸没式液冷,因为当前主板、某些零部件等信号在冷却液中工作会有偏差,所以需要设计针对浸没式液冷的主板和零部件封装。

表1 液冷对比


冷板式液冷

喷淋式液冷

浸没式液冷

优势

对机房架构影响小改造成本低;

安全性高,技术成熟;

噪音低、能效高、成本可控

散热效率强;

高效节、静音;

器件集成度高,部署场景广泛

液体与配件充分接触,冷却效率高;

支持更高密度功率IT部署,大幅提升PUE

劣势

主要为关键部件散热,需要气液双通;冷却效率低

喷淋液体蒸发,破坏机房环境,影响其他设备

运维及管理成本较高;

需要控制冷却液挥发

Part 04  液冷方案 

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图 4 系统设计框架示意图

不管液冷系统采用冷板式、喷淋式还是浸没式,总体方案一般分为两半,一次侧和二次侧,一次侧是机房冷却水系统,二次侧为机柜内部的冷却循环系统。

二次侧内部有CDU、冷板、管路,CDU内部有水泵、水箱、热交换器等单元。水泵将机柜内部冷却液循环驱动起来,带走机柜热量。通过热交换器将热量交换给一次侧的冷却水系统,一次侧冷却水将热量带到室外进行散热。

相对于易维护的一次侧和二次侧方案,还有种方案就是取消两侧之分,将全部系统集中在一个系统中,冷却液经过吸收热量直接到冷却塔中进行冷却,这种方案需要较多的冷却液(大多为不同浓度的乙二醇溶液)。但是由于冷却液相对于冷却水要贵的多,同时为了便于模块化,所以大部分方案都将两者区分开。

Part 05 结束语

当前液冷主要可以应用在高功耗、高密度的计算场景中,能够在单位体积内提供更多的散热功率,最大化利用机房的空间,增加单位面积内的算力上限。

随着泛家庭数据中心建设的升级,和各个地方对于机房PUE的要求,同时发热单元的功耗越来越大,传统的风冷已经难以解决散热的问题,液冷当前虽然都还在实验室验证阶段,有着安全性和可靠性等问题,但是在未来几年将会逐步取代风冷,成为泛家庭数据中心机房的主要散热方式,也是未来解决泛家庭数据中心碳排放的重要方式。​

责任编辑:未丽燕 来源: 移动Labs
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