長期以來，如何低成本地給數據中心“降溫”一直是個讓人頭疼的問題。想要讓這些不停發熱的傢伙“冷靜”下來並不容易，而微軟公司最近卻想出了一個“妙招”——在蘇格蘭的奧尼克海域成功完成了數據中心的水下部署，用“沉海”的方式給它“退燒”。
隨著大數據、雲計算等信息技術的迭代，數據中心逐漸向大規模、高密度方向發展。作為一種新型基礎設施，數據中心已成為支撐城市建設和經濟運行的中樞系統。
所謂數據中心是指一類用於集中放置和管理各種IT設備及其配套設施的特殊建築，利用相關設備可實現數據的大規模存儲和運算等功能。通俗來講，數據中心就是一個大型機房。其中的IT設備在運行過程中就像一個個“火球”，不斷產生熱量。“如果這些設備溫度過高，芯片就不能穩定工作，CPU之類的器件無法正常運行，主板也可能會被燒壞。”成都中藍信息技術公司總經理代強在接受科技日報記者採訪時說。因此，需要冷卻系統不斷吸收和消化掉“火球”產生的熱量。
為了維持機房適宜的溫度，避免上千臺服務器因過熱而宕機，科技公司往往要支付鉅額的冷卻費用。
那麼，除了“沉海”，人類還用了哪些方式給“火球”降溫呢？
方式1 空調冷卻
耗能巨大且效率低，易導致冷卻不均
目前，數據中心機房的空調系統多采用恆溫恆溼的空調設備。就像家裡裝的空調一樣，在電力驅動下空調的壓縮機做功輸送冷風，再通過冷熱通道送回風的方式給機房降溫，同時保持室內溼度的穩定。
空調產生的冷風從架空的地板下吹出，進入封閉的通道，機櫃前端的設備吸入冷空氣。這些冷空氣與發熱器件接觸吸熱後會變成熱空氣，而後氣體再從機櫃後端排至熱通道。最終，熱通道的氣體還會返回到空調回風口。
“這種冷卻方式耗能巨大而且效率很低，需要先冷卻空氣，再通過冷空氣對發熱電子元件進行冷卻，不能很好地控制電子元件的溫度。同時，電子元件表面積小，與空氣的接觸面積就小，加之器件表面與空氣之間的對流換熱係數低，需要通過配置體積較大的散熱器來增加散熱表面積，以滿足電子元件正常工作時的散熱要求。”中國科學院工程熱物理研究所研究員胡學功告訴科技日報記者。
同時，空調冷卻的方式也可能由於冷氣流分配不均而增加能耗。數據中心機房中的機櫃是一層一層的，假設冷風剛從最底層吹進來時，溫度是20攝氏度，但到了中間層時溫度就可能升至25攝氏度甚至更高，這樣就會導致同一機櫃的不同層級冷卻不均。為使最上層的溫度也能達到設備正常運行所需的溫度要求，往往需要加大送風量，這就會導致空調系統的能耗激增。
方式2 自然冷卻
可節約成本，但對空氣質量要求高
為了降低冷卻系統的能耗，節約運營成本，越來越多的公司選擇將數據中心建在人煙稀少的高寒地區，希望利用自然環境中的冷空氣來降低冷卻成本。這種利用自然界的低溫冷源進行冷卻的方式被稱為自然冷卻。微軟公司將數據中心沉入海底的做法就是利用自然冷源來降溫的一種方式。
“這種冷卻方法可能導致室內汙染物濃度增加以及溼度發生變化，從而導致設備出現故障。如果空氣中的灰塵較多，也可能會汙染電子設備。因此這種方式對空氣質量的要求較高，需要安裝專門的空氣淨化和除溼系統。現實中，應用這種冷卻方法的數據中心也不太多。”胡學功說。
方式3 液體冷卻
用冷水帶走熱量，相變換熱方式更有效
對於一些高功率的數據中心來說，一般的空氣冷卻方式已不能滿足其降溫要求，因而不少數據中心採用強制液冷技術進行散熱。“強制液冷技術是通過泵和管路將液體工質輸送到機櫃或機櫃內部發熱部件進行熱交換的冷卻技術，依靠液態工質的循環或相變帶走熱量，能減少換熱設備的換熱面積並降低輸配系統的能耗。”胡學功說。
所謂工質是指各種熱機中藉以完成能量轉化的媒介物質，比如蒸汽輪機中的蒸汽、內燃機中的燃氣。液體冷卻技術根據循環工質在換熱過程中是否發生相變，可分為單相冷卻技術和相變冷卻技術兩類。
“現在的數據中心用單相液體冷卻的比較多，所用工質主要是水，通過水泵來為整個循環系統提供動力。水在流經CPU等發熱器件時，會將熱量帶走。同時，由於水的強制對流換熱係數比較高，換熱能力較強。相比氣體冷卻，單相液體冷卻的效率要高很多。”胡學功說。
在冷卻高性能計算機上有很好應用前景的微槽群冷卻技術是一種高強度的相變冷卻技術。這種技術的單位面積換熱能力更強，比較適合冷卻單位面積熱負荷較高的發熱器件。“在進行熱交換時，液體工質會在具有微尺度結構的固體壁面上形成薄液膜，遇熱後會蒸發變為氣體。這是一種利用相變強化換熱機理進行冷卻的方式，其帶走的熱量遠高於未發生相變的方式帶走的熱量。”胡學功說。
例如，相同質量的水經過某一發熱器件時，水溫會從20攝氏度升至50攝氏度，這時它帶走的熱量很有限。但是當其發生相變，從液態變為氣態時，就可以利用水的汽化潛熱帶走更多熱量。“從單位質量所能帶走的熱量角度來看，相變換熱方式所能帶走的熱量是非常大的，這種冷卻方式的冷卻效率也就更高。”胡學功說。實習記者 陸成寬
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