机房服务器散热技术应用研究进展＊

施 勇，许志慧，柳博文，许家翔，张可凡，刘志航，蒋达华

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州341000）

1 引言

近年来，随着信息技术的发展，高热流密度数据机房的数量越来越多，设备产生的热量和机房的能耗也越大。机房内大量服务器设备以堆栈或并排的方式布置运行使电子设备的工作温度升高，从而导致机柜和机房的温度也会持续上升。如果这些热量不能及时被转移，将会影响服务器正常运行。数据机房的能耗主要由通信设备能耗、空调系统能耗、电源系统能耗三部分组成。其中，通信设备能耗占数据机房能耗的比例最大，约为50%；其次，空调系统能耗也较高，约占40%；电源系统能耗相对较少，约占10%[1]。因此，数据中心高效制冷散热技术是机房空调节能解决方案中的重要环节[2]。因此，在设计机房散热方案的同时，数据机房节能降耗显得尤为重要。常用的散热技术有风冷散热技术、液冷散热技术及蒸发冷却散热技术，分别对三种技术进行分析和梳理，从中发现服务器散热技术的发展方向。

2 风冷散热技术在机房中的应用

电子通信行业常用的空调节能方法主要是采用高效空调设备、换热设备和利用室外冷源的新风等。常见的两种散热方式有：利用温度较低的自然冷源来冷却机房，有效地降低机房的能耗；利用冷却设备进行机械冷却。机房冷却系统具有两套冷却设备，一套是常规的冷却液冷却设备，另一套利用室外的冷却空气作为冷却剂，当室外温度在某个特定值之下或者室外温度与室内温度的差值大于某个特定值时，可以采用室外冷空气冷却电子设备。在室外气温较低的冬季，这种组合冷却装置也能有效降低能耗[3]；在炎热的夏季，两套设备组合使用加快了散热响应时间。

自然冷却技术是利用自然空气对数据机房进行散热，能耗低，是实现节能减排的重要途径，但其冷却能力有限[4]。在工程应用中，利用空调系统进行散热是目前应用最广泛的方法。根据空调系统的气流组织形式可以分为上送下回、下送上回、侧送上回等，不同的气流组织形式有不同的散热效果。在实际数据机房的空调系统工程案例中，下送风方式较上送风方式约节约20%的运行费用[5]。孙铁柱等[6]利用自泄压热管散热器，将该散热器应用到机房服务器导出内部热量，然后再由排风系统直接将热量排出室外，该种方法有效降低了空调负荷和空调能耗。另外，布置冷热通道是数据机房空调冷却系统中应用较多的一种调节气流组织的方法，该方法无需对整个机房制冷，可节省空调能耗，还可灵活扩充，利于机械化加工，安装简易，能大幅度避免冷热空气混合以减少能量损耗[7]。由于风冷散热技术存在散热能力低、冷却效率低、能耗大、易出现局部过热现象等诸多问题，因此液冷散热技术逐渐被学者关注。

3 液冷散热技术在机房中的应用

液冷散热技术是依靠液体的流动来传递热量，与风冷散热方式相比，液冷散热效果相对更好。与传统的风冷散热方式相比，当使用循环水冷系统对数据中心进行散热时，数据中心的总能耗大约可以降低50%；当使用蒸汽压缩两相冷却系统散热时，数据中心的总能耗大约可以降低41%；如果将机房的热量出售给热用户，数据中心的总能耗还可以进一步降低[8]。

液冷散热系统主要通过水泵、导管、散热器等部件，将芯片产生的热量传递给液体[9]。数据机房液冷散热包括单相冷却、两相冷却和热管冷却[10]。单相液冷散热在冷却过程中不发生相变，是利用水作为循环冷却剂实现散热，在数据机房或者数据机柜内应用冷水板，利用离心泵驱动冷水流经冷水板来实现散热，可以对多个处理器同时进行冷却，具有较高且可靠的散热效果，同时还可以回收机房内的余热，具有较大的发展潜力。以水冷散热方式为例，一个功率密度为500 kW的数据机房，需要1 000台风机才能达到的冷却效果，32台冷却水泵就可以达到[11]。以北京市某数据中心为例，在一台功率为10 kW的机柜内采用封闭式液冷散热方式后，可达到一台5匹空调的散热效果，每年可节约近30%的用电量[12]。为了提高换热器的散热量，增强单相冷却的余热回收效果，可将液冷机柜进行封闭式设计，控制冷却水温度始终高于露点温度，此种设计方案可满足机柜内高热密度服务器的散热要求，与传统的空调制冷系统相比，散热效率可提高80%以上，且服务器安放在密闭的机柜中，大大降低了机房的噪声值[13]。虽然单相液冷散热技术能够提高散热效果，降低数据机房的能源消耗，但是由于液体存在泄漏或导电的风险，因此在数据机房液冷散热并没有得到广泛的应用，无法全面替代风冷散热。

两相冷却的散热性能要比单相冷却强，制冷剂在发生相变吸收热量蓄热时，其温度不会上升。在吸收相同的热量情况下，两相冷却的制冷剂温度比单相冷却低；在相同的热负载下，单相冷却需要的循环流量较两相冷却系统大得多，若要达到相同的冷却效果，单相冷却需要的流量是两相冷却系统的26倍之多[14]。但是两相冷却系统结构复杂，初期投入高，实际应用较少。热管冷却是一种利用热管两端的温差驱动液体流动来实现传热的散热方式[8]。热管冷却无需工质泵提供动力，而是利用重力驱动，冷却剂的泄漏风险较低，是一种安全可靠的冷却方式[15]。热管冷却的主要优势有：热管的冷凝段与蒸发段温差越大，其散热效率越高，并且热管冷凝段可设置换热器与冷却塔相连，冬季可利用自然冷源冷却提高能源利用率。分离式热管换热器是目前技术较为成熟的小型机房换热设备，其效果体现在当室外环境温度比较低的时候，可以通过引入室外自然冷源，排除机房内的热空气来减少空调的开启时间，达到节能降耗的效果[16]。

为了增强散热效果，液冷散热与风冷散热可形成互补，结合多种冷却技术，寻求最优的解决方案[17]，或者通过放置改性相变材料模块能有效减缓机房内的温度波动情况，增强温控效果，达到节约能耗的目的[18]。于昕等提出一种新型的相变蓄能空调系统，利用相变材料吸收和释放冷量的特性来控制移动通信基站机房内的温度，可以有效节约空调能耗，减小机房内的温度波动[19]。应用研究表明，无机相变材料具备较好的稳定性，使用寿命不低于10年，而且该类相变材料可以根据应用场景需要封装成各种形状，充分满足产品使用的便利性、长期性和安全性等要求[20]。在未来的数据机房散热方式中，液冷散热技术将成为主力军，但液冷散热技术无法完全替代传统风冷散热，两种散热方式结合使用，相辅相成，将成为未来数据机房散热的发展趋势。

4 蒸发冷却技术在机房中的应用

蒸发冷却技术[21]是将风冷和水冷有效结合起来的一种新型复合散热技术，依靠流体沸腾造成的密度差即可形成自然循环，无需外加驱动力，提高了运行的可靠性，并且无需风机，降低了噪声水平。

蒸发冷却分为直接蒸发冷却（DEC）和间接蒸发冷却（IEC）两种。直接蒸发冷却技术发展时间较长，直接蒸发式冷气机组在数据机房中已经得到广泛应用，主要的应用形式有两种：直接在数据机房中设置蒸发式冷气机，并且增加排风系统，与蒸发式冷气机配合；在蒸发式冷气机运行的同时，让部分回风与冷气机处理后的空气一次混合。蒸发冷却技术应结合区域的湿度进行合理优化设计，只有适应区域的技术才能得到最大化的节能[22]。目前市场上出现了蒸发式冷气机和原有机房专用空调系统联动的运行方案，其运行成本是传统空调系统的20%左右，但原有空调系统在运行时会增加空气含湿度，导致无法在任意室外条件下，实现同步排热和排湿，给冷气机带来冷负荷增大能耗，达不到节能目的[23]。间接蒸发冷却指通过非直接接触式换热器将直接蒸发冷却得到的介质中的冷量传递给工作介质，实现热湿交换的过程。某数据中心整体占地420 000 m2，规模为30万台服务器，建成后若采用间接蒸发冷却技术，经测试验证，该数据中心PUE值低于1.100，与同规模传统大型数据中心制冷相比，全年节能率超过60%[24]。在节能方面，数据机房使用蒸发冷却技术可减少空调系统对电力的需求量，西安地区某数据中心进行蒸发冷却技术改造后，每年节能约179 180 kW·h，采用蒸发冷却技术对指导绿色数据中心的空调系统设计具有重要意义[25]。由于各方面性能良好，蒸发冷却技术已经运用到超算中心，冷却系统本身可达到节能降噪甚至零功耗无噪音的标准[26]。

利用蒸发相变带走潜热，有效地提高了CPU的散热效果；而且在原有散热器的结构上也不必做太大的改动，相对比较简单。应充分考虑蒸发冷却系统形式、设备组成形式和蒸发冷却与原有的机械制冷系统的联动模式，将蒸发冷却技术的节能环保优势更好发挥[27]。

5 小结

面对不断增长的数据计算需求，数据中心机房的建设与使用规模更加庞大，数据机房内高热密度服务器的数量逐渐增多，IT设备集成度和功率密度将会更高，依靠传统的空调制冷方式难以满足高热密度数据机房的散热需求，同时造成大量的能源浪费。目前应用广泛的风冷冷却技术都难以做到高效绿色，仍需进行较大改进，可以从散热方式上进行优化，或是研究新的散热材料，但最为核心的绿色方式是利用自然冷源散热。传统的散热技术多以风冷技术为主，但能耗大的问题显著。而液冷技术正逐渐得到关注，并被运用到实践工程中。液冷技术不仅降低系统的能耗，还可以将余热回收利用。尽管液冷技术有利之处显著，但完全替换风冷技术仍不可能，未来将集中于液冷与相变材料的复合散热技术。蒸发冷却技术优点明显，但在实际应用中较为复杂，仍是一个研究热点。随着节能意识的不断加深，服务器散热技术将迎来蓬勃发展。