作者：Andy Smith
数据中心几乎是所有现代工业的支柱，支持全球范围的系统运营、数据存储、连接和通信。电信、电子商务、媒体、医疗保健、金融、教育、安全和制造业都离不开数据中心的支持。然而，数据中心的热管理是一个经常被忽视的巨大挑战。
本文介绍了能够使现代数据中心高效运作的主板级、子系统级和系统级冷却技术。
数据中心冷却系统为何至关重要
数据中心热管理对于设备可靠性、能源效率、防止数据丢失、性能优化、安全、成本、运行效率以及最大限度地减少对环境的影响至关重要。
高效的热管理可确保各电子元件在最佳温度范围内运行，同时优化元件级能耗。随着元件温度的升高，其内阻也会增加，这可能会降低性能或增加总体功耗。元件冷却不足会导致计算能耗大幅增加。相反，冷却过度或冷却系统效率低下，则会为了维持优化的计算能耗而导致不必要的能源支出。
数据中心的成本与能耗直接相关。高效的热管理策略可降低整体运营成本。通过针对计算能耗成本优化冷却系统能源成本，数据中心运营商可以最大限度降低运营成本，并满足计算性能需求。
数据中心冷却的三个级别
板级冷却
数据中心的主要发热量来自 CPU、GPU 和 TPU 等处理单元。这些板级组件需要有效散热，以保持适当的内部温度。
最常见的板级冷却方法是利用空气作为吸热介质。数据中心电路板使用空气冷却设备，如被动散热器、热管、蒸汽室、主动冷却风扇和鼓风机。
当风冷热管理系统无法提供理想的冷却性能时，可使用液冷系统。液冷 CPU、GPU、ASIC 和计算加速器广泛应用于高密度数据中心，它们具有特殊的硬件要求，产生的热量超出了传统冷却方法的处理能力。液体冷却可为高性能计算 (HPC) 任务中常见的这类硬件提供更有效的散热，例如人工智能训练、科学模拟、复杂数据分析和图形渲染。
子系统冷却
液体冷却可用于整个数据中心，但由于其复杂性和成本较高，很少成为通用冷却解决方案。许多数据中心在不同区域采用不同的冷却技术。在局部液体冷却系统中，收集到的热量通常通过液体排放到空气中，然后再传输到数据中心其他的空气冷却系统中。
气流管理是整个数据中心热管理的核心技术。鉴于大多数数据中心的板卡都被安排在机架中，机架级冷却系统可由专用冷却装置或安装在机架上的风扇组成，将气流从数据中心的一个区域引导到另一个区域。
数据中心通常采用冷热通道配置，即服务器的一侧面向冷通道，另一侧面向热通道。机架级冷却装置和风扇从冷通道抽取空气，通过机架冷却电路板和组件，然后将空气排入热通道。热通道封闭 (HAC) 解决方案使用物理屏障和门封闭通道，最大限度地减少与环境空气或冷却空气的混合，从而保持效率。
作为空气机架冷却的替代方案，冷冻水和液体冷却分配装置（CDU 和 LCDU）可将冷冻水在整个机架内循环至单个板级液体冷却设备。CDU 由冷却剂回路、泵和控制系统组成，可根据需求分配冷却液。它们还包括一个热交换器，可将机架内产生的热量排放到数据中心级的空气或液体冷却系统。
浸液冷却是最罕见的数据中心子系统冷却方式，主要用于高性能计算和技术领域。这些系统包括将整个服务器硬件系统浸入介电流体中，以同时直接冷却所有电路板组件。这种冷却方法具有卓越的冷却能力，但需要高度专业化的基础设施，而且不像空调或冷却水冷却系统那样具有可扩展性。介电流体也是昂贵的消耗品，维护复杂，可能对环境造成危害，因此大多数数据中心都很少使用。
系统级冷却
整个数据中心的冷却需要对整体基础设施、能源消耗和位置规划有充分的预见性。根据设施内的整体温度、湿度和环境条件，需要使用多个系统。选择使用哪种系统主要取决于行业和数据中心的预期需求/使用情况。
精密空调系统
精密空调系统，如计算机房空调 (CRAC) 机组，是最常见的数据中心冷却系统。CRAC 装置用于数据中心，利用冷却的强制空气冷却机架，并利用集中制冷循环来实现这一目的，将热空气排出到外部环境中。
CRAC 设备提供精确的温度和湿度控制以及空气过滤，这对敏感设备和数据存储至关重要，但不太适合高性能计算应用。CRAC 装置的冷却空气分配系统可从热/冷通道配置到上流式地板到天花板分配系统。精密空调系统最常见于银行、医疗保健、技术、电子商务和以娱乐为导向的数据中心，因为这些数据中心数据存储量大，每天需求稳定，而且 HPC 机架数量极少。
上流式机架冷却配置示例
冷水系统
冷水系统使用水作为冷却介质，在整个数据中心内循环。这些系统也称为水力冷却系统，由于其可扩展性，多用于计算负荷较高的行业或超大型数据中心。与空调系统相比，冷冻水系统更加高效，可以处理更高的热负荷，从而能够管理全天不同的热需求。
冷水系统还提供大量冗余，使整个系统更加可靠。遗憾的是，冷水系统的前期成本较高。中央设备、分配管道和机架级冷却系统都比空调冷却系统昂贵。这些系统还容易发生泄漏，需要专业人员进行安装和维护，以避免损坏宝贵的服务器硬件。
不过，由于冷水系统具有可靠性、可扩展性和更大的系统热容量，因此在电信、政府、能源/公用事业、安全、制造和科学领域得到了广泛应用。无论是从计算密度还是整体规模来看，冷水系统都是高计算负荷系统的首选冷却方式。
自由冷却系统
自由冷却系统利用外部环境条件冷却数据中心。自由冷却系统最大程度地减少了对机械冷却系统的依赖，因此在能源效率优先的情况下可以使用。它们的工作原理是吸入外部冷空气，过滤后用于冷却数据中心机架，然后将热空气排回室外环境。这些系统只有在外部环境支持的情况下才会存在，因此这些系统并不常见，只能用于计算需求较低的特定行业。
数据中心冷却是基础
大多数数据中心的冷却系统由传统空调系统或冷冻水系统组成。数据中心的热密度、可用空间、地理位置和成本限制是这两种系统之间最常见的决定因素。更先进的 HPC 数据中心可以由复杂的液态浸入式热管理系统组成，提供能力最强的热管理解决方案。尽管如此，它们的成本和复杂性使其并不常见。板卡、子系统和数据中心级冷却系统的高度定制化设计在很大程度上取决于行业需求、可扩展性、可靠性和能效目标。无论如何，热管理解决方案对于现代数据中心的运营都是必不可少的。
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