前段時間,和幾個業(yè)界同仁在探討如何降低PUE,引發(fā)了對冷熱通道溫升、風機功率、自然冷源利用的相關探討,發(fā)現(xiàn)討論PUE居多,但降低PUE對IT設備的功耗的影響關注較少。本文結合環(huán)境溫度對服務器芯片功耗的影響來探討數據中心整體節(jié)能的一些措施。

一、機房溫度和相對濕度標準

IDC機房服務的對象是服務器,我們首先探討服務器對溫度和相對濕度的要求。表1是《GB/T9813.3-2017計算機通用規(guī)范第3部分服務器》對服務器工作溫度和相對濕度的要求,無論是工作溫度還是相對濕度,這兩個指標都是較容易滿足的。而《GB50174-2017數據中心設計規(guī)范》則提出了更為嚴格的要求,如表2所示。

業(yè)內大客戶對機房環(huán)境要求一般按照GB50174-2017的最低要求，以下是阿里巴巴數據中心和騰訊TB的相關標準。

機房內服務器和網絡機架進風溫度或UPS正面進風處任意點溫度正常情況下不應高于26℃,濕度范圍30-80%(不結露);緊急情況時,機房冷通道內任一點溫度不應超過30℃(對應運營標準SLA,當有項目調整SLA溫度上限時,需要具體商議),區(qū)域氣流組織應考慮通風地板面積、通風孔率,局部風扇地板,局部精密空調,機柜面板密封等方式解決局部過熱,確保熱通道與冷通道溫差不應超過13℃;

處理后的水質達到數據中心加濕用水要求。處理后的相對濕度滿足最新國標要求,同時機房冷通道或機柜送風溫度21℃-26℃,相對濕度30%rh-70%rh,含濕量5.5g/kg-10.6g/kg,除濕能力滿足最大的范圍要求。

基于以上標準,我們發(fā)現(xiàn),無論是計算機通用規(guī)范還是數據中心設計規(guī)范要求,冷通道的溫度和相對濕度都是一個范圍。

二、機房溫濕度的設置

既然機房的溫濕度可以在一定范圍內調整,那么,該如何調整機房的溫濕度才能降低整個項目的能耗呢?如焓濕圖所示,冷通道溫濕度度從右上角B點位置降低到左下角A點位置,數據中心空調系統(tǒng)的能耗會明顯的增加,PUE會提高,但IT設備特別的功耗是降低的,如何降低的呢?我們以IT設備的主要熱源芯片的功耗來分析。

芯片(或半導體)的熱阻與溫度、功耗之間的關系為:

Ta=Tj-P×(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P×Rja

公式中,Ta表示環(huán)境溫度,Tj表示芯片的結溫,P表示功耗,Rjc表示結殼間的熱阻,Rcs表示芯片外殼與散熱器間的熱阻,Rsa表示散熱器與環(huán)境間的熱阻,Rja表示結與環(huán)境間的熱阻。

當芯片的散熱片足夠大且接觸足夠良好時,殼溫Tc=Ta,芯片外殼與環(huán)境間的熱阻

Rja=Rcs+Rsa=O。此時Ta=Tj-P×(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式:

P=(Tj-Ta)/Rjc

廠家規(guī)格書一般會給出最大允許功耗Pcm、Rjc或Rja等參數,一般Pcm是指在Tc=25℃或

Ta=25℃時的最大允許功耗。

從公式可以看出,要想降低芯片的功率,就要降低Tj-Ta這個值,這個值與機房的冷熱通道溫度相對應,但實際上會有些差值,受到其他器件發(fā)熱量的影響,Ta高于冷通道溫度;受到散熱器的散熱效率影響,Tj也高于熱通道溫度,故降低冷熱通道的溫差、提高芯片散熱器的散熱效率,有利于降低芯片功率。

芯片的消耗功率用漏極源極間導通電阻RDS(on)計算,芯片所消耗的功率PD用芯片自身具有的導通電阻RDS(on)乘以漏極電流(ID)的平方表示:

RDS(on)隨著Tj的變化,廠家的規(guī)格書也會給出相應的曲線,圖2所示為Infineon某款芯片的導通電阻-結溫特性曲線。

從以上曲線看出,隨著Tj的上升,RDS(on)也會明顯的增加,根據上面的公式,PD也同系數的上升,故降低Tj,可以明顯的降低PD。如果冷熱通道溫差不變,Tj-Ta這個差值就也不變,要降低Tj,除了提高芯片散熱器的效率,就只能降低Ta,也就是通過降低冷通道的溫度,以降低芯片的功耗。

但無論是降低冷熱通道的溫差,還是降低冷通道的溫度,IT設備的功耗雖然降低了,數據中心空調系統(tǒng)的功耗卻增加了。根據空氣熱力學公式Q=(P×60)/[1200×4.2×0.24×(Tj-Ta)]計算,Tj-Ta這個差值降低,服務器風機和精密空調風機的風量都會增加,風機的功耗也會增加。由于服務器風機和精密空調風機都是機房設備功耗的重要組成部分,冷熱通道溫差的調整還涉及到機房相對濕度的變化,故數據中心的冷熱通道溫差通常設置在10～12℃不變。

不改變冷熱通道的溫差,降低冷通道的溫度,可以降低IT設備芯片的功耗,半導體設備發(fā)熱量也跟著降低,在溫差不變的情況下,必然會降低服務器風機和精密空調風機的風量需求和功耗。但降低冷通道的溫度,雖然IT設備整體功耗和精密空調風機功耗會降低,但壓縮機(含冷凝器風機)或者冷凍水中央空調系統(tǒng)的能效會降低,空調系統(tǒng)的功耗會增加。

那么,有沒有一個IT設備和中央空調系統(tǒng)整體能耗最低的值呢?肯定有,這需要結合項目地去做綜合測試。下面這個場景就值得我們去嘗試:在冬冷夏暖地區(qū)自然冷的季節(jié),可以通過降低冷凍水的溫度來降低冷通道的溫度,繼而降低IT設備和冷凍水精密空調的功耗。由于使用了板式換熱器,冷水機組完全停止工作,冷凍水供回水10/16℃相對于15/21℃,增加的主要是冷卻塔風機和冷卻水泵的功耗,但增加的這個功率是遠低于IT設備和冷凍水精密空調降低的功耗,這個時候,整個項目的能耗降低了。但要注意的是,這個時候PUE并沒有降低,反而升高了,因為IT設備功耗降低了,空調系統(tǒng)的功耗增加了。

對于IDC運營企業(yè)來講,通常有包電與不包電之分,如果是包電的項目,肯定是整個項目的能耗降低優(yōu)先考慮了,如果是不包電的項目,則要結合客戶的需求綜合考慮。綜合各種需求,數據中心在運行時,冷通道的溫度一般會結合當地氣候特點設置三種工況:春秋22～23℃,夏季25～26℃,冬季20℃左右。這幾種工況的調整,并不是雷同的,要結合當地的氣候特點,實際上就是考慮整個項目的節(jié)能,而不純粹是PUE考核。

三、結束語

IDC在建設時,追求PUE的降低沒有錯，但在運維時要考慮IT設備和基礎設施的總能耗。結合當地的氣候特點和客戶對冷熱通道溫濕度的要求，靈活調整冷熱通道的溫濕度是整個項目節(jié)能的重要手段。

參考文獻

[1]GB50174-2017數據中心設計規(guī)范.　　

[2]GB/T9813.3-2017計算機通用規(guī)范第3部分服務器.