服务器机柜散热技术比较研究

摘要: 随着科学技术的发展,“互联网+”时代我国信息技术产业有了长足发展,支撑信息系统发展的服务器数量在不断增长,随之而来的是服务器机柜散热问题引起了广泛关注。大多机房散热采用穿过架空地板或天花板的冷空气供应方式对机房进行降温,这种对大范围空间降温的方式对能源浪费较大、针对性较低。信息技术在各行各业广泛应用的今天,使用服务器机柜散热技术可确保服务器正常工作,减少能源浪费。

0 引言

服务器机柜散热不良会影响服务器设备正常运行,进而影响网络运行速度。大多机房建设后所容纳的服务器设备众多,众多的服务器的设备散热问题是机房建设中需要关注的重点问题之一[1-5]。服务器机柜在机房设备散热中发挥着重要作用。采用穿过架空地板或天花板冷空气供应方式对机房进行降温,虽然能够使空间温度整体降低,但服务器机柜的局部散热效果较差,温度仍较高。特别是服务器多是持续不间断运行,运行中会产生较高温度,影响服务器正常运作。服务器机柜的局部散热能起到较好的散热效果,让服务器运行环境得到有效改善,降低服务器的温度。信息技术在各行各业广泛应用的今天,使用服务器机柜散热技术可确保服务器正常工作,减少能源浪费。基于此,本文对服务器机柜散热技术进行了比较研究。

1 机柜散热设计

良好的服务器机柜散热设计能提高服务器机柜的散热效果。机柜散热方案应以分析传统机房空调制冷和机柜应用现状为基础,结合当前高热密度机柜制冷的需求特点,对数据中心高热密度机柜散热方案进行优化,确保冷却效果符合实际需要。一是在机柜的风道上开设通风孔,不仅能让服务器机柜的内部结构更加流畅,还能产生空气流[6-11]。在服务器机柜设计中考虑到空气流通效果,通常会在一端设计空气进风口,在另一端设计空气出风口,以保证空气动态流动。二是在机柜中增加制冷设备,以进一步增强降温效果。三是合理分区,在设计中应用服务器机柜的送风区、热交换区对分区进行划分,通过分区设置方式合理实现热交换,提高服务器散热效率。四是在服务器机柜中安装散热器,优化服务器机柜散热方式,实现精准的散热处理。

2 数据机房内机柜水冷散热技术

随着信息技术发展,数据机房对数据处理能力要求越来越高,要求具有大数据处理容量的服务器承担数据处理功能,做好服务器的运维工作,提升数据处理能力。散热问题是影响服务器运行效率的重要问题,升级服务器散热对于提高服务器性能有积极作用。数据机房内机柜水冷散热技术是一种新兴技术,不仅能有效提高服务器工作效率,使资源利用更加充分,而且能降低传统散热方式对空调系统散热的依赖,让散热模式更加节能环保,还能便于对系统扩容,是增强机房服务器散热的先进技术手段之一。

3 服务器机柜散热技术分析

依靠服务器机柜水冷散热技术能够实现吸入冷空气、排出热空气的循环,可以增强服务器机柜制冷效果,对提高服务器机柜散热效果有极大的促进作用。该技术利用稳定的冷却水源实现服务器机柜散热,具有良好工作性能和环保性能。服务器机柜散热技术主要有以下3种。

3.1 开放式机柜加水冷背板制冷法

开放式机柜加水冷背板制冷法能够提高服务器机柜的冷却能力,技术原理如图1所示。开放式机柜散热采用前门和后门分别设计的方式,在服务器机柜的后门设置水冷背板,在服务器机柜的前门设置通风口。这种设计方式能够增加内部空气流通,空气流通的最大作用是将冷空气引入服务器机柜,将服务器运行产生的热空气排出,完成冷热空气交换。同时,开放式机柜散热方案加设了机柜内部热交换器,以此完成内部冷空气注入和热空气排出,形成了服务器机柜的内部冷循环体系。这种制冷形式加快了制冷循环,加强了机房内单机柜内的制冷效果,单块水冷背板制冷量可达4～8 kW。配合机房空调使用,加上机房空调的制冷量,单机柜的制冷量可达8～12 kW。

图1 开放式机柜加水冷背板散热技术

注:1指冷风,2指机柜前网格门,3指机柜,4指刀片服务器,5指水冷背板,6指冷风,7指热风,8指进水管,9指回水管,10指架空地板。

3.2 封闭式水冷机柜散热技术

封闭式水冷机柜散热技术图如2所示,这种技术的基本原理是在一套封闭的空气循环系统内完成空气循环。封闭式水冷机柜散热技术依托全封闭式机柜,在良好的空间环境进行空气交换和共享,形成了相对独立的制冷系统循环,在一定程度上避免了能量损失。封闭式水冷机柜散热技术内部循环系统采用风扇和交换管完成热交换,工作时机柜风扇吸收服务器背面排出的热风,从回风口送入盘管全热交换器系统中冷却,再将冷风从送风口送至服务器正面,灌入刀片服务器,依次循环,以达到对服务器的散热功能。封闭式水冷机柜散热技术的可靠性较高,制冷系统效果较好,提高了服务器机柜内部空气循环系统应用水平,单机柜制冷量最大可达30 kW,能基本满足机柜内高热密度服务器的散热要求,适用于高热密度机房。

图2 封闭式机柜水冷散热技术

注:1指架空地板,2指冷空气,3指服务器,4指热空气,5指冷却水进水管,6指回水管。

3.3 服务器CPU芯片散热技术

 局部加装散热芯片也是服务器机柜散热的重要技术手段。实践证明造成服务器发热的主要部件是芯片,且芯片使用效率和使用寿命主要受散热处理技术的影响,在主要芯片部位加装散热装置是十分必要的。采用CPU芯片高效散热技术,在主要芯片部位加装散热装置,可以提高服务器机柜内部器件的运行效率,增强散热数据服务器散热效果,进一步发挥散热系统的散热作用,保护重要部件。目前,制约CPU芯片水冷散热技术广泛应用的原因之一是芯片狭小的内部空间无法满足水冷技术循环对空间的较大需求,有学者提出利用翅柱式结构散热器解决这一问题,未来CPU芯片水冷散热技术将更加成熟。

分析服务器机柜的散热技术可知,服务器机柜散热技术的应用,加快了制冷循环过程,提高了制冷效率,解决了高热密度机柜的散热效率问题。主要优点如下:一是实现了绿色环保功能,用水作为制冷剂,非常节能环保;二是服务器机柜具有较好可靠性,能提高散热效果;三是能有效解决机房高密度散热问题,制冷效率高。

4 机柜冷却效率和冷却的措施

伴随着数据中心机房内高热密度机柜数量的不断增加,服务器机柜散热技术应用的重要性日益凸显。以高热密度机柜散热要求为基础,对服务器机柜散热技术的优缺点进行对比分析,优化服务器机柜散热工作方案,不仅能够实现服务器机柜的节能降耗,提高机房运行的效率,还能合理调配资源,实现服务器机柜冷却效果的提升。服务器机柜水冷制冷技术作为领域内最新的研究成果,其适用性、实用性和优越性十分突出,具备满足当前高热密度机柜散热要求的条件,可以应用于服务器散热系统。

在设计机房散热方案时,要将节能高效作为目标。机房散热方案的核心是利用水循环产生冷气,实现服务器机柜内部空气流通,完成热空气的排出和冷空气的导入,降低服务器机柜温度。为确保机柜冷却效率和冷却能力,需要在机房加装内部空调系统,形成封闭式循环制冷系统,建设良好的室内空间环境。同时结合服务器工作场景,采用与之相匹配的服务器机柜散热技术,利用服务器机柜后部有限空间设计冷却系统,最大程度保障服务器正常运行。值得注意的是,由于水冷系统具有以水为介质的自身特性,需要定时对系统进行维护,避免服务器机柜水源泄漏造成损害。

为实现机柜散热器与机房空调系统的良好配合,需要对引入水冷散热技术的服务器机柜所形成的制冷系统进行管理和控制,可以以内部空调、温控系统和散热系统为基础,引用“互联网+”技术打造智能化管控体系,应用智能化管理手段监测机柜散热情况,一旦服务器温度高于设定温度立即触发机房空调系统的运行,同时加快散热系统的循环速度,将智能化、现代化技术应用于服务器机柜,实现服务器机柜散热的自动化和现代化。

5 结 语

本文对服务器水冷散热技术进行了梳理和分析,总结了不同服务器机柜水冷散热技术适宜的应用情境,并结合当前高热密度服务器散热需求制订了水冷机房设计方案,采用智能化管理技术平衡多重散热措施,确保散热系统稳定运行,保证散热效果。尽管目前水冷散热技术可以基本上满足机房散热系统的技术需求,但未来网络技术升级,服务器功能必将进一步优化,届时服务器机柜散热需求有可能会要求更高,因此关于服务器机柜散热技术的探讨应进一步深入。

本文标题：服务器机柜散热技术比较研究

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