微軟出“奇招”，用沸騰液體為數(shù)據(jù)中心降溫

編者按：人工智能的快速發(fā)展，對計算機的性能提出了更高要求，計算機行業(yè)也已經(jīng)轉(zhuǎn)向能夠應(yīng)對更高電功率的芯片架構(gòu)。處理器電功率越高，芯片本身的溫度就會越高，風冷技術(shù)已經(jīng)無法滿足降溫需求，因此，微軟引入浸入式冷卻技術(shù)，直接降低芯片表面的溫度，效率比在空氣中高出幾個數(shù)量級。

在美國華盛頓州昆西市，數(shù)量龐大的郵件和信息往返于微軟員工之間。而在位于哥倫比亞河（Columbia River）東岸的數(shù)據(jù)中心，裝有計算機服務(wù)器的鋼制貯槽中的液體正因這些數(shù)據(jù)而沸騰著。

與水不同的是，這個沙發(fā)型槽體中的液體對電子設(shè)備無害，經(jīng)過設(shè)計，其沸點約為122華氏度（約50攝氏度），比水的沸點低了90華氏度（約50攝氏度）。

因服務(wù)器運行溫度產(chǎn)生的沸騰作用，使熱量從正在運行的計算機處理器中散發(fā)。低溫沸騰使服務(wù)器能夠在全功率下持續(xù)運行，避免因過熱而出現(xiàn)故障。

在槽體內(nèi)部，沸騰液體所產(chǎn)生的蒸汽不斷上升，直到觸及到槽罐上的風冷式冷凝器變成液體。緊接著，這些“雨水”流回浸入式服務(wù)器中，形成一個封閉的循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

工作于美國華盛頓州雷德蒙德的 Husam Alissa，是一名微軟數(shù)據(jù)中心的高級開發(fā)團隊的首席硬件工程師，他表示：“微軟是第一家在生產(chǎn)環(huán)境中采用兩相浸入式冷卻的云服務(wù)提供商?！?/p>

圖為 Azure 首席軟件工程師 Ioannis Manousakis（左），與微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團隊首席硬件工程師Husam Alissa（右）正在檢查位于微軟數(shù)據(jù)中心的兩相浸入式冷卻槽

數(shù)據(jù)中心的摩爾定律

在計算機芯片風冷技術(shù)穩(wěn)定發(fā)展放緩之際，微軟長期計劃的下一步就是在生產(chǎn)環(huán)境中部署兩相浸入式冷卻，以滿足對于更快、更強大的數(shù)據(jù)中心計算機的需求。

幾十年來，得益于同一大小芯片上可容納的晶體管數(shù)量提升，芯片技術(shù)不斷進步，在不增加耗電量情況下，計算機處理器的速度幾乎每兩年就會翻一倍。

這種現(xiàn)象被稱為“摩爾定律”，以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾（Gordon Moore）的名字命名。戈登?摩爾在1965年觀察到了這一趨勢，并預(yù)測其將持續(xù)至少10年。摩爾定律在過去幾十年中得到了驗證，但是現(xiàn)在，這個趨勢已經(jīng)開始放緩。

這是因為晶體管的寬度已經(jīng)縮小到原子級，即將達到物理極限?！芭c此同時，面對諸如人工智能之類的高性能應(yīng)用，對更快速的計算機處理器的需求正在加速增長”，Alissa 表示。

為了滿足性能需求，計算機行業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向能夠應(yīng)對更高電功率的芯片架構(gòu)。例如，中央處理器（CPU）中的功率已從每芯片150瓦增加到300瓦以上；圖形處理器（GPU）的功率已增加到每芯片700瓦以上。

這些處理器電功率越高，芯片本身的溫度就會越高，容易出現(xiàn)故障，這就對冷卻效果提出了更高的要求。

工作于雷德蒙德總部的 Christian Belady 目前擔任微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團隊的杰出工程師兼副總裁，他表示：“風冷已經(jīng)無法滿足需求了。因此我們引入了浸入式冷卻技術(shù)，直接降低芯片表面的溫度。”

他強調(diào)，熱傳遞在液體中的效率比在空氣中高出幾個數(shù)量級。

他還補充道，向液冷技術(shù)的轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€數(shù)據(jù)中心帶來了類似摩爾定律的思維方式。

他指出：“液冷使我們能夠提高冷卻效果，提升芯片集成度，實現(xiàn)了摩爾定律趨勢在數(shù)據(jù)中心層面的延續(xù)?！?/p>

圖為微軟杰出工程師兼數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團隊副總裁 Christian Belady 在位于微軟數(shù)據(jù)中心的兩相浸入式冷卻槽旁

來自加密貨幣礦工的一課

Belady 指出，液冷是一項成熟的技術(shù)。目前道路上行駛的大多數(shù)汽車都依靠它來防止發(fā)動機過熱。包括微軟在內(nèi)的幾家科技公司也正在試驗冷板技術(shù)，讓液體通過金屬板后輸送到服務(wù)器，對服務(wù)器進行冷卻。

加密貨幣行業(yè)的從業(yè)者率先在計算設(shè)備使用了液體浸入式冷卻技術(shù)，對記錄數(shù)字貨幣交易的芯片進行冷卻。

微軟研究了液體浸入式技術(shù)作為高性能應(yīng)用（如人工智能）冷卻解決方案時的表現(xiàn)。結(jié)果顯示，兩相浸入式冷卻可以將任何給定服務(wù)器的功耗減少5%到15%。

在這一結(jié)果的推動下，微軟團隊與數(shù)據(jù)中心 IT 系統(tǒng)制造商和設(shè)計商 Wiwynn 合作，開發(fā)了兩相浸入式冷卻解決方案。首個解決方案現(xiàn)正運行在微軟位于華盛頓州昆西市的數(shù)據(jù)中心中。

沙發(fā)型槽體中充滿了 3M 工程流體。3M 的液冷流體具有介電特性，使其成為有效的絕緣體。當服務(wù)器完全浸沒在這類液體中時，仍能正常運行。

Azure 首席架構(gòu)師、微軟技術(shù)研究員兼副總裁 Marcus Fontoura 表示，這種向兩相液體浸入冷卻技術(shù)的轉(zhuǎn)變，為有效管理云資源提供了更大的靈活性。

舉例來說，管理云資源的軟件可將數(shù)據(jù)中心計算需求的突發(fā)峰值分配給液冷貯槽中的服務(wù)器。這是因為，這些服務(wù)器可以在較高的功率下運行且不會有過熱的風險，這個過程也被稱為超頻。

Fontoura 指出：“打個比方，我們知道 Teams 的使用高峰是1點或2點，通常情況下，人們會在這個時間段內(nèi)的同一時間加入會議，而浸入式冷卻為我們處理這些突發(fā)負載提供了更大的靈活性?！?/p>

沸騰的液體帶走了微軟數(shù)據(jù)中心計算機服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量

微軟是第一個在生產(chǎn)環(huán)境中使用兩相浸入式冷卻技術(shù)的云服務(wù)提供商

可持續(xù)的數(shù)據(jù)中心

Fontoura 補充道，將兩相浸入式冷卻服務(wù)器加入到現(xiàn)有計算資源中，還能夠促使機器學(xué)習軟件在整個數(shù)據(jù)中心更高效地管理包括電力、冷卻以及技術(shù)維護人員在內(nèi)的資源。

他強調(diào)：“我們不僅會大大提高效率，還會對可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。我們部署的每一件 IT 設(shè)備都將得到充分利用，不會產(chǎn)生任何浪費?！?/p>

液體冷卻也是無水技術(shù)，這將幫助微軟兌現(xiàn)承諾，即到2030年，微軟補充的水量將超過其全球運營的水消耗量。

Alissa 介紹道，穿過槽體的冷卻盤管可使蒸汽凝結(jié)，并連接到一個單獨的封閉回路系統(tǒng)，利用流體將熱量從槽內(nèi)傳遞到槽外的干冷卻器。由于這些盤管中的流體溫度總是高于周圍空氣溫度，因此無需通過噴水來調(diào)節(jié)空氣、進行蒸發(fā)冷卻。

同時，微軟也在與基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的合作伙伴一同研究如何以一種既能減少流體流失、又對環(huán)境幾乎沒有影響的方式來運行槽體。

Azure 首席軟件工程師 Ioannis Manousakis 說：“如果方法得當，兩相浸入式冷卻將同時滿足我們在成本、可靠性和性能方面的所有要求，且與空氣冷卻相比，能耗非常小。”

圖為微軟團隊正在研究兩相浸入式冷卻技術(shù)。從左至右分別為：數(shù)據(jù)中心運營管理部門的 Dave Starkenburg，微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團隊杰出工程師兼副總裁 Christian Belady，Azure 首席軟件工程師 Ioannis Manousakis 和微軟數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團隊首席硬件工程師 Husam Alissa

“我們讓服務(wù)器享受深海體驗”

對兩相浸入式冷卻技術(shù)的研究，是微軟多管齊下戰(zhàn)略的一部分，旨在使數(shù)據(jù)中心的建設(shè)、運營和維護更加可持續(xù)化且高效。

例如，數(shù)據(jù)中心高級開發(fā)團隊也在探索使用氫燃料電池代替柴油發(fā)電機，作為數(shù)據(jù)中心備用發(fā)電的可能性。

液冷項目與探索水下數(shù)據(jù)中心可能性的 Natick 項目類似，這種數(shù)據(jù)中心可以被快速部署，并且能夠被密封在類似水下管道內(nèi)的海床上運行數(shù)年，無需進行任何現(xiàn)場維護。

水下數(shù)據(jù)中心不再充滿工程流體，取而代之的是干燥的氮氣。服務(wù)器由風扇和一個熱交換管道系統(tǒng)進行冷卻，該系統(tǒng)通過密封管道將海水泵入。

Natick 項目中的一個重要發(fā)現(xiàn)表明，海底服務(wù)器的故障率是陸地數(shù)據(jù)中心同樣服務(wù)器的八分之一。初步分析表明，低濕度和低氧氣腐蝕作用是水下服務(wù)器性能優(yōu)越的主要原因。

根據(jù) Alissa 的預(yù)計，液體侵入式槽體內(nèi)的服務(wù)器將具備類似的優(yōu)越性能。他說：“我們讓服務(wù)器無需安置水下，即可擁有‘深海體驗’。”

Ioannis Manousakis 是 Azure 首席軟件工程師，圖為他從微軟數(shù)據(jù)中心的兩相浸入式冷卻槽體中取出一個刀鋒服務(wù)器。（照片由 Gene Twedt 為微軟拍攝）

展望未來

如果浸入式槽體中服務(wù)器的故障率如預(yù)期降低，微軟將可以轉(zhuǎn)向一種無需在出現(xiàn)故障時立即更換組件的模式。這不僅能夠控制蒸汽損失，還能允許將槽體部署在偏遠且難以維修的位置。

此外，Belady 指出，如果能夠把服務(wù)器密集地封裝在槽體內(nèi)，就能重新構(gòu)想服務(wù)器的架構(gòu)，并針對低延遲、高性能應(yīng)用和低維護操作進行優(yōu)化。

例如，這種槽體可以部署在城市中心的 5G 蜂窩通信塔下，用于自動汽車駕駛等應(yīng)用。

到目前為止，微軟在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中只有一個運行工作負載的槽體。在接下來的幾個月中，微軟團隊將進行一系列測試，以證明槽體和這項技術(shù)的可行性。

Belady 說：“第一步是讓人們接受這個概念，并證明我們可以運行生產(chǎn)負載?！?/p>

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個人發(fā)布，僅代表博主個人觀點，如有侵權(quán)請聯(lián)系工作人員刪除。