数据中心先进工作者简要事迹 先进数据中心的制冷技术分析
时间：2019-03-30 03:18:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 介绍国外领先的数据中心设计方案，分析其制冷系统主要采用的关键技术，包括自然通风、自然冷源、高压直流、市电直供、云计算。以Facebook、Google等大型互联网公司的数据中心为例，详细分析这些技术的应用。
关键词： 数据中心；自然通风；自然冷却；气流组织；云计算；PUE
0 引言
随着云计算时代的来临，在互联网时代已经大量释放的计算需求进一步得到释放，这导致全球数据中心呈爆炸式增长，而且服务器部署密度进一步提高。与此同时，全球能源危机却日益临近，对企业而言，信息化程度的日益提升意味着运营成本的飞速增长。因此提升密度、降低PUE，逐渐成为下一代数据中心的设计方向。
在下一代数据中心的技术研究和实践上，以Google、Facebook、Yahoo为代表的互联网公司走在了前列。
以Google为例，其核心业务搜索引擎的性能极度依赖数据中心的规模和效率。互联网公司基本上都是技术型公司，有非常鲜明的技术导向；又由于创业时的艰难，他们非常热衷于利用技术手段降低成本，特别是釆用廉价的部件搭建高性能、高可靠性的系统。在数据中心的建设上也是如此。与传统数据中心相比，互联网公司没有采用传统技术，摒弃了高冗余供电系统设计，少采用甚至不釆用空调系统，大大降低了基础设施的建造成本。同时，互联网公司又使用先进的软件技术，使系统高度并行化，在应用层设置备份机制，用应用层的冗余代替了基础设施的冗余，建立起了一整套高效、可靠、廉价的系统。
Google最为人熟知的3篇论文：GFS[1]、MapReduce[2]、Bigtable[3]，是Google大规模分布式计算系统的基础模型，GFS是Google的分布式文件系统，MapReduce是并行计算模型，Bigtable是分布式结构化数据布储，它们合起来代表了Google的应用系统架构。这种架构对服务器、存储的需求与传统应用完全不同，它们不要求服务器的单机性能，但要求服务器的数量非常庞大，并且具有高速互联能力，以及大量的本地存储，另外少量服务器还需求大量内存。Google的数据中心必须提供这样的IT基础能力，再加之Google的服务器数量实在过于庞大，还必须考虑电力、水的消耗，所以Google采用了全新的数据中心设计理念，其它互联网公司，如Facebook也类似。它们采用的理念主要包括：
1）数据中心选址：一般选择高纬度地区，并兼顾气候干燥、空气洁净、接近水源等条件。
2）服务器定制：放弃使用标准的机架服务器或刀片服务器，按自己的需要进行定制。如Google采用整机柜高速背板设计，每一台服务器采用类似刀片服务器的设计方案，插入背板；再如Facebook采用1.5U的机架式服务器设计方案，并去除机箱顶盖，更利于散热；再如它们都使用特殊的电源设计，以接入高压直流的数据中心电源系统。
3）自然冷源：多使用自然冷源可减少制冷机组的开机时间，而近期建设的一些数据中心已做全部使有然冷源，完全不使用冷机。在自然冷源的使用中，大部分是采用自然通风技术，还有少量采用了自然水源制冷。
4）高压直流：除了制冷系统有全新设计外，它们在供配电系统设计上也与传统方案截然不同，如放弃使用UPS，采用全直流供电，在供电备份上也有很多创新，如直流供电与市电互备等等。
所有这些技术的综合运用，使用这些互联网公司在低成本上构建了大规模、高效的系统。从近年来数据中心的PUE排名，可以看到互联网公司的数据中心技术已经非常领先，Facebook的美国俄勒冈数据中心PUE达到1.07，Yahoo“鸡窝”式数据中心达到1.08，Google的比利时数据中心达到1.16，而传统数据中心一般在2.5以上。
1 制冷系统
IT设备对环境的要求是非常高的，如服务器一般要求工作温度10℃-35℃，工作湿度RH10%-90%[4]，为了保持IT设备正常高效的运行，数据中心机房一般会设定温度22℃±2℃，相对湿度RH50%±5%，并且7*24*365的保持这样的机房环境。要保持这样环境条件，精密空调系统一般是必不可少的。在数据中心的能耗分布，空调系统的电力消耗是除了IT设备之外最大的。
从上图我们可以看到，在传统数据中心中，用于制冷系统的能耗几乎占到总能耗的35%-45%（Chiller+Humidifier+CRAC）。
在这里简要介绍一下PUE的概念。PUE（Power Usage Effectiveness）是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，是DCiE（Data Center Infrastructure Efficiency）的反比。
Total Facility Power：数据中心总能耗
IT Equipment Power：IT设备总能耗
PUE值越低意味着除IT设备之外的能源消耗越少，也就是数据中心越节能。而除IT设备耗能之外的能耗主要是在制冷设备的能耗和供配电设备的损耗，因此减少制冷系统的能耗和供配电系统的损耗是绿色节能设计的主要方向。
当前先进的数据中心的设计中，无一例外的都采用了自然冷却（Free Cooling）技术。按维基百科的解释，自然冷却的定义如下：
Free cooling is an economical method of using low external air temperatures to assist in chilling water,which can then be used for industrial process, or air conditioning systems.
制冷（Cooling）是指从空间或从对空间的送风中移走热量，以抵消空间获得的热量。通俗的讲，制冷并不是真的制造出了冷，而且把室内的热量移到室外，一般采用的方法是通过对冷媒的压缩、蒸发，人为的制造出冷源，再运用热交换技术把室内热量带走。
