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如何挑選適當的伺服器冷卻方案? 技嘉科技《科技指南》系列文章

by GIGABYTE
隨著科技進步,新一代的處理器使用更多電力、產出更多熱能。選購伺服器時,應當留意溫控問題,好的冷卻方案可確保伺服器正常運作,且不至於太耗電、或是需要頻繁的維修。 技嘉科技是高性能伺服器的業界領袖,本篇《科技指南》文章,針對市面上廣泛使用的三種散熱方法(氣冷式、液冷式和浸沒式)逐一說明,並介紹技嘉的相關產品,協助您挑選最適合的解決方案。
1. 氣冷式方案
空氣是基本的傳熱媒介,因此,在透過空氣來散熱的系統中,首要工作是改善通風──無論是龐大的數據中心,或是單一伺服器,皆是如此。

數據中心內,空氣流通路線經過精心設計,確保達到最佳散熱效果。首先,冷空氣透過地板的通風口流入機房的「冷通道」;然後,冷空氣吹過伺服器機架,將熱能排放到機房的「熱通道」。天花板的通風口將熱空氣吸進,交給機房空調系統(Computer Room Air Conditioning, CRAC)來做冷卻,再流回機房,重新循環。

伺服器內的通風也很重要,冷空氣須流過重要零組件,以達成散熱。技嘉提供創新的程式與硬體設計,不但能保持通風,還能避免懸浮的污染物入侵,讓您輕鬆確保伺服器正常運作。

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透過這張側面圖,可了解數據中心如何用空氣循環幫伺服器降溫。伺服器的內部通風也很重要,此外,還要避免懸浮污染物進入伺服器。
 ● 硬體面:「友善通風」的創新設計

技嘉的氣冷式伺服器皆採用獨家設計,首先,透過模擬軟體預測和評估機殼內的氣流方向,然後再根據蒐集的資料,仔細微調機殼架構,優化冷卻效益。機殼內安裝強力風扇和高效能散熱片,增加零組件和冷空氣的接觸面積,並且在散熱片上安裝特殊的導風罩,以加強通風。零組件皆使用耐熱材質製做,熱能不會傳導到機台其他部位。因此,即使工作負載高,伺服器也能從容應付。
即使面對壓力測試中的繁重負載,技嘉的氣冷式伺服器依然表現優異。因為機殼採用「友善通風」的創新設計,機殼內裝有強力風扇和高效能散熱片,零組件也使用耐熱材質所製成。
● 程式面:智慧型溫控程式

除了絕佳的硬體設計,伺服器的標準配備還包括智慧型溫控程式。機殼內裝有感應器,可隨時監控處理器、顯示卡、記憶體和硬碟的溫度。如果基板管理控制器(BMC)偵測到異常的高溫,將自動調整風扇速度,以確保散熱。特殊機型中,風扇設定亦可經由手動調整或創立,以符合客戶的特殊需求,在溫控和能源效率間達到平衡。《詞彙學習:什麼是基板管理控制器?

● 彈性客製化,加強防範污染物入侵

用空氣降溫的伺服器,多少都有風險,可能因為吸入懸浮的污染物(如灰塵、水氣)而受損。先進的數據中心,大多都安裝空氣清淨機,工作人員也會定期清理機房,但還是很難避免污染物進入伺服器。

技嘉身為業界領袖,擁有豐富的專業知識,能調整所推出的產品,使其適應艱困的使用環境。舉例來說,技嘉提供伺服器解決方案給大型物流業者的智慧分貨中心使用,源源不絕的郵件與包裹,使得伺服器很難保持清潔;研究機台的周遭環境,會發現威脅性最大的污染物,是從紙張和紙箱脫落的細微纖維,它們若累積在伺服器內,將會造成當機。於是,技嘉幫客戶調整機構設計,達成國際防護等級IP5X認證,有效阻擋灰塵入侵,同時保持通風。所做的調整包括在風扇上添加防塵網、在外部按鈕裝置防塵套,以及其他充滿巧思的客製化設計。

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2. 液冷式方案
液冷式方案,又稱水冷式、直接液冷(Direct Liquid Cooling; DLC)、直達晶片(Direct-to-Chip; D2C)液冷,等等。所使用的方法,就是用裝滿冷卻液的密封管線(或稱封閉式冷卻迴路)來降溫。零組件透過「冷板」將熱能傳導到冷卻液,然後,冷卻液透過熱交換器散熱,流回伺服器內繼續使用。
液冷式伺服器用填滿冷卻液的封閉式冷卻迴路來做散熱。熱能透過冷板,從零組件傳導到冷卻液,冷卻液再透過熱交換器降溫,如此重複使用。
液冷式方案有許多優點,不只是散熱效果更佳,而且不用安裝氣冷式伺服器所使用的散熱零組件,如散熱片與風扇。多餘空間可安裝更多處理器,也因此,許多高密度伺服器和高效能運算(HPC)伺服器皆採用液冷式方案。其中,又可分為「液對氣」方案和「液對液」方案等兩種選擇。

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 ●「液對氣」方案

這種混合方案,適用於想嘗試使用液冷式伺服器,但希望能沿用機房空調設備、還不打算更改現有架構的數據中心。液冷式伺服器裝置在標準的機架上,傳輸冷卻液的管線連接同機架上的熱交換器,熱交換器將熱能排放到「熱通道」,此循環跟氣冷式伺服器一模一樣。「液對氣」方案的好處是,氣冷式伺服器和液冷式伺服器能共存於相同的設施內。而儘管熱交換器佔用部分的機架空間,液冷式伺服內可容納更多處理器,因此,整體的運算能力還是大幅提升。
「液對氣」方案中,液冷式伺服器和熱交換器安裝在相同的機架上,把熱能排放到數據中心的「熱通道」。如此一來,處理器可安裝得更密集,提升整體運算效能。另外的好處就是,氣冷式伺服器和液冷式伺服器可共存在相同的設施內。
● 「液對液」方案

相較於「液對氣」方案,「液對液」方案的散熱功力更強,但使用範圍有限:因為,此系統僅限於原先就有安裝液體冷卻管路的數據中心內。這套方案中,機架上的熱交換器不是把熱能排放到機房的「熱通道」,而是傳送到機房的液體冷卻管線內;如此一來,降溫效果遠超過一般的機房空調系統,處理器密度可以再提升,運算能力也變得更強大。
「液對液」方案中,伺服器的熱能傳導到既有的數據中心液體冷卻系統內,有助於大幅提升伺服器內的處理器密度。
技嘉攜手兩家提供冷卻方案的知名廠商:Asetek與CoolIT Systems,提供「液對氣」和「液對液」的兩種冷卻方案。適用範圍很廣,小到單一的伺服器機架、大到整座數據中心都可使用液體降溫,最大的散熱能力高達750千瓦。

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認識CoolIT Systems的液冷式方案

液冷式伺服器穩定性高、運算能力強大,又可裝置在狹小的空間內,因此,深受許多不同產業的青睞。例如,腹地有限的邊緣資料中心,可多加利用高密度的液冷式伺服器。透過自動交易程式來做高頻交易(high frequency trading; HFT)的金融業,也可使用快速、可靠的液冷式伺服器。《詞彙學習:什麼是邊緣運算?

還有一個新興市場愛用液冷式伺服器,那就是所謂的「綠色運算」。舉例來說,德國航空太空中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR)是研究航太、能源與運輸的國家級研究中心,也是技嘉的客戶。航太中心的團隊(包括優秀的火箭科學家)想打造綠色數據中心,用來進行太空探索等多項研究計畫。團隊特別提出要求,伺服器要能在環境溫度高達40°C、無空調降溫的機房內正常運作。

技嘉推薦使用液冷式的H261-Z60高密度伺服器,此產品搭配優化電源裝置,電力需求比同業產品足足少了15%。由於液冷式伺服器可容納更多處理器,運算能力較市面上其他產品多了兩倍,同時減少50%的使用空間。液冷式方案讓德國航太中心在有限的空間內,成功創造運算能力強大的綠色數據中心。

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H261-Z60 不是唯一能用液冷式方案來降溫的伺服器。例如G481-S80R161-R12等其他產品,也能經過調整,改用液冷式方案來散熱。以G481-S80為例,搭配「液對氣」方案能減少高達七成的用電量。其他機種亦可因客戶需求,改裝成為液冷式伺服器。

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3. 浸沒式冷卻方案
浸沒式(或稱浸入式、沉浸式)冷卻方案,可說是用液體降溫的最高境界。此方案將伺服器直接浸泡在不導電的液體中,零組件產生的熱能不需透過散熱片和風扇等其他零件,而是直接傳導給液體。熱能從液體中排出的過程,可經由兩種不同的方式進行:直接透過熱交換器排熱(所謂的單相浸沒式冷卻解決方案),或透過氣體蒸發與凝結的自然循環來做散熱(所謂的兩相浸沒式冷卻解決方案)。《詞彙學習:什麼是浸沒式冷卻?

技嘉和LiquidStack與3M公司合作,推出領先業界的兩相浸沒式冷卻系統,將伺服器放置在部分填滿3M™ Fluorinert™電子液的封閉水槽內。這是一種不會腐蝕零組件的透明絕緣電子液,導熱性能極高、且沸騰溫度只有56°C。因此零組件散發的熱能使其自然蒸發,把熱能排放到水槽內的空氣中。蒸汽向上飄浮,經過水槽頂端的熱交換器(本方案使用冷凝器線圈來做熱交換器)冷卻,凝結變回液態,自然向下流回水槽內,繼續用來幫伺服器降溫。
浸沒式冷卻方案將伺服器直接放在不導電、沸騰溫度極低的特殊電子液內。零組件的熱能使液體蒸發,藉此散熱。蒸汽經由冷凝器線圈降溫,凝結變回液態,向下流回水槽內繼續使用。圖/LiquidStack提供
兩相浸沒式冷卻方案有許多優勢。一方面,液體蒸發和凝結的自然循環不耗電,可改善機房的電力使用效率(Power Usage Effectiveness; PUE)。根據統計,使用兩相浸沒式冷卻方案取代氣冷式方案,節省電力高達90%。《詞彙學習:什麼是電力使用效率?

此外,這套系統不需使用幫浦或噴水器等移動式零組件,因此維修需求和設備故障率都降低,提高機台穩定性、減少營運成本。不僅有助於公司的營收獲利,也減少對於環境的負擔。

浸沒式冷卻方案可將大量的處理器安裝在極小的空間內,因此很受5G時代的電信業者青睞。電信公司要在各地建設邊緣資料中心,提升運算效能和降低網路延遲。這些中心常常設置在房價超高的都會黃金地帶,因此高密度伺服器變得額外重要。《詞彙學習:什麼是5G?

除此之外,開發人工智慧(AI)也可運用浸沒式冷卻方案。比方說,經由深度學習「訓練」的演算法,可實現自駕車等創新科技發明。「訓練」過程需要使用大量的平行運算,因此要在伺服器內安裝很多GPU運算加速卡。這種高端的處理器會產出大量熱能,冷卻費用也相對地高;如果能採用兩相浸沒式冷卻方案,取代氣冷式方案,就會又省錢、又環保。

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技嘉創造了浸沒式冷卻方案的概念驗證(POC)產品,可用於測試與驗證。POC適用於2U規格的伺服器,也可依照客戶所提出的需求,調整改為1U或4U的規格。技嘉G系列GPU協同運算伺服器的產品線當中,有許多機台和此套POC相容:例如,在2U機殼內可支援高達8張GPGPU卡或協同處理器、處理器密度領先業界的G291-281;或是支援5G網路基礎建設、採用「雙開拓樸模式」的4U規格伺服器G481-HA0

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總結:三個撇步,幫您挑選適當的伺服器冷卻方案
了解伺服器的三種散熱方法之後,我們回到最根本的問題:如何才能挑選適合您的伺服器冷卻方案?

事實上,每位客人的需求都不一樣。我們歡迎您聯絡技嘉的業務窗口,提出您的特殊需求。我們將由專人為您提供諮詢服務,打造適合您的解決方案。

不過,有三個簡單的問題,可協助您更清楚自己的需求。這些問題能幫您找到較為適用的方案,也有助於您擬定關於數據中心和機房冷卻系統的長期規劃。
一、 耗電與散熱
先前提過,冷卻方案的散熱能力是用「千瓦」所計算。整體而言,若使用標準的伺服器機架來做比較,使用氣冷式方案大約能處理伺服器耗用20千瓦電力所排出的熱能;使用液冷式方案大約能處理伺服器耗用60千瓦電力所排出的熱能;使用浸沒式冷卻方案大約能處理伺服器耗用200千瓦電力所排出的熱能。

言下之意就是,您將會耗用多少電力,決定您適合採用什麼冷卻方案。您應該要事先了解,您的伺服器大概會用哪類型的處理器、大約耗費多少電力?整體而言,用來進行高效能運算和平行運算的處理器,都會消耗很多電力、排放很多熱能,如果您有這方面的需求,那您購買液冷式或浸沒式冷卻方案就比較划算。
二、 空間和其他重要資源
除此之外,您必須考慮您有多少空間可裝置伺服器。氣冷式方案需要良好的通風,所以,伺服器間要有很大的空隙。這種硬體上的限制不利於發展邊緣運算,也因此,液冷式方案和浸沒式冷卻方案逐漸被廣泛使用。

前面提到,採用液冷式或浸沒式方案可大幅提升電力使用效率。但是,還要考慮水分使用效率(Water-Use Efficiency; WUE)。用液體來幫伺服器散熱,就必須保持良好的WUE和高可靠性的水源,才能確保數據中心的正常運作。
三、 機房基礎建設
「液對液」的液冷式方案、以及浸沒式冷卻方案,都必須搭配數據中心既有的液體冷卻管路和散熱系統才能使用。也就是說,剛開始建立數據中心的時候,就要為這套方案做好準備,這是採用新類型冷卻方案最大的門檻。

如果您想在用空調散熱的機房內裝置液冷式伺服器,那有一種折衷辦法,就是採用「液對氣」的液冷式方案。然而,值得注意的是,液冷式和浸沒式冷卻方案逐漸普及,而先進的數據中心很講究可擴充性;也就是說,數據中心應配合使用者與日俱進的資訊需求一起成長,同時也要採用最先進的科技發明。設有液體冷卻管路的數據中心,可使用更進階的冷卻技術,也可將運算能力更強的伺服器,集中在更小的空間內。擁有這些特性的數據中心,比較好迎接勢在必行的大數據時代。《詞彙學習:什麼是可擴充性?

無論您決定採用氣冷式、液冷式或浸沒式的產品,技嘉科技能提供您所需要的方案,我們邀請您透過server.grp@gigabyte.com電子信箱聯絡技嘉的業務窗口,挑選最適當您的需求的伺服器冷卻方案。
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