環(huán)境溫度對(duì)服務(wù)器芯片功耗的影響

前段時(shí)間,和幾個(gè)業(yè)界同仁在探討如何降低PUE,引發(fā)了對(duì)冷熱通道溫升、風(fēng)機(jī)功率、自然冷源利用的相關(guān)探討,發(fā)現(xiàn)討論P(yáng)UE居多,但降低PUE對(duì)IT設(shè)備的功耗的影響關(guān)注較少。本文結(jié)合環(huán)境溫度對(duì)服務(wù)器芯片功耗的影響來(lái)探討數(shù)據(jù)中心整體節(jié)能的一些措施。

一、機(jī)房溫度和相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)

IDC機(jī)房服務(wù)的對(duì)象是服務(wù)器,我們首先探討服務(wù)器對(duì)溫度和相對(duì)濕度的要求。表1是《GB/T9813.3-2017計(jì)算機(jī)通用規(guī)范第3部分服務(wù)器》對(duì)服務(wù)器工作溫度和相對(duì)濕度的要求,無(wú)論是工作溫度還是相對(duì)濕度,這兩個(gè)指標(biāo)都是較容易滿足的。而《GB50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》則提出了更為嚴(yán)格的要求,如表2所示。

業(yè)內(nèi)大客戶對(duì)機(jī)房環(huán)境要求一般按照GB50174-2017的最低要求,以下是阿里巴巴數(shù)據(jù)中心和騰訊TB的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)機(jī)架進(jìn)風(fēng)溫度或UPS正面進(jìn)風(fēng)處任意點(diǎn)溫度正常情況下不應(yīng)高于26℃,濕度范圍30-80%(不結(jié)露);緊急情況時(shí),機(jī)房冷通道內(nèi)任一點(diǎn)溫度不應(yīng)超過(guò)30℃(對(duì)應(yīng)運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)SLA,當(dāng)有項(xiàng)目調(diào)整SLA溫度上限時(shí),需要具體商議),區(qū)域氣流組織應(yīng)考慮通風(fēng)地板面積、通風(fēng)孔率,局部風(fēng)扇地板,局部精密空調(diào),機(jī)柜面板密封等方式解決局部過(guò)熱,確保熱通道與冷通道溫差不應(yīng)超過(guò)13℃;

處理后的水質(zhì)達(dá)到數(shù)據(jù)中心加濕用水要求。處理后的相對(duì)濕度滿足最新國(guó)標(biāo)要求,同時(shí)機(jī)房冷通道或機(jī)柜送風(fēng)溫度21℃-26℃,相對(duì)濕度30%rh-70%rh,含濕量5.5g/kg-10.6g/kg,除濕能力滿足最大的范圍要求。

基于以上標(biāo)準(zhǔn),我們發(fā)現(xiàn),無(wú)論是計(jì)算機(jī)通用規(guī)范還是數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范要求,冷通道的溫度和相對(duì)濕度都是一個(gè)范圍,如圖1所示焓濕圖中藍(lán)色合圍區(qū)域(各企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)略有不同,圖中合圍區(qū)域也會(huì)有所不同)。

二、機(jī)房溫濕度的設(shè)置

既然機(jī)房的溫濕度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整,那么,該如何調(diào)整機(jī)房的溫濕度才能降低整個(gè)項(xiàng)目的能耗呢?如焓濕圖所示,冷通道溫濕度度從右上角B點(diǎn)位置降低到左下角A點(diǎn)位置,數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗會(huì)明顯的增加,PUE會(huì)提高,但I(xiàn)T設(shè)備特別的功耗是降低的,如何降低的呢?我們以IT設(shè)備的主要熱源芯片的功耗來(lái)分析。

芯片(或半導(dǎo)體)的熱阻與溫度、功耗之間的關(guān)系為:

Ta=Tj-P×(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P×Rja

公式中,Ta表示環(huán)境溫度,Tj表示芯片的結(jié)溫,P表示功耗,Rjc表示結(jié)殼間的熱阻,Rcs表示芯片外殼與散熱器間的熱阻,Rsa表示散熱器與環(huán)境間的熱阻,Rja表示結(jié)與環(huán)境間的熱阻。

當(dāng)芯片的散熱片足夠大且接觸足夠良好時(shí),殼溫Tc=Ta,芯片外殼與環(huán)境間的熱阻

Rja=Rcs+Rsa=O。此時(shí)Ta=Tj-P×(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式:

P=(Tj-Ta)/Rjc

廠家規(guī)格書一般會(huì)給出最大允許功耗Pcm、Rjc或Rja等參數(shù),一般Pcm是指在Tc=25℃或

Ta=25℃時(shí)的最大允許功耗。

從公式可以看出,要想降低芯片的功率,就要降低Tj-Ta這個(gè)值,這個(gè)值與機(jī)房的冷熱通道溫度相對(duì)應(yīng),但實(shí)際上會(huì)有些差值,受到其他器件發(fā)熱量的影響,Ta高于冷通道溫度;受到散熱器的散熱效率影響,Tj也高于熱通道溫度,故降低冷熱通道的溫差、提高芯片散熱器的散熱效率,有利于降低芯片功率。

芯片的消耗功率用漏極源極間導(dǎo)通電阻RDS(on)計(jì)算,芯片所消耗的功率PD用芯片自身具有的導(dǎo)通電阻RDS(on)乘以漏極電流(ID)的平方表示:
　　
RDS(on)隨著Tj的變化,廠家的規(guī)格書也會(huì)給出相應(yīng)的曲線,圖2所示為Infineon某款芯片的導(dǎo)通電阻-結(jié)溫特性曲線。

從以上曲線看出,隨著Tj的上升,RDS(on)也會(huì)明顯的增加,根據(jù)上面的公式,PD也同系數(shù)的上升,故降低Tj,可以明顯的降低PD。如果冷熱通道溫差不變,Tj-Ta這個(gè)差值就也不變,要降低Tj,除了提高芯片散熱器的效率,就只能降低Ta,也就是通過(guò)降低冷通道的溫度,以降低芯片的功耗。

但無(wú)論是降低冷熱通道的溫差,還是降低冷通道的溫度,IT設(shè)備的功耗雖然降低了,數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的功耗卻增加了。根據(jù)空氣熱力學(xué)公式Q=(P×60)/[1200×4.2×0.24×(Tj-Ta)]計(jì)算,Tj-Ta這個(gè)差值降低,服務(wù)器風(fēng)機(jī)和精密空調(diào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量都會(huì)增加,風(fēng)機(jī)的功耗也會(huì)增加。由于服務(wù)器風(fēng)機(jī)和精密空調(diào)風(fēng)機(jī)都是機(jī)房設(shè)備功耗的重要組成部分,冷熱通道溫差的調(diào)整還涉及到機(jī)房相對(duì)濕度的變化,故數(shù)據(jù)中心的冷熱通道溫差通常設(shè)置在10～12℃不變。

不改變冷熱通道的溫差,降低冷通道的溫度,可以降低IT設(shè)備芯片的功耗,半導(dǎo)體設(shè)備發(fā)熱量也跟著降低,在溫差不變的情況下,必然會(huì)降低服務(wù)器風(fēng)機(jī)和精密空調(diào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需求和功耗。但降低冷通道的溫度,雖然IT設(shè)備整體功耗和精密空調(diào)風(fēng)機(jī)功耗會(huì)降低,但壓縮機(jī)(含冷凝器風(fēng)機(jī))或者冷凍水中央空調(diào)系統(tǒng)的能效會(huì)降低,空調(diào)系統(tǒng)的功耗會(huì)增加。

那么,有沒(méi)有一個(gè)IT設(shè)備和中央空調(diào)系統(tǒng)整體能耗最低的值呢?肯定有,這需要結(jié)合項(xiàng)目地去做綜合測(cè)試。下面這個(gè)場(chǎng)景就值得我們?nèi)L試:在冬冷夏暖地區(qū)自然冷的季節(jié),可以通過(guò)降低冷凍水的溫度來(lái)降低冷通道的溫度,繼而降低IT設(shè)備和冷凍水精密空調(diào)的功耗。由于使用了板式換熱器,冷水機(jī)組完全停止工作,冷凍水供回水10/16℃相對(duì)于15/21℃,增加的主要是冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷卻水泵的功耗,但增加的這個(gè)功率是遠(yuǎn)低于IT設(shè)備和冷凍水精密空調(diào)降低的功耗,這個(gè)時(shí)候,整個(gè)項(xiàng)目的能耗降低了。但要注意的是,這個(gè)時(shí)候PUE并沒(méi)有降低,反而升高了,因?yàn)镮T設(shè)備功耗降低了,空調(diào)系統(tǒng)的功耗增加了。

對(duì)于IDC運(yùn)營(yíng)企業(yè)來(lái)講,通常有包電與不包電之分,如果是包電的項(xiàng)目,肯定是整個(gè)項(xiàng)目的能耗降低優(yōu)先考慮了,如果是不包電的項(xiàng)目,則要結(jié)合客戶的需求綜合考慮。綜合各種需求,數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行時(shí),冷通道的溫度一般會(huì)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)設(shè)置三種工況:春秋22～23℃,夏季25～26℃,冬季20℃左右。這幾種工況的調(diào)整,并不是雷同的,要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn),實(shí)際上就是考慮整個(gè)項(xiàng)目的節(jié)能,而不純粹是PUE考核。

三、結(jié)束語(yǔ)

IDC在建設(shè)時(shí),追求PUE的降低沒(méi)有錯(cuò),但在運(yùn)維時(shí)要考慮IT設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的總能耗。結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和客戶對(duì)冷熱通道溫濕度的要求,靈活調(diào)整冷熱通道的溫濕度是整個(gè)項(xiàng)目節(jié)能的重要手段。