一種服務(wù)器降溫裝置的研究

俞嘯玲，盧科帆，張宓璐

（國網(wǎng)浙江杭州市余杭區(qū)供電有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

隨著信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的開展，數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器的核心電子元器件（如CPU、芯片和內(nèi)存等元器件）在日常運(yùn)行時，因?yàn)殡娮釉骷?nèi)部電阻的作用會產(chǎn)生熱量，這些熱量在電子元器件內(nèi)部如果不能有效的散發(fā)，將會導(dǎo)致電子元器件的計(jì)算性能和運(yùn)轉(zhuǎn)效率降低，如果溫度一直過高電子元器件故障率將隨之升高，引起服務(wù)器故障，數(shù)據(jù)丟失破環(huán)，甚至有可能導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)中心的癱瘓。因此，如何將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器產(chǎn)生的熱量快速地排去顯得特別重要。

目前，服務(wù)器散熱主要還是采用自身風(fēng)扇把熱量排除服務(wù)器機(jī)箱，再利用機(jī)房空調(diào)使溫度降低。傳統(tǒng)的服務(wù)器散熱存在以下不足的地方：①在使用風(fēng)扇對服務(wù)器內(nèi)部進(jìn)行吹風(fēng)時，風(fēng)扇往往會只往一個方向進(jìn)行吹動，導(dǎo)致服務(wù)器的散熱不均勻；②據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)采用空調(diào)散熱的方法，空調(diào)所消耗的電量最高可達(dá)整個機(jī)房耗電量的40%～50%，而且機(jī)房空調(diào)降溫不能直接作用于服務(wù)器內(nèi)直接發(fā)熱電子元器件，大部分浪費(fèi)在機(jī)房環(huán)境中。

1 現(xiàn)狀及需求

目前，機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器散熱方式通常采用風(fēng)冷式降溫方法。通過散熱風(fēng)扇單向吹風(fēng)，進(jìn)行服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)部熱量跟外部冷空氣交換從而達(dá)到服務(wù)器內(nèi)部降溫。

但是，僅靠風(fēng)冷已經(jīng)不足以滿足高熱流密度服務(wù)器的散熱要求。傳統(tǒng)的風(fēng)冷模式均采用間接冷卻的方式進(jìn)行，換熱效率較低，換熱過程高低溫?zé)嵩撮g溫差較大，需要較低的機(jī)房低溫引導(dǎo)換熱過程進(jìn)行等諸多缺點(diǎn)，通過調(diào)研討論，需要從以下2 個方面著手解決服務(wù)器散熱問題。

（1）提升服務(wù)器降溫效率。由于通過環(huán)境散熱和降溫存在效率低等弊端，本文從服務(wù)器自身降溫入手，研究服務(wù)器自身的通風(fēng)散熱問題，探討如何在有限的環(huán)境條件下，提高服務(wù)器散熱效率，降低服務(wù)器本身工作溫度，從而提高其工作穩(wěn)定性。

（2）溫度監(jiān)控預(yù)警。根據(jù)已掌握的故障情況來看，故障設(shè)備的分布、設(shè)備自身使用年限并無完全可循的規(guī)律，總體來說，設(shè)備密集、設(shè)備老化、風(fēng)扇灰塵過多、運(yùn)轉(zhuǎn)不良、服務(wù)器通風(fēng)管被灰塵堵塞等都有可能導(dǎo)致服務(wù)器設(shè)備溫度上升或宕機(jī)重啟，需要具備有效的手段對服務(wù)器工作溫度集中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和預(yù)警，由此可以在服務(wù)器出現(xiàn)溫度升高征兆時及時采取措施，降低整體網(wǎng)絡(luò)故障率。

2 負(fù)壓水冷服務(wù)器降溫方案

服務(wù)器通電開機(jī)狀態(tài)電流通過服務(wù)器電子元器件使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時因?yàn)殡娮釉骷?nèi)部電阻的原因使電子元器件在工作的同時會產(chǎn)生大量的熱量，而這些電子元器件都自己的適宜運(yùn)行溫度環(huán)境，一旦溫度過高或者過低都將導(dǎo)致電子元器件故障率升高。在服務(wù)器運(yùn)行時對其內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)服務(wù)器80%發(fā)熱來自處理器（CPU）。如果能夠通過技術(shù)手段從源頭上對服務(wù)器的處理器（CPU）進(jìn)行降溫則可以有效地降低服務(wù)器運(yùn)行溫度。通過查閱文獻(xiàn)資料后分析以及借鑒普通電腦現(xiàn)有水冷產(chǎn)品方案，本文提出一種新型的服務(wù)器降溫裝置，應(yīng)用水冷技術(shù)以及負(fù)壓技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的服務(wù)器風(fēng)冷降溫，從而有效增強(qiáng)服務(wù)器的降溫效果。

2.1 水冷降溫裝置設(shè)計(jì)

規(guī)劃設(shè)計(jì)服務(wù)器水冷降溫裝置由負(fù)壓泵體水冷頭、冷卻液導(dǎo)管、冷排、冷卻液箱、溫度顯示等部件組成，所有部件通過導(dǎo)管連通，構(gòu)成一個循環(huán)管路。

2.1.1 負(fù)壓泵體水冷頭設(shè)計(jì)

水冷頭由導(dǎo)熱銅排、真空負(fù)壓泵體液冷頭、壓螺母、壓力彈簧、絕緣墊片、固定螺母、螺絲桿等組件組成。導(dǎo)熱銅排包括與主板相連的支架，以及與處理器相接的導(dǎo)熱銅板，導(dǎo)熱板安裝在支架上，支架上設(shè)有凹槽，導(dǎo)熱板可拆卸并安裝在凹槽內(nèi)。支架上設(shè)有螺桿，螺桿上設(shè)有調(diào)壓螺母和彈簧，螺桿的一端依次穿過主板和支架后通過調(diào)壓螺母鎖緊，彈簧設(shè)置在支架和調(diào)壓螺母之間。

2.1.2 冷排設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)冷排由鋁制水道、散熱片和低速風(fēng)扇組成。散熱片內(nèi)部包裹鋁制水道，外部采用蜂窩狀設(shè)計(jì)增加與空氣接觸面積。低速風(fēng)扇通過長桿螺絲固定散熱片上，通過轉(zhuǎn)動使空氣流動，加速散熱片散熱。冷排上設(shè)計(jì)有進(jìn)水口、出水口，冷排進(jìn)水口與水泵出水口連接，冷排出水口與水泵進(jìn)水口連接，使水冷裝置形成一個循環(huán)，通過泵體抽取冷卻液使冷卻液在水冷頭和冷排之間循環(huán)流動，實(shí)現(xiàn)通過冷卻液熱交換從而使服務(wù)器處理器溫度降低。

2.1.3 溫度監(jiān)測設(shè)計(jì)

通過在水冷頭出口與冷排之間安裝部署溫度監(jiān)測器件，實(shí)時監(jiān)測水冷頭出口冷卻液溫度并通過監(jiān)測裝置自帶顯示屏幕直觀顯示CPU 實(shí)時溫度。方便運(yùn)維巡檢人員及時掌握服務(wù)器CPU 運(yùn)行溫度環(huán)境。

目前采用SNMP 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控收集服務(wù)器運(yùn)行溫度。在服務(wù)器端開啟SNMP 協(xié)議，通過開源軟件平臺Zabix 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)采用SNMP 協(xié)議獲取服務(wù)器溫度信息，也可以實(shí)現(xiàn)對服務(wù)器溫度實(shí)時監(jiān)測。

2.1.4 散熱原理

冷卻液箱用于存儲冷卻液，通過降溫裝置負(fù)壓水泵抽取冷卻液由導(dǎo)管輸送到水冷頭內(nèi)部，通過水冷頭熱交換帶走CPU 熱量，再由導(dǎo)管將冷卻液輸送到冷排進(jìn)水口流入冷排，通過冷排散熱降溫，使冷卻液進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到降溫效果。負(fù)壓水泵在水冷裝置運(yùn)行時同時開啟運(yùn)行抽取水冷裝置內(nèi)部氣體，使裝置內(nèi)部氣壓低于外部氣壓，形成水冷裝置內(nèi)部負(fù)壓狀態(tài)。

2.2 傳統(tǒng)正壓水冷裝置與負(fù)壓水冷裝置對比

傳統(tǒng)正壓水液散熱裝置通過冷卻液傳遞熱量，因?yàn)閮?nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)，所以一旦破損就會漏液，而它又在機(jī)箱里，一旦漏液就會導(dǎo)致硬件損壞同時耽誤工作，同時由于漏液前沒有預(yù)兆，所以無法提前維護(hù)，只能盲目地定期頻繁維護(hù)。

負(fù)壓水冷散熱裝置同樣通過冷液傳遞熱量，通過內(nèi)部抽取真空使內(nèi)部壓強(qiáng)小于外部壓強(qiáng)，確保出現(xiàn)破損后，內(nèi)部冷液不會立刻漏出，方便使用者在負(fù)壓液冷散熱器泄漏前做好維護(hù)，在安全性方面更優(yōu)化于正壓液冷散熱裝置。

2.3 水冷散熱裝置的優(yōu)點(diǎn)

服務(wù)器水冷散熱裝置與傳統(tǒng)的服務(wù)器風(fēng)冷散熱裝置，從本質(zhì)上看散熱的原理大同小異，只是散熱的介質(zhì)由空氣替換為冷卻液。由于冷卻液相對于空氣的散熱效率高，因此該項(xiàng)目研發(fā)的服務(wù)器水冷散熱裝置的效率更高、溫度波動差更小，使用水冷散熱裝置可以良好控制服務(wù)器CPU 溫度，不會因?yàn)榉?wù)器突發(fā)計(jì)算性能而引起CPU 溫度的大幅度變化，服務(wù)器運(yùn)行更平穩(wěn)。

3 效益分析

該項(xiàng)目結(jié)合國家電網(wǎng)有限公司的質(zhì)量管理目標(biāo)，研究將當(dāng)前主要用于傳統(tǒng)終端機(jī)等設(shè)備降溫的水冷散熱裝置用來解決服務(wù)器過熱頻繁故障重啟等問題，取材簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)取得了良好的效果，方案實(shí)施部署后具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。詳細(xì)有以下2 點(diǎn)。

（1）提高了故障設(shè)備壽命，節(jié)約了寶貴的建設(shè)資金。服務(wù)器的電子元器件在處理轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過程中因?yàn)殡娏鞯臒嵝?yīng)會散發(fā)熱量，使其溫度升高。高溫會導(dǎo)致使用壽命縮短，甚至造成部件燒毀，釀成損失。絕大多數(shù)服務(wù)器可以在其標(biāo)稱工作溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。但是，個別服務(wù)器由于設(shè)備老化、風(fēng)扇故障等原因，在高溫環(huán)境下會發(fā)生高溫過熱現(xiàn)象。采用水冷散熱裝置，成本低（材料購置200 元左右）、工藝簡單、降溫效果明顯，大大降低設(shè)備故障率，可以大大延長這些服務(wù)器的使用壽命，延長設(shè)備更新?lián)Q代的周期，節(jié)省大量建設(shè)資金。按照每臺服務(wù)器6000 元計(jì)算，5 年折舊周期，平均每延長一年可節(jié)省1200 元，以余杭公司為例，11臺服務(wù)器每延長一年使用壽命可節(jié)省1200 元×11=13200 元。直接的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

（2）保障了業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常運(yùn)行率，為業(yè)務(wù)開展提供了穩(wěn)定支撐。電力供配電生產(chǎn)安全關(guān)系到國計(jì)民生和公共利益，隨著信息技術(shù)在電力企業(yè)推廣和深化應(yīng)用，日常業(yè)務(wù)開展對于信息化系統(tǒng)的依賴越來越嚴(yán)重。針對故障頻繁的服務(wù)器配置水冷散熱裝置后，業(yè)務(wù)系統(tǒng)整體故障率明顯下降，大大提高運(yùn)行穩(wěn)定性可靠性，從而有效改善業(yè)務(wù)系統(tǒng)可用性的用戶滿意度。

4 結(jié)論

通過對該服務(wù)器降溫裝置的研究項(xiàng)目進(jìn)行攻關(guān)，解決針對服務(wù)器傳統(tǒng)風(fēng)冷效果差，提出了優(yōu)于傳統(tǒng)風(fēng)冷降溫的負(fù)壓水冷降溫方案，方案實(shí)施后改善了傳統(tǒng)的服務(wù)器降溫效果。在改善降溫效果的同時節(jié)約電力能源消耗。項(xiàng)目小組成功研制了可用于服務(wù)器的水冷散熱裝置，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器散熱降溫、減少故障宕機(jī)重啟的目標(biāo)。在全年最炎熱的8 月，發(fā)生故障的服務(wù)器總數(shù)從6 月11 臺降低為4 臺，宕機(jī)重啟總次數(shù)從6 月的26 次降低為8 次，較去年8 月數(shù)據(jù)同比降低70%以上，研制成果較為理想，達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)揮了良好的作用。

（1）創(chuàng)新方面提升：創(chuàng)新地將當(dāng)前主要用于PC 機(jī)等設(shè)備降溫的水冷散熱裝置用來解決服務(wù)器過熱頻繁故障重啟問題，取材方便、制作工藝簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，對容易因溫度過高發(fā)生故障服務(wù)器具有良好的降溫散熱作用。

（2）專業(yè)化技術(shù)層面提升：項(xiàng)目小組在項(xiàng)目的前期調(diào)研以及后期方案設(shè)計(jì)研發(fā)階段，了解熟悉了服務(wù)器主板、芯片處理器、供電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等模塊結(jié)構(gòu)，加深了對IT 信息化資產(chǎn)的技術(shù)了解，積累了相關(guān)的研究、制作等經(jīng)驗(yàn)。