金屬污染物“鋅晶須”對數據中心設備可靠性的影響與解決方案探索

李常春， 王新芳， 應露瑤

(1. 寧波緯誠科技股份有限公司，寧波 315000； 2. 中城建(北京)建筑設計有限公司，北京 100061)

0 引言

隨著全球經濟的數字化轉型，數據的運算、存儲與傳輸已成為一種生產資料，而數據中心作為數據的樞紐和應用載體，既是產業數字化的關鍵基礎設施，也是數字經濟的基石。2019年全世界共有180個10萬臺服務器規模的數據中心在建設，但遠遠滿足不了全球經濟對數據中心的需求。在中國，隨著新基建政策落地，5G基建和工業互聯網時代來臨，數據中心市場總體規模將快速增長。

與此同時，數據中心一旦發生故障，帶來的損失將更加無法估量。艾默生網絡能源與Ponemon研究院合作發布的《2016年數據中心宕機成本》中表明，數據中心故障每分鐘為企業帶來損失近9 000美元。其中，意外宕機平均每分鐘總成本從2010年的5 617美元增加到2013年的7 908美元，再到2016年的8 851美元。數據中心宕機的成本在持續攀升，同時給各行各業帶來了巨大的損失，如圖1所示。

圖1 2016年各行業數據中心業務每中斷1小時損失統計表

因此,隨著數據中心行業的蓬勃發展，如何保障數據中心的運維安全，減少意外宕機事故也變得更為重要。近年來，數據中心使用的高性能計算機和刀片服務器等IT設備功耗的不斷提升，內部電子附件封裝密度越來越高，都對硬件的可靠性造成了很多不利影響，使得IT電子設備更容易受到數據中心循環空氣中鋅晶須、粉塵、腐蝕性氣體等污染物的影響，發生故障的可能性隨之增加，進而導致意外宕機事故發生的概率大大提升。

本文著眼數據中心金屬顆粒污染物-鋅晶須，闡述其對數據中心設備可靠性的影響，并給出行之有效的解決方案，為行業提供有價值的參考，降低高昂的意外宕機成本。

1 數據中心的鋅晶須污染分析

1948年，貝爾實驗室首次發現鍍鋅支架上的鋅晶須會導致電話傳輸系統中使用的石英濾波器的損耗增加。之后的數十年內，航天航空和通信領域發現的各種不明原因的電氣和電子設備故障漸漸引起人們的關注。2003年，美國航天局數據中心新安裝的大型存儲器在一個月內發生了18起以上的災難性電源故障。隨后的調查認定故障原因是鋅晶須引發的電氣短路。經過研究分析后，NASA的事故調研小組成員Jay Brusse等人發表文章介紹了該次事故的詳細調查過程，并指出鋅晶須引起的電路短路已經是世界范圍內造成損失慘重的計算機系統故障的主要原因之一。

鋅晶須是由鋅形成的導電細絲，通常直徑為1μm～5μm，遠小于人的頭發，肉眼幾乎不可見；少數情況下，長度會超過1cm。它們從經過防腐蝕鍍鋅處理的金屬表面自發生長出來，生長速度約為每年250μm，主要的幾種形態為柱狀、彎折狀和結節狀。目前的研究成果表明鋅晶須是從底部生長而不是頂部生長的，雖然其生長機理尚未證實，但長期以來的主流觀點認為鍍層內部的壓縮應力是鋅晶須生長的主要驅動力。

雖然鋅晶須的體積很小，但對于今天的微電路而言，它們已經足以引發問題。數據表明，NTF(未發現故障)統計資料中可能由于鋅晶須污染導致的間歇性故障占比很高。這種污染已成為最容易引起電子和計算機設備故障的異常因素之一。

數據中心中的鋅晶須來源于常見的鍍鋅產品，例如電鍍鋅網格橋架、靜電地板底部的鍍鋅鋼板等。鋅晶須原本是附著在鋅層表面，當它受到干擾時就會脫落，比如數據中心進行維護時，拖動電纜就會使得鋅晶須從附著物的表面脫落，進入到空氣中。然后鋅晶須通過空調系統循環流通從而遍布到整個數據中心，最后鉆入到設備中，橋接上間隔緊密的電導體，就會導致設備短路、電壓變化和其他信號干擾，造成系統宕機、數據丟失，更嚴重者還會引發電氣火災。

進入21世紀后，關于鋅晶須引發的數據中心故障的報道更加頻繁。一是因為更小型的電子元器件使電路板導體間距越來越小，鋅晶須更容易橋接導體；二是更低的電壓和電流不足以熔化鋅晶須，造成永久性短路；三是更頻繁的機房升級改建，使得鋅晶須斷裂從附著物上脫落。

2 鋅晶須污染解決方案的探索

隨著數據中心行業日益認識到鋅晶須污染引起的問題，各相關行業也開始致力于探索消除鋅晶須污染的解決方案。同時，數據中心不得含有鋅晶須也被寫入相關的行業指南和標準當中。來自美國采暖、制冷與空調工程師學會(ASHRAE)于2008年發布的數據中心環境設備指南對“建議的運行環境”進行了描述，描述如下。

(1)溫度：18℃(64.4℉)至27℃(80.6℉)。

(2)濕度：上限為60%的相對濕度或15℃(59℉)的露點濕度；下限為5.5℃(41.9℉)的露點濕度。

(3)氣體污染物：ANSI/ISA 71.04-1985的G1級嚴重等級規定，銅試樣的反應速率低于300C/月(η0.0039μg/cm2一小時的增量)。此外銀試樣的反應速率應低于300C/月(η0.0035μg/cm2一小時的增量)。應在機架進氣口側前端2英寸(5cm)，離地面1/4及3/4機架高度處或者空氣流速較高的地方進行氣體腐蝕性的反應監測。

(4)顆粒污染物

1)數據中心必須達到ISO 14644-1 8級所規定的清潔等級。

對于沒有安裝空氣側節能裝置的數據中心，只需采用以下過濾方式，就能輕松地達到ISO 14644-1 8級清潔標準：Ⅰ.使用MERV 8過濾器不斷過濾室內空氣；Ⅱ.使用MERV 11過濾器(MERV 13更佳)過濾進入數據中心的空氣。

對于配有空氣側節能裝置的數據中心，為達到ISO 8級清潔標準，應根據數據中心的特定情況來選擇過濾器。

2)顆粒污染物的潮解相對濕度不應大于60%RH。

3)數據中心內不得含有鋅晶須。

目前數據中心產業鏈條中關于解決鋅晶須隱患的方案主要分為兩種。第一種屬于圍堵措施，針對含有鍍鋅部件的數據中心進行定期監測。如果檢測到鋅晶須的存在，可請專業的清洗技術服務商對數據中心定期進行清洗。以美國Data Clean、 AMB Solution等為代表的清洗服務提供商便專門為數據中心提供清除鋅晶須的服務。

另一種方案則屬于預防措施，從根源上杜絕鋅晶須的存在，即在方案設計時就采用其他表面處理方式代替電鍍鋅。以數據中心電纜敷設中經常使用到的電鍍鋅網格橋架為例，英國BEAMA協會2012年發布的橋架指南提出，為了杜絕鋅晶須，建議原材料采用不銹鋼、表面為有機涂層的碳鋼或者非金屬材料。許多國際知名的橋架制造商針對數據中心的鋅晶須隱患，也紛紛推出各自的解決方案。例如，ABB集團旗下的Thomas & Betts公司建議采用不銹鋼、熱浸鋅以及環氧樹脂涂層代替電鍍鋅；美國泛達公司提出預鍍鋅工藝不會產生對靈敏的電子設備造成損害的鋅晶須；美國Chatsworth Products公司提出采用預鍍鋅或者噴塑來代替電鍍鋅等。

以上兩種方案雖然為解決鋅晶須污染提供了不同的方向，但在實踐操作中也存在一定的缺點。 圍堵方案中，鋅晶須清除以后仍會繼續生長，定期、專業清洗服務成本高昂，性價比低。替代方案中，其他替代電鍍鋅的材質存在表面處理方式、綜合性價比低等一系列問題。

例如，(1)采用不銹鋼替代方案，由于其材質特性多用于食品加工行業或腐蝕性環境，若用于數據中心則建設成本過高，難以推廣。(2)采用熱浸鋅替代方案，雖然具有優異的耐腐蝕性，但是表面殘留大量鋅瘤需要人工打磨，增加人工成本，并導致鋅層厚度不可控，帶來防腐隱患；另一方面熱浸鋅工藝對環境污染嚴重。(3)采用預鍍鋅替代方案，預鍍鋅為加工前鍍鋅，雖然價格低廉但自身耐腐蝕性差，再加上加工過程中的斷面、切口和焊點處無鍍層保護，容易產生銹蝕。(4)采用噴塑替代方案，沒有經過電鍍直接噴塑，容易刮花，有防腐隱患。

3 一種環保無晶須的納米膜技術

目前在國內，數據中心不應使用鋅晶須已被列入相關的行業規范中(參見表1)。但是一方面國內缺乏為數據中心提供專業鋅晶須清除服務的清洗技術公司，另一方面上述替代電鍍鋅的方案由于其自身的各種不足，并不能很好地滿足數據中心建設中對于預防鋅晶須的要求。

來自中國通信行業協會于2019年發布的《金屬網格式電纜橋架規范》 表1

化學鍍鎳作為金屬表面防護性工藝的一種，因金屬鎳穩定性好、硬度高，其鍍層具有良好的耐腐蝕性和耐磨性，且鍍層表面光滑美觀，工藝經濟性相對較高，是替代電鍍鋅的優選方案。一支基于硅谷資深科學家領導的研發團隊創新性地開發了具有自主產權的環境友好型表面納米合金催化鍍膜技術。該技術利用化學氧化還原反應，將鎳離子還原沉積在基材表面，形成致密、均勻、高結合力的鎳合金納米膜。在金屬表面形成的鎳鍍層的生長機理為無晶體取向的層狀生長，鍍層致密且無晶須生長，是一種較為理想的解決鋅晶須給數據中心帶來的安全隱患的方案。

其次，該鎳鍍層有優異的耐磨性和耐腐蝕性。電鍍鋅的薄膜硬度為120 HV左右；鍍鎳的薄膜硬度在500 HV左右，經過400℃熱處理或共沉積SiC等納米顆粒可以超過1 100 HV，達到硬鎘的硬度(>800 HV)水平。鍍鎳與電鍍鋅的硬度對比測試和不同表面處理的網格橋架鹽霧試驗時間詳見表2～3。

鍍鎳與電鍍鋅的硬度對比測試 表2

不同表面處理的網格橋架鹽霧試驗時間 表3

鍍鋅薄膜腐蝕后形成的氧化鋅白色粉體，黏附力弱、容易脫落，影響其他設備的穩定性和清潔度。而鍍鎳層被腐蝕后形成的氧化鎳黏附力好，不容易脫落。

第三，環保無晶須納米膜技術可實現豐富的鎳層顏色，符合數據中心的色彩管理理念。

第四，環保無晶須納米膜的生產工藝采用無污染的食品級原料配制鍍液，廢液可以重復利用，達到近乎零排放的環保處理。

綜合對比分析后，鍍鎳橋架的優勢突出，真正從安全防腐、環保、經濟、美觀等各方面契合現代化數據中心環境建設的要求。不同材質/表面處理的橋架性能對比詳見表4。

不同材質/表面處理的橋架性能對比表 表4

4 結束語