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      新一代智慧節能數據中心實踐——液冷篇

      來源:IT168 作者:SYS-IDC團隊 更新時間:2023/5/9 8:31:15

      摘要:本文將基于B站新一代定制化數據中心的實踐,從常規風冷散熱技術下的數據中心冷卻系統引入,與大家聊聊近年來數據中心高效節能技術路線中的高頻詞—液冷技術。

      當前大數據與人工智能等技術正驅動著數字經濟快速發展,這對數據信息的硬件承載者數據中心的需求和要求越來越高。隨著服務器芯片不斷升級迭代、高性能芯片需求不斷增加、服務器密集化程度越來越高,服務器的散熱問題已經成為計算機技術發展的瓶頸之一。風冷技術已經成熟應用于芯片散熱方面,且為提高散熱能力而提高風速所帶來的噪音問題和能耗問題也日趨嚴重。由于空氣作為冷卻工質的傳熱性能較差,而液體的比熱遠遠大于空氣,為了解決數據中心高效散熱問題,液冷解決方案應運而生。

      本文將基于B站新一代定制化數據中心的實踐,從常規風冷散熱技術下的數據中心冷卻系統引入,與大家聊聊近年來數據中心高效節能技術路線中的高頻詞—液冷技術。

      1. 數據中心冷卻系統技術介紹

      數據中心中的電子信息設備運行過程中消耗的電能絕大部分都轉換為廢熱,若機柜內的這部分熱量無法及時轉移到周圍環境中,機柜內芯片和其他部件的運行溫度將急劇升高。對于典型通用計算服務器,各元件中CPU的功耗占比最大,散熱需求也相對最大,當機柜服務器內的芯片溫度升高至80℃以上,無法保證芯片穩定運行。因此,數據中心需源源不斷提供與服務器散熱需求相匹配的冷量。當前,絕大多數的數據中心仍然采用風冷散熱技術冷卻芯片。

      1.1 風冷散熱技術下的數據中心冷卻系統

      大多數風冷服務器包含以下主要硬件構件:CPU、內存、主板、網卡、存儲設備、電源和冷卻系統(風扇+導流組件)等。服務器內部通過風扇的布局、風道的設計、CPU散熱片的布置等熱設計來滿足其安全穩定運行的散熱需求?! ?/div>

      機架服務器內部結構圖

      對于采用風冷散熱服務器的數據中心,為保證數據中心IT 設備的正常運行,需通過數據中心冷卻系統的設計和布置,將IT設備持續運行產生的熱量通過機房內的空氣和空調設備管路中的媒介(水,空氣或其他冷媒)排至室外環境,從而穩定機房內空氣的溫度和濕度兩個重要指標在合理安全的范圍內。我國目前現行規范《數據中心設計規范》(GB50174-2017)對于數據中心推薦的環境參數如下表所示。

       

      由于風冷散熱技術下的數據中心冷卻系統和電子信息設備僅通過環境中的空氣實現換熱過程,IT設備和空調設備的冷卻系統設計和日常運維可以很方便地實現解耦,因此較長時間里,風冷散熱成為主流技術路線,風冷服務器和與之適配的數據中心冷卻系統各自不斷進行系統和設備部件的迭代升級,不斷提升IT硬件能效和數據中心冷卻系統效率。

      數據中心冷卻系統可根據熱量轉移階段分為制冷冷源單元、冷量傳輸單元、末端散熱單元,不同數據中心根據當地氣候條件、電子信息設備類型、機柜功率密度等因素選擇不同的制冷單元方案。目前常見的數據中心制冷冷源單元根據與外界環境和末端機房的熱交換媒介主要分為水冷冷水機組、風冷冷水機組、風冷直膨式空調機組、間接蒸發冷卻機組等;冷量傳輸單元對應可采用冷凍水管路、制冷劑冷媒管路、風管等;末端散熱單元可采用房間級精密空調、模塊級列間空調、機柜級背板空調等?! ?/div>

      常用水冷冷凍水機組系統示意圖

      為直觀表示和對比不同數據中心的能效利用情況,一般采用數據中心電能利用效率(PUE)指標。數據中心電能利用效率(PUE)定義為數據中心總耗電量與信息設備耗電量的比值,該數值越接近1,表示數據中心能效能級越高。GB 40879-2021《數據中心能效限定值及能效等級》中將數據中心能效等級分為3級。PUE每減少0.1,若按照0.7元/千瓦時的電費單價計算,每10MW的IT設備容量的數據中心每年運行產生的電費可節省610.3萬元。

       

      以采用傳統的水冷冷水機組系統數據中心為例,下圖展示各環節能耗占比情況[4],制冷系統能耗占IT負載的36%,其中冷水機組的能耗又占整個制冷系統的50%左右。為實現數據中心冷卻系統的高效節能運行,最直接有效的辦法是最大化利用室外環境的免費制冷,減少冷水機組的運行時間。此外,還可以通過對冷卻系統精細化設計、水泵變頻、節能空調設備選型、施工工藝優化、運維策略動態調整等方法降低數據中心冷卻系統的能耗。但以上的優化過程涉及的環節和因素較多,將每一環節的節能效果發揮到極致難度很大,對于運營團隊的能力要求較高?! ?/div>

      典型數據中心設備能耗結構

      B站在新一代智慧節能數據中心項目中,考慮華東地區氣候情況及B站業務負載特點,冷卻主系統采用安全穩定、技術較為成熟的水冷冷水機組系統技術,部分區域制冷采用間接蒸發冷卻系統、高效磁懸浮氟泵系統,在相同氣候條件下全方位、全生命周期對比不同制冷系統的優缺點。目前冷水機組系統、間接蒸發冷卻系統、高效磁懸浮氟泵系統均已正式交付,數據中心的能耗水平將達能效2級。

      1.2 液冷散熱技術下的數據中心冷卻系統

      1.2.1 什么是液冷數據中心

      數據中心液冷技術是使用流動液體將計算機內部元器件產生的熱量傳遞到計算機外,以保證計算機工作在安全溫度范圍內的一種冷卻方法。液冷技術并不是一項新技術,19世紀后便已出現各種形式的液冷應用,例如用于絕緣、冷卻超高壓變壓器、汽車冷卻發動機等,但其大規模部署在企業級數據中心的解決方案和案例并不常見。目前,數據中心液冷解決方案根據電子信息設備與冷卻液是否直接接觸分為接觸式液冷技術和非接觸式液冷技術,接觸式液冷技術主要分為浸沒式和噴淋式液冷,非接觸式液冷技術主要為冷板式液冷?! ?/div>

      數據中心液冷系統架構示意圖

      1.2.2 液冷數據中心的機會與挑戰

      數據中心液冷技術作為一項革新性技術,既能實現數據中心的極簡設計和極致能效,又契合了服務器芯片未來高功率的趨勢,在國家政策對于數據中心嚴苛的低能耗要求背景下,同時得到IT側和數據中心側的共同關注和支持。

      對于IT設備,液冷技術很好地解決高功率芯片的散熱問題,同時帶來芯片表面溫度的大幅優化,降低風扇的功耗,從而提升單位功耗下算力。

      對于數據中心,液冷冷卻技術由于冷卻液的進液溫度設計可以相對較高(45℃以上),數據中心的冷源系統設計可取消冷機設計,從而實現全國范圍內全年利用自然冷源,大部分區域的數據中心可實現PUE低至1.15以下。同時,數據中心的峰值PUE的降低提升了數據中心IT產出,從而直接降低數據中心TCO成本。

      此外隨著液冷技術的不斷升級和不同專業技術融合的不斷加深,數據中心的節能手段從以前的單純提高空調系統設備能效轉向IT設備與制冷設備聯合優化調控,通過AI技術進一步實現數據中心全局范圍的能效最優。

      但液冷技術涉及多專業領域的協同和融合,在真正規?;瘧玫缆飞先悦媾R諸多困難和挑戰,需要業內各方從標準制定、技術攻關、成本降低、運營實踐等方面推動新技術的切實落地和良性發展。

      2. B站的液冷數據中心實踐

      隨著AI等業務的快速發展,同時面對數據中心持續的節能降耗要求,我們基于B站業務快速發展的需求,一直在新型綠色智慧型數據中心技術創新方面進行著積極地探索和思考??紤]芯片技術的快速迭代升級,新型綠色智慧型數據中心技術不僅需匹配未來2~3代IT設備功率需求,還需考慮大規模部署的安全可靠性。B站正按照“小步快走”的方式彈性快速地部署綠色智慧型數據中心技術,為公司的降本增效持續發力,為實現國家的節能減碳持續貢獻力量。

      前期我們介紹了創新機房一期項目規劃間接蒸發冷卻包間和風液混合冷卻包間,其中風液混合冷卻包間的風系統采用高效磁懸浮氟泵系統,液冷系統采用冷板式液冷技術。預期滿載工況下,間接蒸發冷卻包間年平均PUE將低至1.23,風液混合包間年平均PUE將低至1.13。

      冷板式液冷機房的規劃設計、施工工藝、測試方案、上架部署與傳統的風冷技術架構有相似之處,但同時也有很多特殊關注點。設計階段需考慮風液比、流阻、冷卻液的穩定兼容性、漏液預防監控、快速接頭選型、控制邏輯、設備管路的備份冗余功能等方面;施工階段需重點關注管路質量、沖洗鍍膜等內容。冷板式液冷機房的測試驗證與風冷技術架構有很大的不同,需通過布置特殊定制的液冷假負載,設計不同的測試場景綜合驗證系統的制冷能力、冷量分配均勻性、系統穩定可靠性等內容。冷板式液冷服務器的上架部署需考慮服務器快速接頭的布局、冷板散熱和流阻特性,確定上架策略和冷卻系統運行參數。

      目前B站一期的冷板液冷機房已完成施工、測試和交付,冷板式液冷服務器的POC及灰度測試達30余項內容,為后續液冷服務器的正式交付業務使用奠定重要基礎?! ?/div>

      B站定制化液冷機房現場測試

      同時,B站一直重視行業內綠色數據中心技術的交流和合作。

      B站深度參與編寫的《電子信息設備用液冷冷板技術規范》已于2023年3月15日正式生效。

      2023年3月17日,由CDCC和益企研究院共同主辦的2023中國數據中心液冷技術峰會在北京舉行,會上B站與行業各方共同啟動《數據中心液冷系統技術規程》的編制,為更好促進液冷技術落地貢獻B站力量?! ?/div>

      2023中國數據中心液冷技術峰會現場

      3. 結束語

      面對數據中心散熱和能耗問題,通過使用液冷技術實現數據中心的綠色低碳發展已成為業內共同的探索方向,B站作為技術創新者和實踐者,正穩步推進液冷技術的落地,同時不斷對行業標準和規范進行輸出,與行業內各方加強合作交流,共同推動新型節能技術在數據中心行業的發展。

      責任編輯:Cherry

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