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无需空调，借助空气节能器为数据中心降温

作者 陈子云, 2008年10月07日

在不断提高计算能力这一要求的推动下，数据中心的功耗也在急剧攀升。今天，在一个典型的数据中心中，可能有 60-70% 的功率都被"浪费"在为设备提供动力和数据中心冷却。

设计日益复杂的半导体需要计算能力的快速增长，而英特尔数据中心则需要为这一快速增长提供支持。与此同时，我们也在尽力减少数据中心的功耗和运营成本。

空气节能器代表了减少数据中心功耗和冷却成本的一个潜在方式。空气节能器只是将热空气排出室外并吸入室外空气来冷却 IT 设备，而不是像传统空调那样将服务器排出的热空气加以冷却再循环利用。

当前，业界假定空气节能器的有效性受到一定限制，即需要以相对较低的温度供应冷却空气。其含意即空气节能器只能在室外空气温度相对较低时才能使用。此外还有对湿度变化的顾虑，因为室外空气的湿度可能会迅速变化。第三点顾虑则是室外空气中的微粒数量。

为了挑战业内有关数据中心冷却的既定假设，我所在的英特尔IT部门进行了一次大胆的概念验证（PoC）测试：使用一台空气节能器，全部利用温度高达32 摄氏度的室外空气来冷却生产服务器。借助此方案，我们即可使用节能器来提供几乎所有的数据中心冷却，从而极大地降低了功耗。对于一个 10 兆瓦特（MW）的数据中心来说，借此每年可潜在降低高达 287 万美元的运营成本。

概念验证测试在去年干燥的温带气候条件下进行，为期 10 个月，使用约 900 台生产刀片服务器；如图 1 所示，服务器平均分布在两个并排的室内。其中一个使用标准空调，另一个则使用空气节能器。

                         图 1. 概念验证（PoC）数据中心环境

概念验证测试在一个 1000 平方英尺（SF）的拖车上进行（最初安装拖车是为了进行临时的额外计算），拖车被分成两个室，每个室约 500 平方英尺。为了最大限度减少概念验证的成本，我们使用了低成本、仓库级的直接膨胀式（DX）空调设备，并且每个室内均安装有传感器，以监测室内的温度与湿度条件。

其中一室采用传统方法冷却，始终使用直接膨胀式设备进行热空气再循环和冷却。而另外一室基本上也使用相同的空调设备，但是经过改装后能够作为空气节能器运行：将热空气排出室外，并吸入 100% 的室外空气用于冷却。

由于我们的目标之一是测试运行温度的允许极限，我们对空气节能器室中的冷却设备进行了配置，使其能够提供18-32摄氏度的空气。并且我们还对系统进行了设计，在供给空气温度超过32摄氏度的最高限度之前，只能使用空气节能器；空气温度超过32摄氏度时，开始使用冷却器将空气冷却至32摄氏度。如果温度降到18摄氏度以下，则将供给空气与来自服务器的回流热空气混合进行加热。

我们未尝试对湿度进行控制。此外我们还想要测试空气质量的限度，因此我们仅对进入的空气进行了最低限度的过滤：使用标准的普通空气过滤器仅仅将进入空气中的大颗粒除去，但允许留有微尘。

每个房间里有八个机架。每个机架包含四台刀片服务器，每台服务器带有 14 块刀片，这样每个室共有 448 块刀片。这就表示每平方英尺 200 多瓦（WPSF）的功率密度。在概念验证测试期间，我们使用这些服务器运行大批量生产的芯片设计工作负载，结果服务器的使用率高达约 90%。

我们测定了每个室内的服务器故障率，并将其与同一段时期内，在我们位于同一地点的主数据中心内测定的故障率进行比较。

让我们高兴的是，节能器室内的温度和湿度变化很大，且空气质量也较差；然而服务器故障并没有明显增加。如果随后的调查能够证实这些喜人的结果，那么我们便有望在未来的高密度数据中心中使用这一方案。

如果一个数据中心采用空气节能器，每年平均可节省多少能源？为此，我们使用了数据中心地点的历史天气数据。数据分析表明：平均每年温度低于最高限度32 摄氏度的时间占总时间的 91%。

如果在概念验证测试期间使用空气节能器时功耗降低 74% 的基础上，再假设每年 91% 的时间能够使用空气节能器，那么与传统的数据中心冷却方案相比，我们每年可在冷却方面潜在节省约 67% 的总功率。而在假设数据中心 60% 的功率用于机械冷却系统的基础上，整个数据中心功耗可转换成约 3, 500 千瓦时（KWH）。

这样一来，按每千瓦时电费 0.08 美元计算，预计一个 500千瓦 的小型数据中心每年可降低成本约 143,000 美元。而对于一个 10兆瓦 的大型数据中心，预计每年可降低成本约 287 万美元。

此外，由于需要的冷却设备更少，新的数据中心还可节省一定的资本支出。甚至当室外空气温度超出了供给空气温度上限时，我们也仅需将空气冷却到指定的温度上限，而不是传统数据中心方案中的 20 摄氏度。通过降低冷却系统的复杂性和成本，还可进一步减少故障模式的数量，提高整体灵活性。

空气节能器似乎特别适合于空气湿度较低的温带气候。配备有空气节能器的数据中心，通过降低功耗和用水量即可大幅减少英特尔对环境的影响。在干燥的气候条件下，配有空调装置的传统数据中心通常采用蒸发冷却法，利用水塔进行预先冷却。而借助空气节能器，就可不再使用水塔，这样一个 10 兆瓦数据中心每年可潜在节省高达近3万吨的水。

我们计划利用服务器老化分析，将空气节能器室、空调室和主数据中心内使用的系统进行比较，进一步测试以期发现可能的硬件老化。如果随后的调查能够证实这些喜人的概念验证结果，我们期望将空气节能器融入到未来的数据中心设计当中。下一步则可能建立一座 1 兆瓦特的示范数据中心，使用专为概念验证测试设计的设备。

如同大多数其他公司一样，目前英特尔也面临着日益增长的对运算资源的需求。结果，我们的运算成本和这些需求同步上升。所有这些问题促使我们严格地审视我们的数据中心战略，找出可以提高效率的地方。

值得说明的是，我们这次概念验证属于英特尔 IT 部门的"八年数据中心效率策略"的一部分。该策略的目标是转变我们全球的数据中心环境，在大幅降低成本的同时，进一步提高效率和业务响应能力。

随着策略的推进，我相信会有更多让人惊喜的消息和大家分享。