服務器機柜散熱技術比較研究

摘要: 隨著科學技術的發展,“互聯網+”時代我國信息技術產業有了長足發展,支撐信息系統發展的服務器數量在不斷增長,隨之而來的是服務器機柜散熱問題引起了廣泛關注。大多機房散熱采用穿過架空地板或天花板的冷空氣供應方式對機房進行降溫,這種對大范圍空間降溫的方式對能源浪費較大、針對性較低。信息技術在各行各業廣泛應用的今天,使用服務器機柜散熱技術可確保服務器正常工作,減少能源浪費。

關鍵詞: 服務器機柜 散熱技術 比較研究 

0 引言

       服務器機柜散熱不良會影響服務器設備正常運行,進而影響網絡運行速度。大多機房建設后所容納的服務器設備眾多,眾多的服務器的設備散熱問題是機房建設中需要關注的重點問題之一[1-5]。服務器機柜在機房設備散熱中發揮著重要作用。采用穿過架空地板或天花板冷空氣供應方式對機房進行降溫,雖然能夠使空間溫度整體降低,但服務器機柜的局部散熱效果較差,溫度仍較高。特別是服務器多是持續不間斷運行,運行中會產生較高溫度,影響服務器正常運作。服務器機柜的局部散熱能起到較好的散熱效果,讓服務器運行環境得到有效改善,降低服務器的溫度。信息技術在各行各業廣泛應用的今天,使用服務器機柜散熱技術可確保服務器正常工作,減少能源浪費。基于此,本文對服務器機柜散熱技術進行了比較研究。

1 機柜散熱設計

       良好的服務器機柜散熱設計能提高服務器機柜的散熱效果。機柜散熱方案應以分析傳統機房空調制冷和機柜應用現狀為基礎,結合當前高熱密度機柜制冷的需求特點,對數據中心高熱密度機柜散熱方案進行優化,確保冷卻效果符合實際需要。一是在機柜的風道上開設通風孔,不僅能讓服務器機柜的內部結構更加流暢,還能產生空氣流[6-11]。在服務器機柜設計中考慮到空氣流通效果,通常會在一端設計空氣進風口,在另一端設計空氣出風口,以保證空氣動態流動。二是在機柜中增加制冷設備,以進一步增強降溫效果。三是合理分區,在設計中應用服務器機柜的送風區、熱交換區對分區進行劃分,通過分區設置方式合理實現熱交換,提高服務器散熱效率。四是在服務器機柜中安裝散熱器,優化服務器機柜散熱方式,實現精準的散熱處理。

2 數據機房內機柜水冷散熱技術

       隨著信息技術發展,數據機房對數據處理能力要求越來越高,要求具有大數據處理容量的服務器承擔數據處理功能,做好服務器的運維工作,提升數據處理能力。散熱問題是影響服務器運行效率的重要問題,升級服務器散熱對于提高服務器性能有積極作用。數據機房內機柜水冷散熱技術是一種新興技術,不僅能有效提高服務器工作效率,使資源利用更加充分,而且能降低傳統散熱方式對空調系統散熱的依賴,讓散熱模式更加節能環保,還能便于對系統擴容,是增強機房服務器散熱的先進技術手段之一。

3 服務器機柜散熱技術分析

       依靠服務器機柜水冷散熱技術能夠實現吸入冷空氣、排出熱空氣的循環,可以增強服務器機柜制冷效果,對提高服務器機柜散熱效果有極大的促進作用。該技術利用穩定的冷卻水源實現服務器機柜散熱,具有良好工作性能和環保性能。服務器機柜散熱技術主要有以下3種。

3.1 開放式機柜加水冷背板制冷法

       開放式機柜加水冷背板制冷法能夠提高服務器機柜的冷卻能力,技術原理如圖1所示。開放式機柜散熱采用前門和后門分別設計的方式,在服務器機柜的后門設置水冷背板,在服務器機柜的前門設置通風口。這種設計方式能夠增加內部空氣流通,空氣流通的最大作用是將冷空氣引入服務器機柜,將服務器運行產生的熱空氣排出,完成冷熱空氣交換。同時,開放式機柜散熱方案加設了機柜內部熱交換器,以此完成內部冷空氣注入和熱空氣排出,形成了服務器機柜的內部冷循環體系。這種制冷形式加快了制冷循環,加強了機房內單機柜內的制冷效果,單塊水冷背板制冷量可達4～8 kW。配合機房空調使用,加上機房空調的制冷量,單機柜的制冷量可達8～12 kW。

       注:1指冷風,2指機柜前網格門,3指機柜,4指刀片服務器,5指水冷背板,6指冷風,7指熱風,8指進水管,9指回水管,10指架空地板。

3.2 封閉式水冷機柜散熱技術

       封閉式水冷機柜散熱技術圖如2所示,這種技術的基本原理是在一套封閉的空氣循環系統內完成空氣循環。封閉式水冷機柜散熱技術依托全封閉式機柜,在良好的空間環境進行空氣交換和共享,形成了相對獨立的制冷系統循環,在一定程度上避免了能量損失。封閉式水冷機柜散熱技術內部循環系統采用風扇和交換管完成熱交換,工作時機柜風扇吸收服務器背面排出的熱風,從回風口送入盤管全熱交換器系統中冷卻,再將冷風從送風口送至服務器正面,灌入刀片服務器,依次循環,以達到對服務器的散熱功能。封閉式水冷機柜散熱技術的可靠性較高,制冷系統效果較好,提高了服務器機柜內部空氣循環系統應用水平,單機柜制冷量最大可達30 kW,能基本滿足機柜內高熱密度服務器的散熱要求,適用于高熱密度機房。

       注:1指架空地板,2指冷空氣,3指服務器,4指熱空氣,5指冷卻水進水管,6指回水管。

3.3 服務器CPU芯片散熱技術

       局部加裝散熱芯片也是服務器機柜散熱的重要技術手段。實踐證明造成服務器發熱的主要部件是芯片,且芯片使用效率和使用壽命主要受散熱處理技術的影響,在主要芯片部位加裝散熱裝置是十分必要的。采用CPU芯片高效散熱技術,在主要芯片部位加裝散熱裝置,可以提高服務器機柜內部器件的運行效率,增強散熱數據服務器散熱效果,進一步發揮散熱系統的散熱作用,保護重要部件。目前,制約CPU芯片水冷散熱技術廣泛應用的原因之一是芯片狹小的內部空間無法滿足水冷技術循環對空間的較大需求,有學者提出利用翅柱式結構散熱器解決這一問題,未來CPU芯片水冷散熱技術將更加成熟。

       分析服務器機柜的散熱技術可知,服務器機柜散熱技術的應用,加快了制冷循環過程,提高了制冷效率,解決了高熱密度機柜的散熱效率問題。主要優點如下:一是實現了綠色環保功能,用水作為制冷劑,非常節能環保;二是服務器機柜具有較好可靠性,能提高散熱效果;三是能有效解決機房高密度散熱問題,制冷效率高。

4 機柜冷卻效率和冷卻的措施

       伴隨著數據中心機房內高熱密度機柜數量的不斷增加,服務器機柜散熱技術應用的重要性日益凸顯。以高熱密度機柜散熱要求為基礎,對服務器機柜散熱技術的優缺點進行對比分析,優化服務器機柜散熱工作方案,不僅能夠實現服務器機柜的節能降耗,提高機房運行的效率,還能合理調配資源,實現服務器機柜冷卻效果的提升。服務器機柜水冷制冷技術作為領域內最新的研究成果,其適用性、實用性和優越性十分突出,具備滿足當前高熱密度機柜散熱要求的條件,可以應用于服務期散熱系統。

在設計機房散熱方案時,要將節能高效作為目標。機房散熱方案的核心是利用水循環產生冷氣,實現服務器機柜內部空氣流通,完成熱空氣的排出和冷空氣的導入,降低服務器機柜溫度。為確保機柜冷卻效率和冷卻能力,需要在機房加裝內部空調系統,形成封閉式循環制冷系統,建設良好的室內空間環境。同時結合服務器工作場景,采用與之相匹配的服務器機柜散熱技術,利用服務器機柜后部有限空間設計冷卻系統,最大程度保障服務器正常運行。值得注意的是,由于水冷系統具有以水為介質的自身特性,需要定時對系統進行維護,避免服務器機柜水源泄漏造成損害。

       為實現機柜散熱器與機房空調系統的良好配合,需要對引入水冷散熱技術的服務器機柜所形成的制冷系統進行管理和控制,可以以內部空調、溫控系統和散熱系統為基礎,引用“互聯網+”技術打造智能化管控體系,應用智能化管理手段監測機柜散熱情況,一旦服務器溫度高于設定溫度立即觸發機房空調系統的運行,同時加快散熱系統的循環速度,將智能化、現代化技術應用于服務器機柜,實現服務器機柜散熱的自動化和現代化。

5 結 語

       本文對服務器水冷散熱技術進行了梳理和分析,總結了不同服務器機柜水冷散熱技術適宜的應用情境,并結合當前高熱密度服務器散熱需求制訂了水冷機房設計方案,采用智能化管理技術平衡多重散熱措施,確保散熱系統穩定運行,保證散熱效果。盡管目前水冷散熱技術可以基本上滿足機房散熱系統的技術需求,但未來網絡技術升級,服務器功能必將進一步優化,屆時服務器機柜散熱需求有可能會要求更高,因此關于服務器機柜散熱技術的探討應進一步深入。

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