【首都劳动奖章获得者•实业视角|产业观察】
写在开篇:
很多人谈起AIDC,液冷、CDU、冷板,仿佛风冷已经是落后淘汰技术。但很少有人看清一个真相:
当前国内存量数据中心,90%以上依旧是风冷;哪怕新建智算集群,只要单机柜功率压在20kW以内,风冷依然是首选方案。
液冷是高密度AI算力的未来,而风冷,才是当下IDC产业的基本盘。今天给大家讲解一下到底什么是数据中心风冷?。
01 【风冷】基本概念
1.什么是机房风冷?
风冷,就是以空气作为换热介质,用冷空气带走服务器GPU/CPU热量,再通过机房空调把热风降温,循环往复。
简单一句话:服务器靠风扇吹冷风散热,空调负责给空气降温。
我们常说的精密空调下送风、冷热通道隔离,就是传统风冷散热系统。整个循环分为“送冷风→吸热→回热风→空调降温”四大环节。
图1:数据中心风冷工作原理示意图
02 传统风冷散热原理
1.传统风冷散热原理
1)冷通道:输送低温冷风(图中蓝色气流)
机房精密空调制造出冷空气,通过架空地板下方,从地板通风口送出,汇聚到机架前方的冷通道,服务器自带内置风扇,直接从冷通道吸入冷风。
重点:冷通道,全是冷空气,温度低;机柜背后热通道,全是热风。
图2:风冷气流组织示意图(1)
2)服务器内部换热,冷风变热风
冷风被吸入服务器机架内部,流经GPU、CPU、内存、硬盘等发热元器件。空气带走硬件产生的热量,温度快速升高,冷风直接变成高温热风,从服务器机架背部排出。
重点:服务器风扇是循环的动力之一,不是全靠空调吹,机架本身就在抽风。
图3:服务器内部换热示意图
3)热通道:热风统一回流(图中红色气流)
吸热升温后的热空气,从服务器背后出风口排出,全部汇集到机架背后的热空气通道。热风沿着顶部回风管道,完成热空气返回,统一流回机房空调的空气处理器。
图4:风冷气流组织示意图(2)
这里就是冷热通道的价值:冷通道只进冷风,热通道只排热风,杜绝冷热空气混在一起,避免空调做无用功,降低PUE。
4)空调换热,把热量排到室外
室内侧循环:
回流回来的高温热风进入空气处理器,穿过冷却盘管,盘管内部流动低温冷冻水。
热风遇到冰冷的盘管,热量传递给盘管内部的冷冻水,空气被重新冷却为低温冷空气,再次送入架空地板,开启下一轮循环。
图5:传统风冷数据中心系统示意图
室外侧循环:
被剥离出来的大量热量,传递给冷却水回路,由冷却水泵输送至室外冷却塔,冷却塔内部通过喷淋水+大风量风机,利用水蒸发散热,把热量散发到室外空气当中。
经过冷却塔降温后的冷却水,再次流回冷水机组,完成冷却水侧循环。
03 风冷系统三大主流方式
风冷按照制冷设备安装位置、气流遏制方式,主要分为三类:房间级风冷、行(列)级风冷、机柜级风冷。
核心逻辑:越靠近服务器热源,换热效率越高、单机柜支持功率越高,但是造价和施工复杂度同步上升。
图6:风冷系统分类
1.房间级风冷
机房空调(CRAC)或机房空气处理单元(CRAH)布置在机房四周墙边,不插在机柜行列中间,空调不对单个机柜/单排机柜就近制冷,而是对整个机房进行吹风制冷,这就叫房间级风冷。
图7:房间级制冷系统平面图
1)开放式房间级:无通道封闭,冷热空气自由掺混。安全设计上限38kW,传统老机房居多。
2)冷/热通道全封闭房间级:
空调依旧放在机房侧边,增加全套气流遏制工程,单机柜稳定可达1012kW,不属于列间空调;
优点:机柜之间按照冷热通道布置,通道两端入口用平移门或推拉门封闭,通道上方用顶板封闭,由此形成的相对密封的通道空间,大大提高冷/热空气利用率,提高精密空调制冷效率。
图8:冷/热通道系统结构组成
这里强调一下:末端分类只看机房内空调摆放位置,冷通道封闭、高架地板,属于气流的治理手段,不会把它变成列间冷。
短板:密封容错率极低,盲板缺失、缝隙漏风,立刻产生机柜热点;封闭通道属于额外工程,造价明显上涨。
3)房间级制冷路径太长,效率太低超过12kW之后,单纯房间级封闭方案风量、静压工程难度急剧升高,项目一般转向列间风冷。
2.行级/列间风冷(近端风冷主流方案)
行间制冷,就是将空调机组放在机柜排与机柜排之间,机柜和空调并排布置,水平前后送风,属于近端制冷方式。
冷风直供冷通道,大幅缩短气流路径,不需要架空地板长距离输送冷风,是降低机房PUE的经典方案。
图9:行级/列间风冷系统结构组成
3.背板风冷(机柜级风冷)
机柜正面进冷风,服务器内部吸热之后,高温热风从服务器尾部排出;热风不飘到机房大空间,直接打在背板(后门)的换热盘管上完成降温,冷却后的空气重新释放到机房,再循环进入机柜正面。
图10:背板风冷工作原理示意图
通俗理解:把空调换热器直接做成机柜后门,取代原来普通机柜门,服务器排出来的热风一出机柜,立刻被后门换热器冷却,属于风冷路线的性能天花板。
整个循环换热介质依然是空气,机房只负责提供基础环境,不需要传统冷通道封闭,不需要高架地板送风。
转自公众号:「若辰投研」