隨著人們對數(shù)據(jù)中心和服務器產(chǎn)生更多的需求，數(shù)據(jù)中心運營商也面臨著能源成本上漲的挑戰(zhàn)。文章將討論數(shù)據(jù)中心降低能耗成本的必要性和更加節(jié)能的冷卻技術。
數(shù)字化的發(fā)展促使數(shù)據(jù)中心規(guī)模和能耗日益增長
近年來，采用云計算的企業(yè)數(shù)量穩(wěn)步增長。越來越多的設備和傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)，它們的控制、測量和調(diào)諧過程是數(shù)字協(xié)調(diào)的。據(jù)調(diào)研機構Gartner公司估計，目前全球大約有49億個網(wǎng)絡連接設備。思科公司專家預測，到2020年將有500億個網(wǎng)絡連接設備，這意味著在未來幾年內(nèi)這個數(shù)字將翻兩番。在智能家居領域，消費者使用這些物聯(lián)網(wǎng)設備將會越來越多。例如，智能冰箱可以自動創(chuàng)建新的購物清單，或者直接通過網(wǎng)站重新定購空缺的食物。網(wǎng)絡設備在工業(yè)和商業(yè)中也扮演著越來越重要的角色，以便更好地規(guī)劃生產(chǎn)和制造流程，并使其更具成本效益和時間效率。
隨著經(jīng)濟和社會的日益數(shù)字化，對計算和存儲能力的要求越來越高。工業(yè)4.0、機器學習、增強現(xiàn)實等新技術不僅標志著技術化生活進入下一個階段，而且代表了對可靠和高效的IT基礎設施的日益增長的需求。由于數(shù)據(jù)中心的擴建和建設，德國如今已經(jīng)成為歐洲大的數(shù)據(jù)中心市場，也是全球第三大數(shù)據(jù)中心市場。許多大型數(shù)據(jù)中心主要集中在法蘭克福地區(qū)，其中，全球第五大數(shù)據(jù)中心其總面積近70000平方英尺。
據(jù)估計，數(shù)據(jù)中心的電力消耗已達全球電力消耗的3%到5%。顯然，在數(shù)據(jù)中心運營方面，規(guī)模越大越好。數(shù)字化的發(fā)展將在未來幾十年激勵整個IT行業(yè)持續(xù)發(fā)展。數(shù)據(jù)中心技術創(chuàng)新的關鍵挑戰(zhàn)是能源效率問題，因為物聯(lián)網(wǎng)和智能家居等新技術不僅對新的計算能力有需求，而且對能源也有新需求。
根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，2016年美國數(shù)據(jù)中心運行和冷卻的能耗達到700億千瓦時。而到2020年，電能需求預計將增加到730億千瓦時。為了降低數(shù)據(jù)中心運營成本以及二氧化碳排放量，未來大的挑戰(zhàn)之一就是提高數(shù)據(jù)中心的能源效率。
事實上，數(shù)據(jù)中心運營商正在尋求節(jié)約能源從而降低成本。節(jié)約能源不僅意味著節(jié)約資金，而且對氣候保護作出重大貢獻。不僅冷卻技術的改善將主導IT硬件的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心設備也將承受更高的環(huán)境溫度，并產(chǎn)生更少的熱量。
數(shù)據(jù)中心運營商正在使用另一種提高能效的策略是尋找自然資源以獲益。例如，谷歌公司采用海水冷卻數(shù)據(jù)中心，在微軟工程師正在探索水下數(shù)據(jù)中心。從技術上來說，麻省理工學院的計算機科學家發(fā)現(xiàn)，通過削減常見的查詢或“緩存”，可以大大降低能源消耗。
數(shù)據(jù)中心需要更節(jié)能的冷卻技術
由于對計算能力的需求迅速增長，因此數(shù)據(jù)中心的能源消耗不斷增加，需要創(chuàng)新的綠色概念，以降低整個行業(yè)的功耗。大幅降低能源消耗的一個可能性是一致地使用諸如熱水冷卻系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)中心熱量的智能再利用。
如今的數(shù)據(jù)中心可以采用適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)以及利用智能余熱來節(jié)省額外的費用。
目前數(shù)據(jù)中心的散熱冷卻主要是采用機械空氣冷卻系統(tǒng)。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)中，通常會對整個房間進行制冷，還有超過一半的冷空氣不能到達機房熱點。而這樣制冷系統(tǒng)浪費了大量的能源和成本。而取代空氣冷卻的方法之一是使用水或其他液體進行冷卻。但很多數(shù)據(jù)中心工作人員一旦遇到“水”就會猶豫，因為他們認為水冷設備和IT設備并不適合一起部署。盡管如此，已經(jīng)有一些數(shù)據(jù)中心運營商已經(jīng)采用水來替代其他冷卻介質。
Green Mountain公司位于北歐地區(qū)的數(shù)據(jù)中心利用附近峽灣的冷水來冷卻數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心運營商Cologix公司和Equinx公司在多倫多的數(shù)據(jù)中心使用安大略湖的湖水來冷卻服務器。然而，在這兩種情況下，水只是間接地參與冷卻過程：通過熱交換器，數(shù)據(jù)中心中的空氣相應地被液體冷卻介質冷卻，然后用于冷卻數(shù)據(jù)中心IT硬件。
但是，從熱力學和效率的角度來看，建議將散熱片盡可能靠近IT設備進行冷卻，而不要對整個機房房間進行冷卻。例如通過對熱點采用直接水冷卻技術是最佳的選擇。而冷卻后的水溫高達40℃，因為水與空氣相比具有物理上的優(yōu)勢：水吸收的熱量是空氣的3330倍，導電率是20倍。冷卻介質越接近熱源，冷卻效率就越高。通過智能化設計，可以實現(xiàn)對CPU等敏感元件的集中冷卻。
與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，水冷卻具有更高的冷卻性能，每個機架的功率密度可高達45 kW，同時降低能耗。由于服務器機架中的溫度相對較高，冷卻水在為IT設備冷卻之后，其輸出溫度高可達60℃。例如，可以使用這個溫度的熱水為居民區(qū)供暖。
通過智能余熱利用節(jié)省更多能源
目前，通過利用余熱提高能源效率尋求新的協(xié)同效應變得越來越重要。根據(jù)Borderstep Institute最近的一項調(diào)查顯示，50％的受訪者認為，數(shù)據(jù)中心的服務器熱量被重用，具有非常高的節(jié)能潛力。例如，IBM公司在瑞士的一個數(shù)據(jù)中心為其附近的一個游泳池加熱，印第安納州圣母大學（NotreDame University）的數(shù)據(jù)中心就是一個溫室，而蘋果公司和AWS公司在北歐的數(shù)據(jù)中心為其附近的住宅供暖。
然而，數(shù)據(jù)中心廢熱的再利用通常有兩個問題：一方面，數(shù)據(jù)中心冷卻水的溫度通常不到60℃，其輸出溫度較低。然而，為了再利用冷卻水，例如用于加熱建筑物或用于熱水制備，至少需要60℃的溫度。因此，熱泵對彌補溫度的差異起著重要的作用。另一方面，熱量的傳輸也是一個不容忽視的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心的余熱只能用在接近其位置的應用中。長距離傳輸會導致熱量損失，從而導致熱量消耗。
未來的展望
數(shù)據(jù)中心行業(yè)需要更加廣泛接受和采用水冷技術，以節(jié)省更多的成本。而數(shù)據(jù)中心廢熱得到長期的利用，為實現(xiàn)降低能耗目標將邁出了重要的一步。
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