CN101853059B - 散热节能和数据安全存储的云计算服务器系统 - Google Patents

散热节能和数据安全存储的云计算服务器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种散热节能和数据安全存储的云计算服务器系统，其包括网络机柜、电源系统、服务器阵列、硬盘阵列及散热系统，其特征在于：计算机裸机与金属散热板连接固定形成服务器阵列，主板上的CPU和北桥芯片通过散热连接件传导热量至金属散热板进行散热，散热管道对金属散热板进行散热；服务器阵列与硬盘阵列分开至一定距离放置，主板数据端口通过数据线连接硬盘阵列；电源系统对服务器阵列和硬盘阵列进行直流供电，散热系统对电源系统进行散热；散热系统同时可连接自然风冷和水冷系统。利用该发明技术配置的服务器系统可集中发热源并直接散热，提高了散热效率，节约了能源；服务器计算部分与存储部分分离配置，方便维护和数据安全存储。

Description

散热节能和数据安全存储的云计算服务器系统
技术领域
本发明涉及一种应用于云计算的服务器、网络机柜和IDC机房的散热节能和数据存储系统。具体地说：是将服务器硬件中的计算部分、存储部分和其他硬件进行分离并重新配置，并对分离后的硬件采用不同的散热措施、供电措施和安全措施，以满足云计算所需的高效散热节能、数据安全存储的要求。
背景技术
云计算服务对于数据的吞吐和处理有较高的要求，云计算服务器处理大量的数据请求，需要配置更高主频的CPU，需要更多的功耗，带来更高的发热量，为了散热，又需要配备功率更高的风扇；同时，主板上的北桥芯片发热量也很大，最终导致服务器电源也需要增加到匹配的功率，电源系统的能耗增多，也需要更多地散热。因此，云计算所需的高配置服务器对电能的消耗非常大、散热量也很大。目前，IDC(Internet Data Center)机房中央空调可对整个机房环境实施降温，消耗了大量的电力资源；服务器内部用多个风扇进行散热，但机箱与外界的空气交换并不通畅，因此空调的冷气对单台服务器内部硬件来说，降温效果不佳、散热效率不高。同时，服务器内都配置了多个风扇，容易积累灰尘，运行时带来了大量的噪音。
目前数据中心的能源使用效率指标PUE(Power Usage Effectiveness)仍在2以上，数据中心的电能被电源、配电设备、服务器风扇、UPS、空调等供电散热设备给消耗了，达不到云计算所需的低碳、绿色、环保的要求。
目前，IDC机房内的同一网络机柜中，标准的1U服务器是被公开放置的，服务器主板侧面的端口暴露在外，服务器也没有物理安全措施，如上锁。因此很容易从硬件的端口引发数据泄密，无法满足云计算所需的安全要求。
中国发明专利公告号CN100347635C公开了一种改善计算机性能的主板布置方法及主板，提出将CPU放在计算机的主板背面进行散热；中国发明专利公告号CN2824112Y提出了将CPU放置在主板背面并外加散热器的方法，但其服务器的硬件还是全部放在一台整机内，因此只能进行单机散热，散热效率不高；中国发明专利公告号CN1013408398A公开了一种用导热管将每台计算机中的热量导出并集中作回流散热处理方法，可以提高散热效率，但散热效果还是不够明显。
另外，为了解决服务器的高能耗问题，中国发明专利公告号CN101340298公开了一种对服务器直接提供直流电源的方法，可以减少单个服务器的能耗。
目前，一些IDC机房周边有很好的自然风冷和水冷资源，但在与机房散热系统进行热交换时，由于自然空气的湿度和尘埃，自然水体的洁净度等原因，只能局限于与机房整体环境进行热交换，不能直接作用于服务器发热源的散热。
上述所提出的种种散热节能措施，还是不能满足云计算的散热节能和数据安全要求，因此，除了改进云计算服务器周边的环境设施外，我们还特别提出一种对服务器、网络机柜、IDC机房的结构与配置作出改进的方法，使之成为一个既可散热节能，又能安全存储的云计算服务器系统。
发明内容
为解决上述云计算服务器系统在散热节能和安全存储技术问题上的不足，本发明技术特别提出一种将服务器硬件中的计算部分、存储部分和其他硬件进行分离并重新配置，并对分离后的硬件采用不同的散热措施、供电措施和安全措施的散热节能和数据安全存储的云计算服务器系统。其中，服务器计算部分是由多个计算机裸机组成服务器阵列，使其固定在金属散热板上，主板上的散热芯片通过散热连接件，将芯片上的热量传导至金属散热板，由散热系统统一散热；服务器阵列空间内，采用普通的风冷散热；硬盘从计算机中分离出来，在一定空间内组成硬盘阵列，并采用普通风冷散热。这样的配置可使发热量不同的硬件得到不同的散热处理，尤其是对服务器阵列中的CPU和北桥芯片的散热作集中处理，致冷源直接作用于金属散热板带走大量热量，散热效率得到大大提升；这种结构还可以采用自然风冷和水冷外界散热资源，其产生的节能效果更加明显；同时，服务器的存储部分放置在单独的任意空间，并赋于它更多的管理权限，数据存储的安全性也得到更好的保护。
具体的方案如下：
散热节能和数据安全存储的云计算服务器系统，其由网络机柜、电源系统、服务器阵列、硬盘阵列及散热系统组成，服务器阵列与散热系统位于网络机柜内的下方，硬盘阵列位于机柜内的上方，电源系统位于机柜中部，服务器阵列由多个计算机裸机组成，计算机裸机包含主板及主板芯片组，主板上安装CPU、内存、外接端口、电源开关和主板固定扣件，其中，CPU芯片和北桥芯片的散热面上还分别固定一个散热连接件，散热系统由散热管道装置与金属散热板组成，主板固定扣件与金属散热板上的扣件耦合以固定计算机裸机，散热管道从网络机柜的两侧接入，将多个机柜串联，并连接至机房散热系统，其特征在于：多个计算机裸机通过主板固定扣件与金属散热板连接固定，形成服务器阵列，计算机主板上的CPU和北桥芯片通过散热连接件传导热量至金属散热板进行散热，散热系统对金属散热板进行降温散热；服务器阵列与硬盘阵列是按上下结构配置的，可形成服务器计算部分与存储部分的自然分离，并保持一定的距离，主板上的数据端口通过数据线连接到硬盘阵列；电源系统对服务器阵列和硬盘阵列进行直流供电，散热系统可同时对电源系统进行散热。
其中所述的云计算服务器主板上的数据端口包含硬盘数据串口和USB端口，通过硬盘数据线和USB数据线连接到硬盘阵列中的硬盘数据插槽和移动硬盘的USB端口。配置的优质硬盘数据线和USB数据线，长度为0.8米至1.5米，对于数据传输的带宽和信号衰减基本没有影响，USB端口可挂接多块硬盘。工作人员在维护时，可以通过USB-hub的形式，再挂接USB显示器、USB键盘和鼠标等外设硬件。
其中所述的云计算服务器系统，其特征在于：散热管道可由多根管道组成，根据散热需求有选择地连接到机房的中央空调系统及自然风冷和水冷系统。自然风冷和水冷资源在进行简单的洁净处理后，可直接进入循环散热管道，可以迅速地带走金属散热板上的热量。其中散热管道可选择一根或多根散热管道，并与金属散热板上的散热翅片紧密接触，可以通过控制管道内流体的流速，不断地调节金属散热板至合适的温度，避免金属散热板两面的温差过大，而损害到另一面桥接附着的芯片。与金属散热板连接的散热管道在网络机柜中的部分是金属材料制成的，可以很好地传导热量，网络机柜外的串联管道，可以是PVC塑料管道。
其中所述的服务器阵列，是将主板的正面朝向金属散热板并连接固定，但由于主板正面安装有CPU、主板芯片、内存条和电子元器件，形成了一定的空间高度，因此，CPU和北桥芯片的散热面上需要增加一个一定高度的散热连接件，才能与金属板散热板实现桥接并紧贴，通过散热连接件将芯片上的热量传导至金属散热板。散热连接件可以是厚度不同的金属块，也可以是较复杂的热管装置。本发明对该散热连接件的一个较佳实施例是：散热连接件是具有弹性、导热性能良好的金属圆筒，其金属圆筒中还穿入固定扣件，将金属圆筒固定在芯片散热面上，当主板固定扣件将计算机裸机往金属散热板上固定时，金属圆筒受挤压，形成的两侧平面随之紧贴在金属散热板和芯片散热面之间。
由于主板正面空间有一定的高度，因此，散热连接件也需要有一定的高度，这样会导致热传导效率的降低。为了解决这个问题，可以将计算机主板上的CPU和北桥芯片安装在主板的背面，用主板的背面朝向金属散热板并连接固定。使用这种方式，散热连接件也就可以分别使用两块厚度较薄的金属片，并使两块金属片处于同一水平面，紧贴在金属散热板上。同时，主板的正面向外，有了较大的散热空间。
从上述配置可以看出：服务器的计算部分与存储部分已完全分离，仅通过数据线作连接。在实际使用过程中，计算部分的操作系统和一些必要的应用程序是必备的、标准化的，如windows2003和MSSQL数据库，这些软件可以看作是服务器计算资源的一部分，把这部分固化/安装在一个硬盘上，有利于用户的使用和系统快速恢复。服务器主板上同时安装一个固态硬盘，该硬盘可以分为2个区：C盘和D盘，其中C盘安装操作系统，D盘安装基础软件，并对其进行镜像备份，服务器启动时首先进入该硬盘中的操作系统。此时，硬盘阵列中的某单块硬盘可作为该计算机的从盘。
计算部分与存储部分的连接是通过数据线来完成的，如果硬盘数据线和USB数据线长度超过1.5米，将会影响到数据信号的衰减和数据传输的带宽。而事实上为了资源的合理配置和数据安全，需要将计算部分和存储部分分开到更远的距离。因此，服务器的数据端口与硬盘阵列的连接方式，可以用网线和网络存储的方式来连接。硬盘通过网络存储的方式连接到交换机上，服务器的数据端口用网线与交换机相连。在局域网内，在保证传输带宽的前提下，网线可以有一定的长度，如100米，从而硬盘阵列可以被放置到网络机柜外的任意独立空间。
采用目前的网络存储方式，如NAS(Network Attached Storage)网络存储，就可以将计算机房与存储机房分开一定的距离，如30-50米，地上部分放置计算机房，地下部分放置存储机房，存储机房的物理安全环境可以做得更高，用户托管只需将硬盘托管在此，且硬盘的安装/拆卸可以通过机房内的机械装置安装到硬盘阵列，无需工作人员进入操作，工作人员对服务器的维护管理可以在计算机房来进行。
如采用SAN(Storage Area Network)存储区域网络的方式，其传输距离更远，带宽可以达到更高。随着网络存储技术的发展与带宽的提高，计算机房与存储机房演变成网络计算中心和网络存储中心，可以相距更大的距离：网络计算中心耗电量大，可以放在发电站周围，充分利用其电力、水冷/风冷优势，数据中心放在更安全、更易维护的环境。也可以将硬盘放在私有的数据机房内，满足企业和个人用户对数据的私密要求。
网络存储中心中，基于NAS的网络存储系统，硬盘阵列可以设置独立的带宽出口。其FTP、P2P(Peer-to-Peer)等协议将不经过计算中心，而是直接传递至客户端，因此这些功能可以作为独立的服务提供给用户。这种数据传输不占用网络存储通道的带宽，而且可以配合服务器端的服务应用。一个具体的实施例是：用户打开一个视频网站页面时，服务器通过网络存储通道读取硬盘中的网页数据，进行处理后返回给用户相关页面，而此页面内的视频数据，则是网络存储系统直接通过P2P方式传递到用户终端上。
以上所述的云计算服务器系统中的硬盘阵列，由多块硬盘、硬盘阵列管理模块组成，阵列中的单块硬盘通过数据线连接到管理模块，再由管理模块连接到服务器的数据端口，单个硬盘可实施加密，用户授权后通过管理模块，打开或关闭硬盘，并根据所属硬盘指定所需的服务器或根据已分配的服务器指定硬盘。在以上模式中，用户进行服务器租用或托管，其实质已变成“计算资源租用+硬盘托管”，即：计算资源是公共的、可租用的，硬盘及硬盘内数据是私有的，这样模式又经济又私密，用户更易接受并容易管理。用户可以随时关闭空闲不用的硬盘，以节省硬盘耗电，需要用时再打开硬盘；根据存储需要，增加、更换硬盘；根据需要指定计算资源，迅速实现计算能力的升级或灾难恢复。
另外，对于网络计算中心的灾难恢复来说，因为只具单纯的计算硬件和操作系统、部分应用软件，所以可以通过更换硬件和软件的方式迅速恢复计算能力。
以上所述的云计算服务器系统，服务器阵列中的芯片发热量是不均匀的，金属散热板上不同局域有不同的温度。因此，可以在金属散热板上安装与服务器数量匹配的温度传感器，温度传感器将温度信息传到散热系统后，再通过调节散热管道装置对金属散热板的全部或局部区域进行可调节散热。
本发明的技术原理是：先将服务器予以集中放置，再把服务器中发热量最高的CPU和北桥芯片集中配置，通过散热连接件将芯片上的热量传导至金属散热板，再对金属散热板进行直接降温散热，可以提高散热效率；将服务器的计算部分与散热系统分隔到不同的空间，散热系统就可以通过自然风冷和水冷的方式直接作用于金属散热板，节省大量的空调电能。通过此原理技术，整个机房的能源使用效率指标PUE值可以达到1.5以下。
本发明的有益效果是：集中并直接散热的方式大大提高散热效率和降低能耗，风冷水冷实现了更多地节能；服务器计算部分和存储部分开放置便于维护，并提高了数据存储的安全性。另外，单台服务器内减少了电源和风扇，由电源系统统一供电，风扇数量也减少到最低，整台服务器的功耗减少了，风扇噪音也大大降低。
附图说明
附图1为本发明的结构原理示意图。
附图2为本发明的结构原理正面示图。
图中标号说明：
1-服务器阵列；2-散热系统；3-硬盘阵列；4-电源系统；5-网络机柜；6-网络交换机；7-风扇；8-网线；9-数据线；10-电源线。
其中服务器阵列又包括：
101-计算机裸机；102-主板固定扣件；103-服务器开关；
其中散热系统又包括：
201-金属散热板；202-散热管道；203-散热连接件；204-散热翅片；205-温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
实施例一：
在IDC中心内，网络机柜(5)内被改造成如图1样式，分成上下两层，下层分别为服务器阵列(1)空间和散热系统(2)空间，上层为硬盘阵列(3)空间。
散热系统(2)包含一块竖置的金属散热板(201)，利用主板固定扣件(102)固定住计算机裸机(101)，散热连接件(203)紧贴金属散热板(201)和计算机裸机(101)主板上的CPU芯片，金属散热板(201)的另一面分布散热翅片(204)，将散热管道(202)包含在内，温度传感器(205)分布在散热翅片(204)的里端。
电源系统(4)通过电源线(10)提供直流电源到硬盘阵列(3)上，同时配置到计算机裸机(101)，为CPU和主板供电，计算机裸机(101)上附有服务器开关(103)。
计算机裸机(101)通过网线(8)连接到网络交换机(6)，通过数据线(9)连接到硬盘阵列(3)内的硬盘。
网络机柜(5)内安装有风扇(7)，可以为以上所述的三个空间提供冷风循环。
服务器系统工作时，散热管道(202)连接至中央空调或自然风冷水冷系统，并根据温度信息调节管道内流体的流速。
计算机裸机(101)和网络交换机(6)加电接通后，启动计算机上的板载硬盘，进入操作系统，用户通过互联网进行远程登陆，配置硬盘阵列中的硬盘，加载数据，服务器提供网络服务。
工作人员进入机房维护，可以将USB设备插入计算机裸机(101)的USB端口，登陆服务器后进行维护。
实施例二
硬盘阵列(3)在网络存储的状态下，放置到城市中的地下民防工程内。地下民防工程部分可成为一个网络存储托管中心，用户将硬盘托管在其中；服务器阵列(1)放置到大楼上的计算中心内，可以充分利用大楼高处的通风优势，对服务器阵列(1)实现自然风冷；其上所述的服务器阵列放置方式，将不局限于在网络机柜内，可以配置一块或多块金属散热墙，将更多的服务器阵列固定在金属散热墙上，在墙的另一面进行散热措施。这样的配置使散热源更为集中，更利于散热节省能源。
实施例三
硬盘阵列(3)在网络存储实现远距离高带宽的状态下，用户通过远程登陆到硬盘阵列(3)的管理模块，打开/关闭硬盘，增加/减少硬盘资源，为该硬盘指定远程的计算资源或为远程的计算资源指定硬盘。这样的操作方式，使得计算资源和存储资源可以随时增加，实现服务器的快速升级；一块硬盘损坏后，可以马上将计算资源指向另一块备份的硬盘，实现数据的快速恢复。
同时，网络存储托管中心通过独立的带宽通道提供FTP、P2P服务给用户，多个网络存储托管中心实现相互间的数据备份，这些工作都不经过计算中心，相对减少了计算中心的高能耗。

Claims (9)

1.散热节能和数据安全存储的云计算服务器系统，其由网络机柜、电源系统、服务器阵列、硬盘阵列及散热系统组成，服务器阵列与散热系统位于网络机柜内的下方，硬盘阵列位于机柜内的上方，电源系统位于机柜中部，服务器阵列由多个计算机裸机组成，计算机裸机包含主板及主板芯片组，主板上安装CPU、内存、外接端口、电源开关和主板固定扣件，其中，CPU芯片和北桥芯片的散热面上还分别固定一个散热连接件，散热系统由散热管道装置与金属散热板组成，主板固定扣件与金属散热板上的扣件耦合以固定计算机裸机，散热管道从网络机柜的两侧接入，将多个机柜串联，并连接至机房散热系统，其特征在于：多个计算机裸机通过主板固定扣件与金属散热板连接固定，形成服务器阵列，计算机主板上的CPU和北桥芯片通过散热连接件传导热量至金属散热板进行散热，散热系统对金属散热板进行降温散热；服务器阵列与硬盘阵列是上下结构配置的，形成服务器计算部分与存储部分自然分离，并保持一定距离，其主板上的数据端口通过数据线连接到硬盘阵列；电源系统对服务器阵列和硬盘阵列进行直流供电，散热系统对电源系统进行散热。
2.根据权利要求1所述的云计算服务器系统，其特征在于：散热管道可由多根管道组成，可根据散热需求有选择地连接到机房中央空调系统、自然风冷和水冷系统。
3.根据权利要求1所述的云计算服务器系统，其特征在于：所述散热连接件是一个金属圆筒，该金属圆筒具有弹性、导热性能良好、筒壁有一定厚度，其直径大于主板上最高元器件的高度，金属圆筒中还穿过所述主板固定扣件，将金属圆筒固定在芯片散热面上，当主板固定扣件将计算机裸机往金属散热板上固定时，金属圆筒受挤压形成两个平面，紧贴在金属散热板和芯片散热面之间。
4.根据权利要求1所述的云计算服务器系统，其特征在于：所述的计算机裸机，其主板上的CPU和北桥芯片是安装在主板背面的。
5.根据权利要求1所述的云计算服务器系统，其特征在于：所述的服务器主板上安装有固态硬盘，硬盘内安装有操作系统和应用软件，服务器启动时首先进入该硬盘中的操作系统。
6.根据权利要求1所述的云计算服务器系统，所述服务器上的数据端口与硬盘阵列用网线和网络存储连接，以代替权利要求1中数据端口通过数据线连接到硬盘阵列；
其中，当所述服务器上的数据端口与硬盘阵列用网线和网络存储来连接时，所述硬盘阵列可放置到网络机柜外的任意独立空间，以代替权利要求1中硬盘阵列位于机柜内的上方。
7.根据权利要求1或6所述的云计算服务器系统，其特征在于：所述硬盘阵列由多块硬盘、硬盘阵列管理模块组成，阵列中的单块硬盘是通过数据线连接到管理模块，再由管理模块连接到服务器数据端口的。
8.根据权利要求7所述的云计算服务器系统，所述硬盘阵列可增加独立的带宽出口，其中的任意单个硬盘可实施加密，用户授权后可通过管理模块，随时打开或关闭硬盘，并根据所属硬盘指定所需的服务器或根据已分配的服务器指定硬盘。
9.根据权利要求1或3所述的云计算服务器系统，其特征在于：所述散热系统金属散热板上安装有与服务器数量匹配的温度传感器，温度信息直接传输到散热系统后，通过调节散热管道装置对金属散热板整体或局部区域有针对性的调节散热。
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