海底数据中心的散热优化设计分析

张俊丽 张豪 杨震 武泽菲

摘要：随着云计算、大数据等信息技术的迅速发展，海底数据中心规模和数量都在日益增长，其耗能问题也受到更多的关注。如何在有限的体积内存放更多的服务器，且保证服务器工作过程中向海水正常快速的散热已经成为数据中心服务器存放问题研究的焦点。该文就如何最大程度优化数据中心散热问题建立了CFD仿真模型并进行评估分析。

关键词：数据中心;散热优化;冷却功能;服务器

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）04-0022-02

1引言

近年来，随着云计算、大数据等崭新科学技术的快速发展，信息化建设提出了挑战。目前，国内的大数据中心主要建立在内陆地区，但是因为建立在陆地上就必须占据巨大土地面积和庞大成本，所以有专家学者提出了“海底数据中心项目”。它是将服务器等网络设备放置于带有制冷功用的海底封闭的抗压容器中，并使用海底复合缆供电，以便于将数据上传给整个网络[1]。

早在2015年8月，微软公司就首次在美国中西部加州的一处水域，对水下数据中心的原型机开展了仿真试验。开展了三个多月的试验并获得了超乎预想的成果。而2018年，微软Project Natick项目还在英国苏格兰沿海线附近的海域中，试验地部署了一个在水下的数据中心。这也是数据中心的第一次部署于海底。经计算，结果表明海底数据中心的总故障率约为陆地的八分之一，大大降低了故障率[2]。对于海底的数据中心，如何在有限的体积内存放多个服务器并且保证该服务器在工作过程中给海水快速散热是一项有挑战性的问题[3]。

2最大可存放服务器数量测算

首先不考虑服务器的散热需求，对集装箱最多可以放多少个服务器进行计算，得到存放最大值。然后结合服务器的散热情况，得到单个集装箱最大存放服务器量。

将高度为44.45毫米，宽度为482.6毫米，长度为525毫米的IU服务器放入直径为1米，长为12米的圆柱体集装箱共有3类方法。分别为长宽与圆柱体底面平行，长高与圆柱体底面平行，宽高与圆柱体底面平行。以圆柱体的一个底面为例，以上三类情况如图1所示。

当为长与宽时，其中服务器长与宽分别为525毫米、482.6毫米，经计算可得，该圆柱体底面的平面最多存放1个服务器，该集装箱在该类情况下可共放269个服务器。

当为宽与高时，其中服务器宽与高分别为482.6毫米、44.45毫米，经计算可得，该圆柱体底面的平面最多存放10个服务器，该集装箱在此种情况下可共放220个服务器。

当为长与高时，其中服务器长与宽分别为525毫米、44.45毫米，经计算可得，该圆柱体底面的平面最多存放19个服务器，该集装箱在此种情况下可共放456个服务器。

通过上述情况可以得到，在不考虑服务器的散热需求时，一个集装箱内最多可以存放456个服务器，这是服务器容纳上限。在此种情况下，再考虑服务器的散热需求。

由于固体在液体中的冷却方式主要是对流传热，因此对流传热又可分成自由对流和强制对流。在仅考虑服务器的散热需求时，为了评估出单个集装箱里最多能存放多少个服务器，本文建立了服务器集群传热模型来对其进行评估。

假设集装箱内有n台功耗为Pi的服务器，第i台服务器收入的冷风温度为：Tiin，放出的热风温度为：Tiout[4]。由能量守恒定律与热力学定律可以得到服务器的热平衡方程为：

但由于服务器吸入的冷水中会混有少量的循环热水，那么服务器出口排出的热量可以表示为：

从上述分析可以得出，服务器入口温度可表示为向量的形式：

由于单个服务器的产热为500W，且正常温度不得超过80℃。因此，本文中假定将服务器所消耗的功率全部转换为热能，则服务器表面和冷却水之间的稳态换热流程即可表述为：

利用以上的穩态换热方程，可得到服务器表面温度的向量形式：

再将服务器入口温度向量形式“代入”服务器表面温度的向量形式后得到服务器表面温度可以表示为：

通过上述能量守恒定律与热力学定律可以得出在仅考虑服务器的散热需求，且保障服务器工作温度不高于80摄氏度的条件下，可求得单个集装箱外壳中最多可以放230个服务器。

3 优化集装箱外壳结构

在前面的基础上，对集装箱的外壳的结构进行设计来实现最大化的散热效果，即存放更多的服务器。具体步骤如下文所示。

通过ANSYS CFX软件建立数据中心的CFD仿真模型来对集装箱外壳结构进行设计。当前最常用的方法之一就是将服务器放置在高架地板上的位置，但由于空气中的静电，他们内部都有过滤器，可去除房间内的灰尘以及用于循环和分配空气的风扇。为了提高效率，破解单元，应使用节能过滤器，EC或电控风扇地板中的压力和压力传感器，精确控制送风量。但这样是非常低效的行为，因为新鲜的冷空气刚刚混合服务器排除的热气，这意味着服务器有的热，有的冷，这容易导致高耗能以及高故障率[2]。为了解决这个问题，本文将服务器定位，设计出集装箱内部部分服务器存放图，这样服务器的机架都面向于同一个方向，如图2所示。

其次，对集装箱天花板进行设计，建立冷热通道。冷空气从地板上冒出来并通过服务器，所有排除过的热空气都收集到热通道中，并朝天花板上升。然后将其拉回破解单元，这就意味着服务器应该收到只有新鲜的冷空气和裂纹单元，接收排出的热空气，即增加了温差，穿过裂纹单元的热交换器可以提高机器的效率。

为了防止地板漏气，冷空气和热空气混合在一起导致空气直接循环回裂纹单元并与返回的气流混合;再通过安装盲板来对其进行解决。如果供应的空气超过气流，那么它将流过各个单元并于排除管线混合。

通过前文建立的CFD仿真模型，可使冷空气充满房间，并且排除的热空气被推动，进入天花板的另一个空隙，裂纹单元的进气口也被进入天花板，拔出热风进行修复。热通道气流遏制提供卓越的性能，并且留一些冷却缓冲液。如图3所示;

通过上述所建立的模型，实现了散热最大化，可以存放更多个服务器。

4 优化集装箱外壳金属材料

由于部分金属与海水接触受到海水的腐蚀。为了选择合适的材料并对海底深度进行优化设计，进一步提高散热效果，并尽可能降低成本，提高使用年限。需要找出海水中耐腐蚀、耐压力、成本低等相关金属与附件所给金属材料表进行分析对比，从而找出合适的材料[5]。

海水是一种具有多种盐类的电解质溶液，它以3%～3.5%的氯化钠为主（盐），pH值为8左右，并溶有一定量的氧气。除铝及合金以外，大多数金属在海水中均易锈蚀。其中以下三类金属可以耐海水腐蚀。

（1）热力学稳定性高的金属。一般使用其标准电极电势来判断，其值较正者的稳定性也较高;较负者则稳定性也较低。抗蚀性好的贵金属，如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类。

（2） 容易钝化的金属。许多金属都能在强氧化性介质中产生有良好防护功能的致密氧化物层，这些现象就叫作钝化。金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr、 AI等。

（3） 在表面上能形成难溶的和保護效果好的腐蚀产物膜的金属表面。这些情况都只能在金属处于一定的腐蚀性介质中时发生。比如，H2SO4溶液中的Pb和Al，H3PO4中的Fe，盐酸溶液中的Mo以及大气中的Zn等。

通过比较上述三种抗海水侵蚀的金属材料，本文对8种金属材料：铝合金5052、铝合金6061、铝合金7075、铍铜合金，CDA 172、抑制海军黄铜、蒙乃尔400、铬镍铁合金625、钛6al-4v在6个指标上：含量、密度、弹性模量、屈服强度、抗拉强度、海水电位进行对比分析，选择出部分耐海水腐蚀的金属材料。经过比较分析，发现蒙乃尔400合金是最高强度的单项固溶体材料，且它是一种用量最高、应用范围最广泛、综合性能最好的耐腐蚀合金，且成本较低。抑制海军铜里主要成分含71%铜、28%锌、1%锡等，它广泛应用在海洋船舶上。钛、镍合金对耐海水腐蚀性优异，不过用于加工困难，成本比较高，不太被广泛应用。为了选择合适的材料和优化设计，进一步提高散热效果，并尽可能降低成本，提高使用年限，本文最终选取蒙乃尔400作为防腐蚀材料。

5 结束语

本文通过建立能量守恒建立了数据中心的散热优化设计模型，并在此基础上设计集装箱的外壳结构以及选择合适的材料，不断进行优化，实现最大化散热效果，并进行了散热器最优设计方案数值模拟。

参考文献：

[1] 郑康.为什么微软要将数据中心沉入海底[J].计算机与网络，2018，44（23）：43.

[2] 王彬，诸凯，王雅博，等.翅柱式水冷CPU芯片散热器冷却与流动性能[J].化工进展，2017，36（6）：2031-2037.

[3] 诸凯，王华峰，王建惠，等.带有强化换热结构的芯片散热器实验研究与数值模拟[J].制冷学报，2015，36（2）：46-51.

[4] 诸凯，刘泽宽，何为，等.数据中心服务器CPU水冷散热器的优化设计[J].制冷学报，2019，40（2）：36-42.

[5] 吴海飞，刘景华，王雷广，等.海底电缆工程造价影响因素分析[J].中国电力企业管理，2021（6）：72-74.

收稿日期：2021-08-18

基金项目：陕西省教育科学“十三五”规划2020年度课题（SGH20Y1480）;西安欧亚学院2021年度校级教育教学改革研究项目（2021ZD002）

作者简介：张俊丽（1982—），女，陕西韩城人，副教授，硕士，研究方向为数据分析与挖掘;杨震（1999—），男，本科在读，陕西杨凌人，研究方向为数据科学与大数据技术;张豪（1999—），男，陕西宝鸡人，本科在读，研究方向为数据科学与大数据技术;武泽菲（2000—），女，陕西大荔人，本科在读，研究方向为数据科学与大数据技术。