高密度数据中心U级制冷方式

2022-12-11

一、数据中心制冷方案综述

空调系统对数据中心的作用就是收集热气流, 并将它们排到室外去。现有的数据中心制冷方式有房间级、行级和机柜级制冷方式。随着现代IT设备的功率密度将峰值功率密度提升至每机柜10k W甚至更高, 传统制冷不再能起到有效的作用。未来新一代高密度和可变功率密度IT设备产生的热量是传统数据中心制冷系统无法应对的, 这往往会导致制冷系统的过度规划、造成制冷效率低下、制冷性能难以预测。在这样的背景下, U级制冷方式不失为数据中心散热的一个新方向[1]。

目前处理高密度机柜主要有5种方案:

(1) 负载分配, 即将负载超过平均值的机柜负载分散到多个机柜中。这是高密度数据中心最常用的解决方案。由于高功率服务器和低功率服务器不需要同时安装同一个机柜中, 因此通过将设备分散安装在多个机柜中, 任何一个机柜都可以不超出设计的功率密度。

(2) 借用制冷量, 即通过采用一定的规则允许高密度机柜借用邻近的利用率不高的制冷量。这种解决方案在实践中经常被采用, 由于一些机柜的功耗低于设计的平均值, 利用率不高的机柜制冷量可以让附近的其它机柜使用。这些规则可以通过以机柜级功耗监控来确定, 并通过管理系统自动完成, 如避免让高密度机柜相互挨在一起。当引进较新的IT设备时, 这种功能就显得十分重要。

(3) 辅助散热, 即使用辅助设备为功率密度超过设计平均值的机柜提供所需的散热能力。通常这种方案需要事先对安装进行规划, 以便在需要的时间和地点使用辅助散热设备。辅助散热方法包括:安装栅格式地板砖或风扇增强机房空调对机柜的冷空气供应;安装特制的回风管道或风扇从机柜中排出热空气, 使设备排出的热空气回流到空调;安装专门的机柜或机架式散热设备直接为机柜提供所需的散热能力, 如机柜级制冷[2]。

(4) 设定专门的高密度区, 即在房间内设定一个专门区域提供强散热能力, 将高密度机柜限制在这一区域内。这种方法需要对高密度机柜提前有所了解, 从而达到最佳的空间利用率。然而很难事先了解哪些机柜属于高密度, 因此许多用户无法采用这种方案。当一个专门的高密度区被确定后, 用户可以在这个区域采用专门的高密度技术, 如行级制冷, 以便为该区域提供可预测的功率密度和散热。

(5) 全房间制冷, 即为机房内每个机柜提供能够满足期望功率峰值的散热能力。从概念上讲, 这是最简单的解决方案, 但从未实现过, 因为数据中心每个机柜的功率会有很大的不同, 若设计不当会造成极大的浪费和极高的成本, 但同时这也是能够应付未来需求的具有前瞻性的散热方法。

二、U级制冷概念

U是机柜内设备安装所占高度的计量单位, 1U=44.45mm, 它表示机柜内部的有效使用空间, 使用标准设备的机柜一般都是按n个U的规格制造。U级制冷方式与传统制冷方法的主要差别在于, 它可消除气流混合的所有机会, 将冷空气分配给每一个IT负载, 从而彻底摆脱了机房几何结构或其它机房约束因素的影响, 实现设备性能的完全可预测性。气流控制是U级制冷方式的主要目标, U级制冷设计可以根据特定IT设备的实际需要, 有针对性地确定制冷容量。例如, 机柜内既配备有高功率的服务器, 又有较低功率的服务器, 一般的机柜级制冷会提高冷风量以满足高功率设备的散热需求, 但此时低功率设备所获得的冷风量却已经过剩, 造成了制冷量的浪费;U级制冷可以区分高功率设备和低功率设备, 将冷空气从风量过剩的U转移到风量不足的U, 达成更经济的散热[3]。

与传统制冷方式相比, U级制冷除支持极高功率密度外还有很多优点, 如更短的气流路径, 这就减少了空调末端装置的风机功率, 从而提高了效率。对于任何规模的数据中心, 如果只需为独立的高密度机柜提供制冷, 都可才用U级制冷。另外, U级制冷最为灵活、部署最快, 且成本较低。

三、U级制冷解决方案

可以设计一种U级制冷方式, 使用该制冷方式的机柜结构上包括:内置自调节导流板的通道式前门, 门的顶部与制冷装置的送风管相连接;密闭式机柜主体, 机柜主体与通道式前门之间形成冷通道;冷通道中至少设置有一片导流板, 每片导流板包括固定端和自由端, 固定端通过由电机驱动的转动轴与通道式前门相连, 由电机驱动转动轴从而带动自由端运动;后部排风通道, 与冷风通道相对且设置于密闭式机柜主体另一侧, 排风通道的顶部与制冷装置的回风口相连接, 形成热通道。

该U级制冷设计旨在进一步提高数据中心空调系统的能效, 极大化制冷设备的能源利用率和散热能力。根据上进风机柜的测试数据, 对其内部环境进行数值模拟, 得出机柜各U及冷、热通道的热分布、流场分布和热点位置。通过对机柜测试数据的研究及统计, 发现柜内各U的温度及流速分布与其距进风口的距离和冷、热通道的厚度之间的联系。考虑到机柜内空气流动基本为湍流流动, 采用三维N-S方程作为控制方程, 并采用标准k-e模型建立封闭的控制方程组, 将数值求解的结果与测试案例进行比较, 分析模拟值与实测值的吻合度。由模拟及测试的数据, 通过调节导流板位置和叶数等方法最大化地制定出整机柜各U的最优风量分配方案, 并结合及时调整空调末端装置的送风量与送风温度, 达到提高空调系统能效的目标。

摘要：随着AI概念的兴起, 以及越来越多的AI应用的落地, 业界对高速计算的需求日渐增多, GPU加速计算服务器在数据中心中的部署规模将持续增长, 而GPU加速计算服务器产生的热能是传统CPU的数倍。当前数据中心内部仍有大量低热密度服务器机柜使用着传统机房精密空调, 新部属的高热密度服务器机柜无法使用这样的低冷量散热设备要想适应未来AI的发展, 数据中心的散热技术必须变革, U级制冷方式无疑是一个新方向。本文介绍了一种U级制冷解决方案, 能够应对持续上升的服务器机柜功率, 提供更高效的散热方法。

关键词：高密度数据中心,服务器机柜,U级制冷,导流板