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高密度机柜的散热方法

文章出处:深圳市旺晟达科技有限公司 人气:-发表时间:2015-04-02 10:43:00

随着数据中心机房内高密度机柜的不断增加,设备的集成度越来越高,散热问题已成为数据中心机房管理的主要难题。该文中讲述了五种应对高密度机柜散热问题的策略,总结了应用高密度计算的最佳散热策略,最后介绍了提高冷却效率和冷却能力以及提高现有数据中心密度的具体措施。

1、引言

在数据中心安装最新的IT 设备,如刀片式服务器,有着众多的优点。但是,这些设备的能量消耗量每一机柜为现有机柜的2 至5 倍,即“高密度”机柜,高密度机柜的功率一般都超过5kW,相应的散热量也会加大,这一点已成为停机的潜在原因。为有效地避免设备故障和不明原因的速度缓慢,并延长设备的使用寿命,制定合理和优化的散热策略至关重要,以确保数据中心能够在其峰值效率下平稳运行。本文首先分析了五种应对高密度机柜散热问题的策略,并总结了应用高密度计算的合理而且最佳的散热策略,最后,介绍了提高冷却效率和冷却能力以及提高现有数据中心密度的具体措施。

2、散热策略

应用高密度机柜的散热策略有五种基本方法:分散负载、基于规则的散热能力转借、辅助散热、设定专门的高密度区以及全房间制冷。下面依次对这些方法进行探讨。

2.1 分散负载

分散负载是目前数据中心采用高密度设备最常用的解决方法。其目的是将负载超过平均值的机柜中的服务器分散到多个机柜中,实现整个机房的电力和散热性能的负载平衡。

通过将设备分散安装在多个机柜中,任何一个机柜都可以不超出设计的功率密度,因此散热性能是可预测的。例如可以将1U服务器和刀片服务器分散配置在多个机柜中。在多个机柜中分散配置设备会使机柜内有相当大的未被利用的垂直空间。必须用隔板封填充这些空间,防止散热性能降低。随了散热外,其它一些因素也常常会要求高密度设备在多个机柜中分散安装。高密度配置下,为机柜提供所需的电力或数据可能不可行或不切实际,在高密度配置1U 服务器的情况下,机器后部大量的线缆可能会严重阻碍空气的流通,甚至后门都无法关闭。因此,在必要的情况下,也需要将服务器等设备分散放置。

2.2 基于规则的散热能力转借

基于规则的散热能力转借这种解决方案,是希望通过采用一定的规则,来允许高密度机柜借用邻近的其它利用率不高的冷却能力。

数据中心中总有一些机柜的功耗相对比较低,其散热能力和回流能力利用率相对不高,这些机柜的散热能力可以让附近的其它机柜使用。此外,还可以采用一些更复杂的规则,使机柜能够为两倍于设计的平均功率值提供可靠和可预测的散热能力。可以通过以机柜级监控功耗来确定这些规则和措施。

2.3 辅助散热

辅助散热策略,是希望通过使用辅助散热设备为功率密度超过机柜设计平均值的机柜提供所需的散热能力。这种方法通常需要事先对计算机的安装进行规划,以便在需要的时间和地点利用辅助散热设备。

可以用多种方法对机柜进行辅助散热,包括:安装特制的地板砖或风扇增强机房专用空调对机柜的冷空气供应;安装特制的回流管道或风扇从机柜中排出热空气,使机器排出的热空气回流到机房专用空调系统;以及安装专门的机柜或机架式散热设备直接为机柜提供所需的散热能力等等。

2.4 设定专门的高密度区

设定专门的高密度区散热策略,是指在数据中心机房内设定一个有限的专门区域提供强散热能力,将高密度机柜限制在这一区域内。

应用这种散热策略,通常需要对高密度机柜部分以及将这些机柜隔离到一个特定区域的能力提前有所了解,在这些制约情况下能够达到最佳的空间利用率。当一个专门的高密度区被确定后,用户可以在这个区域采用专门的高密度技术,以便为该区域提供可预测的功率和散热密度。当功率密度超过每个机柜10kW 时,由于气流的不可预测性,需要采用缩短散热系统和机柜间的气流路径的措施。该系统的关键运行原则就是通过封闭热通道来控制IT 设备排出的所有热空气,然后立即用计算机机房空调系统对这些热空气进行冷却。控制热空气再加上较短的气流路径使得系统能够为很高的功率密度进行冷却,同时使得系统体现出高效率。

2.5 全房间制冷

全房间制冷,为机房内每个机柜提供期望达到的电力功率峰值和散热的能力。从概念上讲,这是最简单的解决方案,但并不实用,因为数据中心每个机柜的功率会有很大的不同,这种解决方案的结果会造成极大的浪费和极高的成本。此外,每个机柜的整体机柜功率密度超过6kW 的数据中心进行设计需要极复杂的工程设计和分析。这种方法只有机房功率密度较低的情况下才是合理的。

3 最佳散热策略

结合数据中心高密度机柜五种散热策略,综合考虑机房常见的安装情况,总结出以下四点应用高密度计算设备时优化散热的最佳实用策略。

1) 忽略IT 设备的物理体积,把关注的焦点放在功耗上。这是使占地面积和总体拥有成本最小化的有效途径。

2) 对系统进行设计,使之允许以后安装辅助散热设备。这使得用户在以后需要的时候在所需的地方安装辅助散热设备,以应日后之需。

3) 当部分高密度负载很高而且可预测时,在数据中心内设定一个专门的高密度区。当事先了解到需要设立一个高密度区而且分散负载不可行时采用这种措施。

4) 确定政策和规则,这样可以根据机柜的位置和相邻的负载确定任何机柜允许使用的电力供应,并将不能按这些规则进行安装的设备分开。这样的设计能够减少热点,有助于确保散热的冗余性,同时提高系统的散热效率,降低电力损耗。

4 提高散热效率的具体措施

4.1 实施定期检查与维护

对数据中心的定期检查和维护,检查冷却基础设施的潜在问题,使其能够在最佳效率上运行。这些检查应该包括:检查计算机室空调单元,确保测量温度(供给和返回)和湿度的读数和设计值一致;检查冷却水/ 冷凝器回路的状况;测量地板通风孔的空气速度;机架内部的温度等等。

4.2 在机架中安装挡板

如果机架柜内存在着没有利用的纵向空间,则从设备流出的热空气可通过“短路”返回到设备的入口。这种没有控制的热空气循环造成了设备的不必要发热。对机架所有空白面板要用挡板填充以形成U 型空间。安装挡板可以确保适当的气流,防止冷却空气绕过服务器上的入口,并防止热空气循环。使用没有挡板的机架会导致冷却不当,造成热损失。

4.3 清除下地板障碍物和密封地板

数据中心的高架地板用作分配管道或导管来作为冷却空气的路经,使冷却空气从机房空调单元流到机架前的带孔地板砖或地板栅栏。如果缆线从地板下经过,要确保有足够的空间,使得空气可以流到带孔砖或地板栅栏,为设备的冷却提供足够的风量。在理想情况下,电缆架应该是在地板下“上级水平”行走,使得“下级水平”能自由地作为冷却分配管道。

缺失的地板砖要及时补上,以消除任何缝隙。地板上缆线开孔是造成空气泄漏的主要原因。因此,对电缆的周围要进行密封。

4.4 实施热/ 冷通道布置

绝大多数机架安装服务器的设计为从前面吸入空气,从后面排出空气。如果机架都朝向一个方向,则第一排机架排出的热空气在通道中将和供应空气或室内空气相混合,然后进入到第二排机架的前面。图1显示的是在高架地板环境中的这种布置。由于空气连续通过各排机架,IT 设备的入口空气注定是较热的。如果所有各排机柜的布置使得各个服务器的空气入口都朝向同一方向,则设备的功能难免会不正常。

最好的作法是使得“热”通道和“冷”通道设备交替成排布置,如图2 所示。冷通道将包括地板栅栏在内,使得服务器的前面(空气入口)朝向冷通道。热空气将被排放到不含有地板栅栏的热通道中。这种热/ 冷通道布置也同样适用于普通地板环境。

4.5 对齐机房空调单元

机房空调单元的空气排放管必须正确对齐,以优化到地板栅栏的冷却空气路经。机房空调单元太靠近冷通道,将造成此通道的气流绕过地板通风孔。为使得沿通道的气流更好,机房空调单元应与热通道对齐。从常规考虑出发,会认为要将它们布置在冷通道中,以便为冷通道中的地板通风孔提供气流。但实践表明,在返回到机房空调入口时,热通道的热空气进入冷通道,造成热空气和冷空气相混,从而提高了机架前面(入口)供应空气的温度。因此,应该在安装机房空调单元时,要进行初步的流体动力学分析,正确摆放空调位置,提高散热效率。也随着时间越来越紧急,因此在系统执行的过程中,等待任务随时可能会抢占当前执行的任务。LLF 算法造成任务之间频繁切换或称为颠簸(thrashing) 现象较为严重。颠簸现象增大了系统的开销,使得LLF 的实用性大为降低,限制了LLF 算法的应用。

 

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