我們都熟悉摩爾定律，該定律指出集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。無論我們測量的是晶體管的增長、磁盤容量，平方反比定律的價格對比每焦耳的計算方法，或是采用任何其他測量的方法，一個不變的事實是：他們都在呈指數倍數的增長。這種增長是困擾當今數據中心的密度問題的主要原因。簡單地說，更強大的計算機將產生更多的熱量，進而導致每年顯著的額外冷卻成本的增加。

今天，一家占地面積為10,000平方英尺的數據中心每平方英尺的運行能耗成本大約為150瓦，而其建設兆瓦的成本大約為1000萬美元，這取決于數據中心的選址，設計和能源成本。未來十年如果按照過去十年15%的數據增長速度持續，那么，同樣規模的數據中心將耗資3700萬美元每兆瓦。這些成本中有整整30%的費用花在了數據中心機械設備冷卻方面。雖然數據中心行業已然經歷了一系列最新冷凍水系統以及高密度的散熱等等冷卻措施改革，但大多數企業仍然沒有意識到其實大自然可以為他們解決相當一部分的冷卻問題，進而幫助他們節省一部分的冷卻費用。

空氣vs.水的冷卻效率問題

大多數傳統的數據中心依靠空氣來直接冷卻數據中心。當我們分析傳熱公式時，發現對于數據中心而言，原來較之自然空氣，水才是更有效的冷卻方式，所不同的是在數學運算方法方面，即分母：

在上面的例子中，占地面積10000平方英尺的數據中心的能耗創造了超過500萬英熱單位(British thermal unit，BTU) 的散熱。使用上圖的計算公式，假設標準的變量增量為10度，該數據中心每分鐘需要超過470000立方英尺(CFM)的空氣以冷卻其設備，但如果采用水冷卻，每分鐘只需1000加侖的水。而為了提供給該數據中心的持續冷卻，若采用空氣冷卻，該系統每分鐘需要150-200馬力來向數據中心傳輸空氣;若采用水冷卻，每分鐘只需50-90馬力來傳輸1000加侖的水，效率大約提升了462倍!如果僅僅基于每立方英尺的單位進行分析：即一立方英尺空氣對比一立方英尺的水，實際上水比空氣更有效，效率高出約3400倍。

然而，對于地下數據中心而言，還有更多的工作。在地下環境中，自然環境將帶來持續一致的大約50度的環境溫度。(所以首先，你的數據中心不需要過份依賴冷卻系統了，因為從一開始就是較為涼爽的環境溫度。然后你可以利用地下水源或含水層進一步提高效率。)

一個理想的地下數據中心環境包括含水層或石頭組成，能夠通過孔狀的玄武巖、石灰巖和砂巖的開孔排氣;而含水土層，如質地較密的頁巖和粘土將無法有效運作。在一個石灰巖的地下環境中，散熱效率可以從4%提升到500%，因為這種石頭具有天然散熱的特性。最吸引人的地方是，這種石頭可以管理能量的波動以及任何數據中心固有的能量峰值。(石灰石吸收熱量，從而進一步減少了冷卻需要)

由于水系統能夠利用含水層漏出的50度的水來冷卻數據中心，然后熱量通過冷卻，以高出約10攝氏度的水溫被水系統返回。自然環境通過能量轉移熱力學的第二定律來管理熱平衡。對于地下數據中心運營商而言，這意味著他們可以利用數據中心環境周圍巖石的導熱性工作，因此，充分掌握數據中心選址所在地的巖性和層狀地質等相關知識是非常重要的，這樣，他們就能夠隨著這方面知識和經驗的積累，持續利用自然水流和空氣濕度的性質來為數據中心提供冷卻。

當然，除了利用地下水冷卻的方法之外，還有一些其他方面的數據中心冷卻設計策略，包括良好的系統，井點系統和地埋管系統等等。眼下，在賓夕法尼亞州東部正在使用一種礦井水系統來為核反應堆所產生的數百兆瓦的熱量降溫。井點系統一般用在住宅應用方面，但這一概念如果不能解決其成本造價高昂的問題的話，就無法很好地擴展和推廣。埋地管道系統的使用相當廣泛，其需要挖掘一系列回填溝槽，采用相對良好的傳導性顆粒材料，但其超越了20-30萬千瓦，這種方法也無法很好地大規模擴展推廣。

上述每種方法各需要多少成本費用?一個地下水庫的設計花費不到500美元/噸，而精心設計的冷水系統的范圍為2,000-4,000美元/噸。其成本差異是由采用的機械造成的——在地下水庫，幾乎無需采用機械：冷卻水直接從地下抽取。而井埋管系統的花費則高達5000多美元/噸，而且這些系統也不能大規模擴展。

通過更好的了解數據中心選址所在地的自然條件，充分利用自然環境的力量和優勢，我們可以增加容量，進一步提高對地下水庫設計的有效性。通過從表面鉆一個井孔到洞穴，可以容易地結合空氣轉移機制; 任何時候其表面的空氣均處于或低于50度，冷空氣將下降到數據中心。即使沒有相關的動力或空氣處理機組，鉆出四到五英尺的鉆孔也有助于每分鐘傳輸約30,000立方英尺的冷卻空氣!而如果添加了空氣處理設備，那么傳輸的冷卻空氣可以很容易的從30000 CFM提升到100,000-200,000 CFM 。這樣，靜態地熱系統現在成為了一個動態的地熱冷卻系統，以最低的成本產生令人難以置信的冷卻能力。

在分析和預測未來的數據中心將會是什么樣時，一個反復出現的主題便是：簡單和低成本。因為企業IT部門正面臨著和首席財務官一樣的成本壓力，地下數據中心采用混合了水、空氣和巖石冷卻的方案無疑是一個越來越具有吸引力的選擇。甚至有機會能夠把這些熱能，將其轉化為可用的能量。例如，通過在發電渦輪機頂上增加鉆孔，運營商可以利用從地下數據中心上升的熱能的功率。此外，通過利用天然氣儲量，地下數據中心可能成為一個主要的能量來源，從而省去了發電機，并將潛在的提升電源使用效率。現實情況是，如果你的數據中心能夠更好的了解所在地的自然狀況，就可以充分利用其所提供的各種便利優勢，而關于自然的相關知識我們學的越多，越有助于未來數據中心的設計。