液冷的精妙世界—液冷技術的簡要說明

作者Michael McNerney,Supermicro

在《液冷時代的到來,遠超想象》中,我們探討了液體冷卻的興起,以及為什么它對如今的數(shù)據(jù)中心如此重要。這篇文章將重點介紹每種液冷方案的細節(jié)和利弊,并提供一些初步指引,為不同類型的企業(yè)所適用的液冷方案提供相關說明和建議。

液冷技術主要有三種類型:直接冷卻芯片、浸沒式冷卻和后門熱交換器。就像我們在上一篇文章中探討在數(shù)據(jù)中心的空氣冷卻和液體冷卻方案之間如何做出選擇時所說的那樣,不同的部署項目和設備有著不同的需求,因此更適合采用某種特定的液冷方案。

直接冷卻芯片

第一種方案采用所謂的直接冷卻芯片(D2C)技術。大多數(shù)人都比較熟悉這種液冷方案,因為它在PC愛好者中廣為采用。D2C裝置讓冷液流過發(fā)熱的電子設備,直接吸收芯片產(chǎn)生的熱量。之后受熱的液體被泵入冷卻系統(tǒng),利用風扇和氣流將其冷卻至指定的溫度。最后,冷卻的液體回流至高溫電子設備,開始下一個冷卻循環(huán)。

D2C是一種非常可靠的冷卻方式,但其裝置比較復雜。大多數(shù)D2C裝置都配備了多重液體“回路”,意即:將冷液泵送至計算機特定部位(如CPU、GPU和/或內存)以實現(xiàn)冷卻。如果服務器機柜上有幾十個CPU、GPU和內存插槽需要冷卻,那么就必須設置多重回路。因此,許多企業(yè)選擇創(chuàng)建水液分配模塊,類似于機柜的PDU。這樣可以更加輕松地創(chuàng)建和連接多重回路。

因為D2C仍然有賴于空氣冷卻,所以它并不是最有效的冷卻方案,實際上,它的冷卻效率只有70%左右。因此,許多制造商積極探索其他更有效率的液冷方案。

浸沒式冷卻

在D2C之后最直接的冷卻方式是效率更高的浸沒式冷卻。浸沒式冷卻是指將整個服務器浸沒在裝有非導電液體的儲罐中。當服務器釋放熱量時,周圍液體的溫度升高,同時液面也會上升,而冷液則從底部泵入儲罐。接著,較熱的液體被泵出儲罐,在外部進行冷卻。浸沒式冷卻是一個閉環(huán),因此它不僅不需要風扇,而且實踐已經(jīng)證明它可以非常有效地移除CPU和GPU產(chǎn)生的熱量。

浸沒式冷卻方案還有一個額外的優(yōu)勢,那便是可以提高硬件的壽命和可靠性,因為硬件不用暴露在氧氣及其他腐蝕性材料中。阿里巴巴2018年開展的一項研究表明,對于在高海拔地區(qū)運行的服務器和數(shù)據(jù)中心來說,浸沒式冷卻的優(yōu)勢尤為顯著。因為高海拔地區(qū)空氣密度發(fā)生變化,空氣冷卻的效率往往有所降低。事實上,相較于所有其他冷卻類型,浸沒式冷卻在高海拔地區(qū)的成功率最高。

然而,這并非意味著浸沒式冷卻是最佳解決方案。實施浸沒式冷卻的最大挑戰(zhàn)是服務器和數(shù)據(jù)中心的長久以來的設計:目前的標準數(shù)據(jù)中心都是針對立式機柜而非立式儲罐而建造。浸沒式冷卻儲罐要求安裝懸掛式升降機,以便將服務器從儲罐中垂直吊取出來,但這樣會導致成本高昂,一些數(shù)據(jù)中心根本不具備這樣的條件。

此外,由于浸沒式冷卻儲罐裝滿了非導電液體,因此維修浸沒其中的服務器可能會相對費力。在技術人員對服務器進行操作之前,需要先將服務器從儲罐中吊取出來,并清除掉所有液體。因此,大多數(shù)專家建議聘用浸沒式冷卻團隊,以協(xié)助企業(yè)實施浸沒式冷卻方案。雖然這需要一定程度的資金投入,但其結果可以顯著降低數(shù)據(jù)中心的總體功耗和成本。

后門熱交換器

另外一種靠近熱源散熱的常用方法是安裝后門熱交換器(RDHx),從技術上來講它并不屬于液冷系統(tǒng)。RDHx是在現(xiàn)有立式機柜的背面安裝一些附件,包括一系列有冷卻液體流動的管道。有了RDHx冷卻服務器背后的空氣(廢氣),機柜本身就可以通過標準風扇冷卻系統(tǒng)獲得更加有效的冷卻。

該方案允許數(shù)據(jù)中心保留其現(xiàn)有的空調系統(tǒng),同時以較低強度運行。RDHx還可以連接傳統(tǒng)的立式機柜和服務器,因此無需更換設備或重新設計數(shù)據(jù)中心。此外,許多RDHx還配備了濕度檢測傳感器,以便服務器在發(fā)生泄漏時自動關閉,從而更好地保障操作人員的安全?？偟膩碚f,RDHx方案成本更低,也更容易為許多企業(yè)所接受。

結論

每個企業(yè)和數(shù)據(jù)中心都有自己獨特的需求,因此必須匹配最合適的冷卻方案。總體而言,現(xiàn)有的眾冷卻方案都能夠確保新一代系統(tǒng)以最高性能運行,同時降低數(shù)據(jù)中心的總體能耗,通過液冷方法提升服務器的電源使用效率(PUE)可謂極具吸引力。數(shù)據(jù)中心采用各種液冷技術可以將PUE降低至1.1到1.25,從而優(yōu)化計算性能并大幅節(jié)省運營成本。

作者簡介

Michael McNerney是Supermicro的市場營銷與網(wǎng)絡安全副總裁。他在企業(yè)級硬件領域積累了20多年的豐富工作經(jīng)驗,并在產(chǎn)品戰(zhàn)略和軟件設計方面創(chuàng)造了優(yōu)秀的業(yè)績。在加入Supermicro之前,Michael還曾在Sun Microsystems和惠普公司擔任過領導職務。

審核編輯：符乾江