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详解谷歌水冷服务器技术

2013-07-25 17:15 来源枫信科技 分享到
  • 前段时间谷歌公司第一次允许媒体记者进入其位于美国?#22242;分?#22320;区的数据中心进行访?#35270;?#25293;照并公布了一批其数据中心的照片通过照片人们可以看到谷歌数据中心里面整齐地摆放着成千上万台服务器和错综复杂而又色彩?#22836;?#30340;线缆以及冷却管?#39304;?#25105;们在惊叹于其数据中心精彩的时候也清醒认识到谷歌敢公开这些?#35745;?#23601;说明它有下一代技术了未来很可能会进一步大幅改变其现有的计算系统架构谷歌也曾说“他们的同事看了未来的架构?#32423;?#29616;在的系统不太满意”这说明谷歌的新一代数据中心架构会有更大更好的改变本文通过谷歌专利的水冷服务器技术做最粗浅分析和最大胆猜测和大家分享其尚未公开但有可能已在采用的数据中心技术

    水冷服务器其实也不是个全新的?#25293;热缤?是IBM联合瑞士苏黎世联邦理工学院共同研发了一种名叫Aquasar的水冷超级计算机它可以降低40%以?#31995;?#33021;源消耗减少85%的碳?#27431;ţ?#21516;时将收集来的热能用于建筑?#31995;?#38656;求例如地热从这个案例我们可以看到采用水冷服务器的主要好处是就近带走热量可以有很高的节能效果同时大大提高功率密度来缩小服务器的尺寸减少风扇噪音以及容?#36164;?#29616;热能回收等等好处基于这些好处谷歌早在2006年之前就开始研?#30475;?#25216;术并于2009年得到其水冷服务器的专利谷歌水冷服务器专利的主要技术特点是服务器主板两两成对安装在散热片的两个外侧由散热片内流过温度?#31995;?#30340;冷冻水来带走热量其中高发热的元件?#28909;CPU和南北桥芯片组等靠近散热片内的冷冻水来安装从而发出的热量被散热片内的冷冻水就近带走?#27426;?#19968;些发热量不高的器件?#28909;?#20869;存和硬盘等则直接安装在稍?#29420;?#19977;明治散热片中心的位置部分案例中还有服务器风扇或电源风扇安装在某侧的服务器主板上用于将内存和硬盘等的热量带走

    ?#32548;?是谷歌水冷服务器的侧视图其中中间的三明治结构部分为水冷散热片114散热片的上下表面分别安?#20658;?#20004;个服务器主板112a和112b以及CPU内存等发热元件由铝锭加工压叠压而成的散热片114的内部有多个如122这样的冷冻水通孔用于带走散热片吸收的服务器热量散热片114的表面则根据服务器器件的发热程度还专门刻蚀出不同深浅的平台用于安装发热量不同的器件?#28909;?#26631;识为116的CPU和标识为118的芯片组等高发热?#31185;?#20214;置于靠近冷冻水供水通道的平台而标识为120的内存标识为124网络和标识为130的?#22836;?#28909;?#31185;?#20214;则可置于稍?#29420;?#20919;冻水通道的平台部分设计中标识为126的服务器风扇等?#35895;?#28982;会用于给服务器表面的器件散热下面会更为详细介绍

    采用水冷服务器来散热有很多好处?#28909;?#21457;热量大的器件可以高效就近在本地很快被散热片冷却而不像传统服务器发出的热?#21487;?#21457;到机房级需要通过机房级大风扇冷水机组大功率水泵等较高能耗的传统?#35780;?#26041;式来实现还不用额外冷却机房级大空间环境内的空气等由于采用?#21496;?#36817;散热方式冷冻水就可以不再采用传统的7/12度供水而供水温度可以提升到21摄氏度以上基本就不再需要冷水机组了大大节能还可节省设备投资同样服务器?#22836;?#20986;来的发热量大大减少气流循环?#22982;?#25159;126也仅仅可以以?#31995;?#30340;速度运转大大节省服务器风扇的能耗

    图3是谷歌水冷服务器的俯视图主板201上有6个标识为202的CPU及标识为206的芯片组中间横向虚线部分为多根内存阵列以及冷通?#21862;?#30340;网络控制器208和网络RJ45接口214等服务器的进风从?#20063;?#36827;入流经内存及周边器件然后被标识为204的服务器电源吸入服务器电源?#22982;?#25159;203既作了电源的散热风扇同时还兼做了服务器的气流循环风扇进入服务器?#22982;?#36824;可以被导风板205导入到风扇内防止冷气流短?#20998;?#36890;

    图4a是服务器散热片114的内部结构图包括302和304这样的冷冻水通孔内部流经的冷媒除了普通冷冻水外还可以是氟化剂食用油乙二醇液氮等等非导电物质冷冻水从靠近大发热量CPU侧的306口进入带走大部分热量后再?#26377;?#21457;热量的内存等附近308口流出实?#35270;?#29992;中服务器机架内的水泵及阀门等提供冷冻水给到?#21051;?#26381;务器?#28909;?#26426;柜内的冷冻水配水竖管类似供电的配电PDU通过快速连接软管类似于供电的电源线以及每个服务器接入水阀门类似于供电的空开接到?#21051;?#26381;务器的散热片内冷冻水竖管上级还?#20449;?#27700;单元及供水阀门类似于供电的配电柜及上级空开图4b是散热片的更详细侧视图可以看到散热片400表面上有三个不同的散热平台层用于不同发热量的器件散热片400实?#35270;扇?#23618;铝锭402404和406压叠而成其中中间层的404可以为导热好的金属材料?#37096;?#20197;采用导热不好的塑料材?#31995;x?#29978;至可以不用404层直接由导热性好的402和406压叠而成?#36865;?12作为冷冻水输入口而414作为冷冻水流出孔

     

    图5是两个服务器机柜502a和502b的简化图两层导轨的两套服务器之间的部分存在?#27426;?#31354;隙用于机柜级气流流通这个气流循环由?#21051;?#26381;务器上安装?#22982;?#25159;来带走由于服务器?#31995;?#22823;部分热量都被散热片内的冷冻水带走风扇只用于循环内存和硬盘等?#22836;?#28909;器件的部分散热气流因此风扇运行转速很低功耗也很少每个散热器表面的两个服务器上器件经过精心设计?#28798;?#20110;服务器密集堆叠部署时相邻两套服务器?#31995;?#22120;件也不会互相干涉?#28909;?#19978;一套服务器的底部主板?#31995;?#22120;件不会和下一套服务器的顶部主板?#31995;?#22120;件发生干涉同时?#21051;?#26381;务器顶部主板?#31995;姆?#25159;可以巧妙地同时用于本服务器顶部主板以及上面一套服务器的底部主板?#31995;?#22120;件散热即一套服务器?#22982;?#25159;可以同时用于上下两个服务器主板的散热?#36865;?#22914;前面所述这里的服务器风扇可能会单独安装较大的散热风扇但在谷歌的水冷服务器应用中因为内存和硬盘等需要的散热功率不大这些风扇很可能只是服务器电源内的散热风扇通过这些电源风扇的运转以及导风板设计将内存硬盘等器件的热量带走同时兼做服务器电源的散热最后再送到热通道内降温由于采用了双U高的大电源风扇可以得到更大?#22982;?#37327;在降低了风扇转速?#22836;?#25159;能耗的同时还可以大大降低机房的噪音提供更好的现场人员工作环境谷歌的机房也因为冷通道维护环境舒适和机房低噪声大空间等考虑和设计也于前几年通过了OHS职?#21040;?#24247;安全管理体系认证

     

    如前面所述除了被冷冻水带走的热?#23458;?#20027;板上内存硬盘等由电源风扇循环的热量在热通道内被热通道顶部的?#35780;?#30424;管重新?#35780;?#21518;再被机房级的大风扇引导重新循环回服务器的冷通?#21862;?#20197;及现场人员操作通道内最后被服务器吸入重新开始新一轮循环通过?#23454;?#25511;制机房级热通道内的服务器出风温度以及冷冻水供水温度或者控制IT设备级的水冷服务器进水流量以及服务器上气流循环?#22982;?#25159;转速使得整个系统高效运转在最佳节能状态

    ?#28909;?#25511;制服务器的出风温度将散发出来的热量有效控制在较小的热通道内得到较高的置顶空调盘管的delta T温差温差越大盘管热交换效率就更高且热气流不会和冷气流混合就近被冷却盘管散热风扇的功耗也更低同时通过盘管顶部的机房级循环大风扇将冷却后的空气重新循环回机房的冷通道内整个机房环境作为大的冷通道不仅提供一个凉爽的现场运维人员工作环境同时还兼作为整个大冷池用于众多服务器?#22982;?#25159;?#25910;?#22791;份

    图6是机房某个剖面示意图如前面介绍整个机房环境是个大的冷通道用于如下图515的工作人员操作空间兼做服务器的进风侧实际图6?#20063;?#26426;柜的右边也是有类?#35780;?#36890;道用于服务器的进风这里?#25442;?#20986;来两排机柜间的通道516作为热通道用于汇集两侧所有服务器发出的热量?#27604;?#20027;要发热部分由服务器内部散热片内的冷冻水带走热通道顶部安装着标识为514的置顶盘管由风扇512?#22242;?#31649;514将热通道516内的热量?#35780;?#21518;再?#22836;?#21040;整个机房大环境冷通道内虽然下图的512风扇没有和514盘管放在一起专门做了个热吊顶510实际在谷歌的很多案例中512风扇会直接安装在514盘管顶部不再建设吊顶层来减少工程的复杂度?#27604;?#30424;管514?#37096;?#20197;不用直接安装在热通道的顶部?#28909;?#23433;装在机柜底部等减少盘管漏水或者冷凝水等对服务器的运行风险总之可以灵活安装盘管?#22836;?#25159;的位置满足不同的应用?#22836;z招?#27714;

     

    和谷歌的微模块技术一样谷歌的水冷服务器机房沿用了地板下供水的方案由于需要保持水冷服务器的水质因此主要通过板式换热器528来隔离冷冻水内循环和冷却水外循环513a和513b是机房级主供回水管路类似于供电主?#27010;ţ?#32780;515a和515b为机柜级配水供回水管路类似于机柜供电PDU524a和524b为到每个服务器的供回水支管类似于电源线?#27973;?#31867;似供电系统的供电路径设计其中524a和524b为快接软管考虑服务器?#25910;?#26816;修和搬迁等经常性维护操作用于和服务器散热片的快速插接整个管路上还有很多?#22982;?#38376;用于防止漏水?#28909;?#31446;管?#31995;?#29699;阀527和支管自动截至阀等而流到每个服务器的冷冻水流量则由流量计525a和温?#21364;?#24863;器525b来控制?#28909;?#24403;监测到服务器温度偏高的时候可以加大水流量或者调低冷冻水供水温度等

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