創(chuàng)新引領(lǐng)英特爾下一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)
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隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展，以及業(yè)務(wù)與IT日益密切的聯(lián)系，當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心正面臨著成本、整合、能源管理等一系列挑戰(zhàn)，并正在經(jīng)歷著巨大的轉(zhuǎn)變。在下一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)方面，英特爾公司持續(xù)創(chuàng)新，用多年積極的探索取得了很多經(jīng)驗(yàn)。
行之有效的方法：虛擬化
采用虛擬化技術(shù)，是減少整體IT能耗的好方法。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用物理服務(wù)器平均使用率在10%，采用了虛擬化和云計(jì)算以后，數(shù)據(jù)中心整體的IT的效率能夠提高很多。通過(guò)上述手段，英特爾與2005年相比，每年數(shù)據(jù)中心所用的服務(wù)器的支出下降了9000萬(wàn)美元，也即高達(dá)50%。
對(duì)于數(shù)據(jù)中心布局的優(yōu)化:
除了虛擬化以外，英特爾對(duì)于數(shù)據(jù)中心的建設(shè)還有很多其他探索。比如傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的散熱使用空調(diào)模式，冷熱通道沒(méi)有封閉，該模式通常實(shí)現(xiàn)的是2到4個(gè)千瓦的每個(gè)機(jī)架的應(yīng)用。
現(xiàn)在開始進(jìn)入云計(jì)算以后，所有的服務(wù)器，包括一些刀片式服務(wù)器，應(yīng)用密度變得非常高，所以對(duì)提高散熱效率最好的方法是采用冷熱通道分離，然后同時(shí)封閉冷熱通道，如果更高一級(jí)，則需要更嚴(yán)密的封閉防止冷熱空氣的混合，比如用煙囪式機(jī)柜這樣更嚴(yán)密的封閉方式。
進(jìn)一步降低能耗的非傳統(tǒng)方法
封閉冷熱通道以后有會(huì)有什么好處？好處在于可以提高整體的空調(diào)的效率。英特爾采用了用封閉冷熱通道，然后盡可能提高回風(fēng)溫度的方法，實(shí)現(xiàn)了冷水機(jī)整體能效比系數(shù)從0.927提高到1.02，也即提高10%。
冷卻水 | 冷凍水出水溫度?C | 7 | 8 | 9 | 10 |
進(jìn)水溫度 | |||||
?C | |||||
24 | 制冷量系數(shù) | 1.029 | 1.054 | 1.078 | 1.103 |
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) | 0.841 | 0.837 | 0.832 | 0.827 | |
能效比調(diào)整系數(shù) | 1.22354 | 1.25926 | 1.29567 | 1.33374 | |
27 | 制冷量系數(shù) | 1.015 | 1.04 | 1.066 | 1.091 |
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) | 0.918 | 0.914 | 0.909 | 0.905 | |
能效比調(diào)整系數(shù) | 1.10566 | 1.13786 | 1.17272 | 1.20553 | |
30 | 制冷量系數(shù) | 1 | 1.026 | 1.052 | 1.079 |
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) | 1 | 0.996 | 0.993 | 0.989 | |
能效比調(diào)整系數(shù) | 1 | 1.03012 | 1.05942 | 1.091 | |
32 | 制冷量系數(shù) | 0.99 | 1.016 | 1.043 | 1.069 |
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) | 1.068 | 1.055 | 1.052 | 1.048 | |
能效比調(diào)整系數(shù) | 0.92697 | 0.96303 | 0.99145 | 1.02004 |
在冷凝溫度不同的情況下，如果繼續(xù)提高水，或者每個(gè)冷所需要的千瓦時(shí)的一個(gè)對(duì)比，那么從7度到10度的時(shí)候，還是有一個(gè)10%的提升。到了12度會(huì)達(dá)到20%的提升，同時(shí)，很好的隔離冷熱通道，取得高的回風(fēng)溫度，可以增加服務(wù)器的前后端溫度差，這能在相同熱負(fù)荷的情況下，減少風(fēng)量，同時(shí)也可以減少風(fēng)機(jī)風(fēng)量和轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)的功耗它根據(jù)的轉(zhuǎn)速比值是一個(gè)立方的關(guān)系，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低一半的時(shí)候，它的功耗只相相當(dāng)于原來(lái)的八分之一；提高回風(fēng)溫度，可以隨之提高水溫，通過(guò)加大進(jìn)出空調(diào)機(jī)組的溫度差，還可以減少水泵的消耗功率，并能極大的延長(zhǎng)自然冷卻的時(shí)間。（但是這個(gè)方法并不適于風(fēng)冷型的散熱系統(tǒng)，也即就是直接蒸發(fā)式的DX系統(tǒng)，因?yàn)檫@種直接蒸發(fā)式的系統(tǒng)，提高回風(fēng)溫度可以適當(dāng)?shù)靥岣邏嚎s機(jī)的工作效率，但是由于過(guò)高的回風(fēng)溫度，可以引起壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的高壓的運(yùn)行，反而容易出故障。）
采用自然冷卻技術(shù)：
在節(jié)能方面英特爾還考慮盡可能地利用自然冷源，在全球適合自然冷卻的區(qū)域，都可以用自然冷源對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行降溫。比如北京,全年平均氣溫在16°C，適合自然冷卻的時(shí)間超過(guò)40%，今年一直到4月底室外還很冷，這個(gè)溫度可以給數(shù)據(jù)中心進(jìn)行自然冷卻。
北京年平均氣溫分布情況
利用室外冷空氣自然冷卻，主要分成兩種形式，
A 間接自然冷卻方式，
間接自然冷卻方式，還分為幾種方式，
1． 目前常用的是冷凍水機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)，配合適用于冬季自然冷卻的逆流型大冷卻塔（比夏季工況用冷卻塔容量要大3-4倍，以便盡可能延長(zhǎng)自然冷卻的時(shí)間），及隔離冷凍水系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)的板式熱交換器；
Intel Portland 的數(shù)據(jù)中心就是采用的這種設(shè)計(jì)方式。
比如北京，屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬夏時(shí)間長(zhǎng)，且全年大部分時(shí)間，空氣干燥，濕球溫度遠(yuǎn)低于干球溫度，理想的可以使用自然降溫的市外干球溫度全年平均12度以下的時(shí)間可以達(dá)到45%，如果使用冷卻塔加板換的方式，更可以利用市外濕球溫度自然冷卻，冷卻塔設(shè)計(jì)的容量足夠大時(shí)，全年自然冷卻的時(shí)間更可以達(dá)到60%以上；
2．就是用帶有自然冷卻盤管的干冷氣乙二醇方式，它的工作原理是在室內(nèi)機(jī)設(shè)計(jì)了兩套盤管，一個(gè)盤管是氟利昂的，一套盤管是可以走冷凍水的，這套系統(tǒng)它有什么特點(diǎn)呢？就是由于冷凍水系統(tǒng)它前提，是你的數(shù)據(jù)中心規(guī)模有足夠大，你可以有條件去設(shè)計(jì)冷水機(jī)組，螺桿機(jī)也好，但是如果你要是數(shù)據(jù)中心的規(guī)模沒(méi)有那么大的話，你設(shè)計(jì)這套冷凍水系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)中心的投資造價(jià)就太高了。
這種方式可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，就是用傳統(tǒng)的機(jī)房專用空調(diào)，傳統(tǒng)的水冷式的機(jī)房專用空調(diào)，在它的蒸發(fā)器盤管上，再并一組冷凍水盤管，到了夏天的時(shí)候，它是外邊的干式冷卻器是起到一個(gè)冷卻水的作用。
到了冬季的時(shí)候，它的干冷器就變成產(chǎn)生冷凍水的作用，然后通過(guò)兩套兩通閥來(lái)調(diào)節(jié)水是經(jīng)過(guò)板式熱交換器的冷凝器還是經(jīng)過(guò)冷凍水盤管，這樣的話也可以實(shí)現(xiàn)自然冷卻方式，而且這種自然冷卻方式它有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)在于它可以混合制冷，就是說(shuō)在你溫度降的比如說(shuō)室外溫度比如20度，但是機(jī)房回風(fēng)溫度是在26度的時(shí)候，也可以進(jìn)行自然冷卻，也就是說(shuō)我的從室外回來(lái)的水，可以先經(jīng)過(guò)冷凍水盤管，然后再進(jìn)行機(jī)械冷卻，這樣的話每年的自然冷卻時(shí)間，就拿北京來(lái)說(shuō)，可以達(dá)到50%甚至于更高的時(shí)間，那么可以對(duì)于你數(shù)據(jù)中心的年平均值來(lái)說(shuō)可以降的很低。（很好的封閉冷熱通道，提高回風(fēng)溫度，更可以極大的延長(zhǎng)了全年自然冷卻的時(shí)間）
3. 使用轉(zhuǎn)輪式熱交換器的形式，
利用轉(zhuǎn)輪內(nèi)填料的儲(chǔ)能功能，讓轉(zhuǎn)輪在兩個(gè)封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，被室外空氣冷卻的填料冷卻室內(nèi)空氣。Intel協(xié)助KPN在歐洲設(shè)計(jì)世界上第一個(gè)利用轉(zhuǎn)輪自然冷卻的數(shù)據(jù)中心，每年可以節(jié)省8百萬(wàn)歐元的運(yùn)行費(fèi)用。并減少了大量的CO2排放。
按英特爾的經(jīng)驗(yàn)，采用自然冷卻的方式，每年北京大概可以達(dá)到40%到60%的時(shí)間不需要啟動(dòng)機(jī)械制冷。在保障數(shù)據(jù)中心相對(duì)封閉的環(huán)境下應(yīng)用間接的自然冷卻，該方式還避免了室外空氣的濕度和潔凈度對(duì)于室內(nèi)的影響。
B .還有一種是直接采用室外新風(fēng)式的自然冷卻，英特爾在美國(guó)新墨西哥州建的數(shù)據(jù)中心，就是用的這種方式：它直接把室外的空氣送到室內(nèi)冷卻。這種方式直接利用了室外空氣，可以在24°C以下的全部時(shí)間進(jìn)行自然冷卻，但是這種室外的空氣，含塵量大，需要復(fù)雜的除塵處理，并需要專用的空氣處理機(jī)來(lái)保證足夠的風(fēng)量供應(yīng)，所以也通常不能使用傳統(tǒng)的機(jī)房專用空調(diào)。同時(shí)，這種自然冷卻還面臨著相對(duì)濕度很難控制在許可范圍內(nèi)，因此，對(duì)服務(wù)器的品質(zhì)會(huì)有更高的要求，不適于對(duì)數(shù)據(jù)中心可靠性要求特別高的用戶。
無(wú)論設(shè)計(jì)采用何種自然冷卻方式，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)除了可以減少運(yùn)行成本，減少炭的排放以外，投資都會(huì)增加70%到100%，但是它的運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)會(huì)比較低。每年TCO增長(zhǎng)會(huì)低于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。按照英特爾現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)：如果多投入的錢是在3-5年左右的時(shí)間可以通過(guò)減少能耗及相關(guān)費(fèi)用的方法收回多投入的話，那么對(duì)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)，這種投入非常值得的。
這是全球適合做自然冷卻數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的區(qū)域分布分析
可以看出在中國(guó)，長(zhǎng)江以北的地區(qū)都可以進(jìn)行采用自然冷卻的方式，來(lái)進(jìn)行未來(lái)的數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)，比如北京，屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬夏時(shí)間長(zhǎng)，且全年大部分時(shí)間，空氣干燥，濕球溫度遠(yuǎn)低于干球溫度，理想的可以使用自然降溫的市外干球溫度全年平均12度以下的時(shí)間可以達(dá)到45%，如果使用冷卻塔加板換的方式，更可以利用市外濕球溫度自然冷卻，冷卻塔設(shè)計(jì)的容量足夠大時(shí)，全年自然冷卻的時(shí)間更可以達(dá)到60%以上；所以說(shuō)應(yīng)用自然冷卻對(duì)于英特爾未來(lái)的數(shù)據(jù)中心是一個(gè)很好的解決降低能耗的問(wèn)題。
目前英特爾還做了一些新的探索，比如英特爾在美國(guó)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)房模型，這個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)房模型，英特爾叫雞舍式的數(shù)據(jù)中心。雞舍式的數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于養(yǎng)雞舍里面大量的雞自身散熱，使得空氣膨脹，空氣膨脹以后產(chǎn)生向上的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)整個(gè)的空氣在房間里面自然流動(dòng)，而不需要任何機(jī)械的幫助。
比如在服務(wù)器機(jī)柜中，因?yàn)榉?wù)器發(fā)熱量非常大，英特爾把熱量收集起來(lái)，讓進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的空氣被這里熱量加熱后自然上升，此時(shí)只要蓋一個(gè)足夠高的煙囪讓熱空氣往上拔高，帶動(dòng)空氣流動(dòng)，完成散熱循環(huán)。用這種方式可以在全年里大部分時(shí)間，甚至連風(fēng)無(wú)需開啟，直接靠服務(wù)器產(chǎn)生的熱能，由這個(gè)熱能產(chǎn)生的動(dòng)力向外自然散熱。這種散熱方式非常適合與我國(guó)的東北大部分地區(qū)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意處理好除塵，維持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)部含濕量的最低要求。
（根據(jù)ASHARE2008的最新報(bào)告，影響數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的空氣水含量指標(biāo)，是絕對(duì)濕度，而不是以前強(qiáng)調(diào)的相對(duì)濕度，只要露點(diǎn)溫度控制在5.5°C以上，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備都可以保證安全，避免靜電的危害。
參見(jiàn)2008 ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment
-Expanding the Recommended Environmental Envelope-）
英特爾采用高壓直流的設(shè)計(jì)，把本來(lái)要三次的轉(zhuǎn)換，只用了一次，節(jié)省兩次轉(zhuǎn)換的能耗。在國(guó)內(nèi)英特爾與一些用戶已經(jīng)在做一些相關(guān)的測(cè)試，和應(yīng)用。一些國(guó)內(nèi)的通訊運(yùn)營(yíng)商也在做一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，甚至于已經(jīng)制訂了數(shù)據(jù)中心直流供電的標(biāo)準(zhǔn)。
采用高壓直流供電可以節(jié)省7%左右的配電部分能耗，考慮到這部分能耗還要散熱到數(shù)據(jù)中心內(nèi)，如果節(jié)省下來(lái)，將帶來(lái)綜合的節(jié)能效果12-15%以上。且能夠節(jié)省數(shù)據(jù)中心的占地面積，帶來(lái)更多場(chǎng)地利用率。這種技術(shù)目前面臨的主要問(wèn)題是缺少成熟的產(chǎn)業(yè)鏈支持，建設(shè)成本還比較高。
目前支持?jǐn)?shù)據(jù)中心運(yùn)行的兩個(gè)主要大的基礎(chǔ)設(shè)施能耗的部分，是空調(diào)和配電，英特爾都在采取節(jié)能措施和做相應(yīng)的探索。其實(shí)，真正能耗的根源還是在于服務(wù)器本身，在未來(lái)更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，英特爾正在做相關(guān)的研究探索就是要把服務(wù)器的能耗再降低80%！在創(chuàng)新引領(lǐng)之下，未來(lái)越來(lái)越多的綠色、低碳的數(shù)據(jù)中心將在業(yè)界出現(xiàn)。
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