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據中心如此重要。這篇文章將重點介紹每種液冷方案的細節和利弊,并提供一些初步指引,為不同類型的企業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據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裝置讓冷液流過發熱的電子設備,直接吸收芯片產生的熱量。之后受熱的液體被泵入冷卻系統,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。

D2C是一種非常可靠的冷卻方式,但其裝置比較復雜。大多數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,許多企業選擇創建水液分配模塊,類似于機柜的PDU。這樣可以更加輕松地創建和連接多重回路。

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,因此它不僅不需要風扇,而且實踐已經證明它可以非常有效地移除CPU和GPU產生的熱量。

浸沒式冷卻方案還有一個額外的優勢,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,對于在高海拔地區運行的服務器和數據中心來說,浸沒式冷卻的優勢尤為顯著。因為高海拔地區空氣密度發生變化,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是服務器和數據中心的長久以來的設計:目前的標準數據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,一些數據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,大多數專家建議聘用浸沒式冷卻團隊,以協助企業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據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。RDHx是在現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獲得更加有效的冷卻。

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

結論

每個企業和數據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,現有的眾冷卻方案都能夠確保新一代系統以最高性能運行,同時降低數據中心的總體能耗,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。數據中心采用各種液冷技術可以將PUE降低至1.1到1.25,從而優化計算性能并大幅節省運營成本。

作者簡介

Michael McNerney是Supermicro的市場營銷與網絡安全副總裁。他在企業級硬件領域積累了20多年的豐富工作經驗,并在產品戰略和軟件設計方面創造了優秀的業績。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