海底數據中心的散熱優化設計

席欣然

（吉林財經大學，吉林 長春 130022）

1 研究背景

本文是對海底數據中心的優化設計進行研究，在資源矛盾日益突出的今天，該研究完全符合綠色可持續發展戰略，既可以有效的將數據回傳給互聯網，也有效的節約了資源。針對如何在有限的集裝箱外殼中放入最多數量的服務器、如何達到最佳散熱效果進行合理分析和建模，并在考慮到海水的低溫和壓強的條件下，選擇綜合性能最強的金屬物來制作散熱服務器，并在研究后給微軟、谷歌、華為等公司的海底數據中心的外殼散熱提供設計方案，加以推廣和改進，具有一定的現實意義。

2 模型的建立

2.1 海底散熱器放置個數的最優化

結合實際情況和題意分析，固體在液體中的冷卻方式為強制對流傳熱。根據牛頓冷卻定律，即溫度高于周圍環境的物體向周圍媒質傳遞熱量逐漸冷卻時所遵循規律——當物體表面與周圍存在溫度差時，單位時間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比。

僅考慮服務器的散熱需求，可以對模型進行合理的簡化，對于1U 服務器的安放，我們分別從長、寬、高三個角度考慮，開展線性規劃，同時結合體積，散熱等限制因素，計算出結果來確定最合適的1U 服務器數量。

建立空間直角坐標系，規定平行于海平面的方向為X 軸方向，海平面以下垂直于X 軸的方向為Y 軸方向，而垂直于海平面的方向為Z 軸方向。x,y,z 分別表示X 軸方向，Y 軸方向，Z 軸方向上的1U 服務器個數。

N=max(x*y*z)考慮到體積的限制，得出以下不等式（圖1）：

圖1 集裝箱橫截面圖

x*525≤12000

y*486.2≤1000

z*44.5≤1000

d2+h2≤5002

經過線性計算，可得出在不考慮散熱條件下的X 軸，Y 軸，Z 軸的1U 服務器安裝數量。其余兩個方面的分析方法同理。考慮以上限制因素，從長、寬、高分別考慮服務器安裝方式結果如表1。

表1 分別根據長、寬、高計算的安裝方式

對比以上三種結果可知，將1U 服務器的長平行于海平面安裝，即橫向截面安裝的方法要明顯好于另外兩種。故得出結論：單個集裝箱外殼中最多可以放置330個服務器。

2.2 海底數據中心散熱器材料的最優選擇

由于深海海水溫度更低，能夠使得集裝箱獲得更好的散熱效果，但同時深海海水壓力更大，導致對集裝箱的抗壓能力要求更高，并且海水具有較強的腐蝕性，因此在價格合理的情況下，需要找到綜合能力較強的材料作為海底集裝箱的制作。首先將目前發現的金屬制品分為了鋁合金、鎳合金、鈦及鈦合金、不銹鋼和其他金屬。根據腐蝕性和價格因素進行篩選后，可認為鎳合金中的鉻鎳鐵合金抗腐蝕性較強、鈦及鈦合金腐蝕類型基本均抗腐蝕[1]，可運用AHP 層次分析法和熵權法進行綜合評價。根據三種金屬的價格、密度、彈性強度、抗彎強度和抗拉強度，給予他們不同的權重，根據每種合金的含量以及從中國金屬網獲得的金屬價格的數據，利用標準化后的數據計算出每種材料的價格，從而計算出相應的綜合評價指數，并根據價格、密度、彈性強度、抗彎強度和抗拉強度五個指標的重要程度不同，賦予它們不同的權重，如表2。

表2 金屬材料的各項指標

計算出金屬材料的綜合指標，如表3。

表3 金屬材料的綜合評價指標

綜合指標最優的金屬材料為鉻鎳鐵合金，其次是鈦6Al-4v。鉻鐵鎳合金雖然價格較低，但密度僅為鈦6Al-4V 的二分之一，我們認為密度太低會使集裝箱在深海中不夠穩定，且兩者的綜合指標相差并不多，所以，綜合來看，鈦6Al-4V 性能更優，更適合作為深海集裝箱的主材料，鉻鎳鐵合金可以用作鋼絲繩、螺旋槳葉片、彈簧緊固件等配件。

對于非金屬材質，我們將其分為聚合物，橡膠和彈性體、混凝土和玻璃、纖維增強塑料，從彈性強度、抗拉強度和水吸收三方面進行討論。將各類材料及其特質進行標準化描述，并根據不同特質的重要程度，賦予其不同權重。其中最后三種增強環氧樹脂我們不對其水吸收性做出討論，因此我們對這兩類賦予兩個不同的權重，得到表4。

表4 非金屬材料的各項指標

最終，計算出非金屬材料的綜合指標，如表5。

表5 非金屬材料的綜合評價指標

纖維增強塑料中，凱夫拉爾49 增強環氧樹脂的綜合指標最高；聚合物，橡膠和彈性體中，尼龍、縮醛，標準均聚物和丙烯酸指標較高，可用于集裝箱船體各種配件的制作。

2.3 潮汐與季節等因素對海底數據中心散熱的影響及解決

2.3.1 各種因素對集裝箱的影響

經過多方實驗和研究證實潮汐和季節的變動會對水溫等水文因素進行影響。這種影響會讓潮汐區域地帶處于一種長期干濕交替狀態。在濕潤的狀態下為侵蝕提供了電解質環境，而干燥的時候又為侵蝕提供了充足的氧氣，進行侵蝕。海洋腐蝕主要與海水含氧量、海水流速和深度、鈣質沉積，以及海水的污染情況和海洋植物的光合作用等有關。海底技術難題：受到海底環境的影響我們對于電力供給，制冷能力有著很大的考驗（海底壓力對制冷系統有著很大影響），設計防止海水浸入，忍耐海下巨大水壓的箱類容器是非常有必要的，這直接聯系到海下環境對于海底數據中心散熱效果影響。

海洋環境：海底環境與陸面有很大不同，不同海域有不用的壓力，有些高壓對于海底數據中心散熱效果有著巨大的影響，另外海底生物的存在也是一個很大的變化量。海底生物會對海底數據中心散熱效果撞擊，個別生物甚至會附著在海底數據中心容器表面，對于海底數據中心散熱效果會有很大的影響。海底低溫也是一大影響因素。

多變性：對于海底數據中心散熱效果有著很大的影響。

2.3.2 解決方案

通過上面對于潮汐、季節與其他因素對于散熱性影響分析，我們在具體分析各因素對于海底數據中心散熱效果影響時，應該結合一個隨時間變化的多維度影響過程，然后建立一個基于因子分析和動態規劃的多元時間序列分段模型。

步驟一:錄入原始多元時間序列同時進行標準化處理，再設置自回歸階數最高量和最大分段的個數的參數數值，見圖2。

圖2 自回歸輸出結果

步驟二: 計算任意兩個變量之間的Pearson 相關系數,通過我們學習到的統計知識，根據顯著的正相關性對變量序列進行增量聚類,得到多個簇。

步驟三: 對于聚類獲得的每個簇,我們進行分情況進行下一步分析。

如果某一個簇中只包含一個變量,則將該簇中擁有變量序列直接加入到低維的多元時間序列數據中集中。

如果所有簇中都包含多個變量，則將利用動態的因子模型從該簇中的多變量序列數據集提取出一條能夠使用的共同因子序列, 然后將處理后得到的共同因子序列加入低維多元時間序列數據集，準備下一步分析。

步驟四: 我們用向量自回歸模型對之前得到的維度為n 的低維多元時間序列進行擬合處理, 然后根據赤池信息準則選擇出最大的自回歸階數pmax。

步驟五:對于每個可能的自回歸階數p=0，1，…,pmax,分別用動態規劃找到N=2，…對應最優分段的相關位置,并且計算出最小段的代價。

步驟六: 將自回歸階數、分段個數量及相應的最小段代價值代入到 貝葉斯信息準則 計算公式, 選擇出最優的自回歸階數p 和分段個數N。

步驟七: 經過回溯,得到低維多元時間序列的全局最優分段位置t,同時我們也將其也視為原始多元時間序列的全局最優分段位置地點。

3 對海底數據的外殼散熱提供設計方案

2021 年1 月10 日，全國首個海底數據艙在珠海高欄港揭幕，這標志著我國大數據中心走進了“海洋時代”。通過對比計算結果可知，將IU 服務器的長平行于海平面安裝，即橫向截面安裝的方法要明顯好于另外兩種。并得出在僅考慮服務器的散熱需求的情況下，單個集裝箱外殼中最多可以放置330 個服務器的結論，具體數量可按照實際情況進行靈活調整的。同時作為國內首個海底數據艙，雖無經驗可以借鑒，但在罐體鋼結構制造中，專業的焊接技師對材料從材料和焊接工藝方面進行了深入探索和研究，層層把關質量，最終一次性通過壓力密閉試驗。

對材料進行分類篩選和詳細的計算，推薦使用以下材料。在金屬材料中我們建議采用鉻鎳鐵合金和鈦6Al-4V，價格較實惠且性能良好，有較好的彈性強度、抗彎強度和抗拉強度且水吸收百分率較小，鈦6Al-4V 性能更優，更適合作為深海集裝箱的主材料，鉻鎳鐵合金可以用作鋼絲繩、螺旋槳葉片、彈簧緊固件等配件。非金屬材料建議大量采用凱夫拉爾49 增強環氧樹脂、尼龍、縮醛，標準均聚物和丙烯酸，用于集裝箱船體各種配件的制作。

考慮到潮汐運動，季節變化和海底其他影響因素對于海底數據中心散熱有的不同層面上的影響。如潮汐“濕”作用提供電解質環境，“干”作用提供足夠氧氣，它會影響附近海域的海水溫度和，這些都會促進對金屬等物質的侵蝕。

通過研究，建議：(1)數據中心容器使用的材料應該具有強大的抗氧化能力。(2) 它還應該擁有一個堅硬的外殼，能抵御外來攻擊或者碰撞。(3)表面涂抹驅趕生物附著的化學物質，防止生物附著對海底數據中心的散熱功能造成影響。(4)另外容器應該有強大的供電能力，能夠長期供給能源，防止常常動力不足失去運作能力。(5)并且它所用的材料應該要能夠適應海底多變的環境變化。