我们都熟悉摩尔定律，该定律指出集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。无论我们测量的是晶体管的增长、磁盘容量，平方反比定律的价格对比每焦耳的计算方法，或是采用任何其他测量的方法，一个不变的事实是：他们都在呈指数倍数的增长。这种增长是困扰当今数据中心的密度问题的主要原因。简单地说，更强大的计算机将产生更多的热量，进而导致每年显著的额外冷却成本的增加。
今天，一家占地面积为10，000平方英尺的数据中心每平方英尺的运行能耗成本大约为150瓦，而其建设兆瓦的成本大约为1000万美元，这取决于数据中心的选址，设计和能源成本。未来十年如果按照过去十年15%的数据增长速度持续，那么，同样规模的数据中心将耗资3700万美元每兆瓦。这些成本中有整整30%的费用花在了数据中心机械设备冷却方面。虽然数据中心行业已然经历了一系列最新冷冻水系统以及高密度的散热等等冷却措施改革，但大多数企业仍然没有意识到其实大自然可以为他们解决相当一部分的冷却问题，进而帮助他们节省一部分的冷却费用。
空气vs.水的冷却效率问题
大多数传统的数据中心依靠空气来直接冷却数据中心。当我们分析传热公式时，发现对于数据中心而言，原来较之自然空气，水才是更有效的冷却方式，所不同的是在数学运算方法方面，即分母：
在上面的例子中，占地面积10000平方英尺的数据中心的能耗创造了超过500万英热单位（British thermal unit，BTU） 的散热。使用上图的计算公式，假设标准的变量增量为10度，该数据中心每分钟需要超过470000立方英尺（CFM）的空气以冷却其设备，但如果采用水冷却，每分钟只需1000加仑的水。而为了提供给该数据中心的持续冷却，若采用空气冷却，该系统每分钟需要150-200马力来向数据中心传输空气；若采用水冷却，每分钟只需50-90马力来传输1000加仑的水，效率大约提升了462倍！如果仅仅基于每立方英尺的单位进行分析：即一立方英尺空气对比一立方英尺的水，实际上水比空气更有效，效率高出约3400倍。
地下数据中心的热力学
然而，对于地下数据中心而言，还有更多的工作。在地下环境中，自然环境将带来持续一致的大约50度的环境温度。（所以首先，你的数据中心不需要过份依赖冷却系统了，因为从一开始就是较为凉爽的环境温度。然后你可以利用地下水源或含水层进一步提高效率。）
一个理想的地下数据中心环境包括含水层或石头组成，能够通过孔状的玄武岩、石灰岩和砂岩的开孔排气；而含水土层，如质地较密的页岩和粘土将无法有效运作。在一个石灰岩的地下环境中，散热效率可以从4%提升到500%，因为这种石头具有天然散热的特性。最吸引人的地方是，这种石头可以管理能量的波动以及任何数据中心固有的能量峰值。（石灰石吸收热量，从而进一步减少了冷却需要）
由于水系统能够利用含水层漏出的50度的水来冷却数据中心，然后热量通过冷却，以高出约10摄氏度的水温被水系统返回。自然环境通过能量转移热力学的第二定律来管理热平衡。对于地下数据中心运营商而言，这意味着他们可以利用数据中心环境周围岩石的导热性工作，因此，充分掌握数据中心选址所在地的岩性和层状地质等相关知识是非常重要的，这样，他们就能够随着这方面知识和经验的积累，持续利用自然水流和空气湿度的性质来为数据中心提供冷却。
成本效率
当然，除了利用地下水冷却的方法之外，还有一些其他方面的数据中心冷却设计策略，包括良好的系统，井点系统和地埋管系统等等。眼下，在宾夕法尼亚州东部正在使用一种矿井水系统来为核反应堆所产生的数百兆瓦的热量降温。井点系统一般用在住宅应用方面，但这一概念如果不能解决其成本造价高昂的问题的话，就无法很好地扩展和推广。埋地管道系统的使用相当广泛，其需要挖掘一系列回填沟槽，采用相对良好的传导性颗粒材料，但其超越了20-30万千瓦，这种方法也无法很好地大规模扩展推广。
上述每种方法各需要多少成本费用？一个地下水库的设计花费不到500美元/吨，而精心设计的冷水系统的范围为2，000-4，000美元/吨。其成本差异是由采用的机械造成的——在地下水库，几乎无需采用机械：冷却水直接从地下抽取。而井埋管系统的花费则高达5000多美元/吨，而且这些系统也不能大规模扩展。
通过更好的了解数据中心选址所在地的自然条件，充分利用自然环境的力量和优势，我们可以增加容量，进一步提高对地下水库设计的有效性。通过从表面钻一个井孔到洞穴，可以容易地结合空气转移机制； 任何时候其表面的空气均处于或低于50度，冷空气将下降到数据中心。即使没有相关的动力或空气处理机组，钻出四到五英尺的钻孔也有助于每分钟传输约30，000立方英尺的冷却空气！而如果添加了空气处理设备，那么传输的冷却空气可以很容易的从30000 CFM提升到100，000-200，000 CFM .这样，静态地热系统现在成为了一个动态的地热冷却系统，以最低的成本产生令人难以置信的冷却能力。
展望未来的数据中心
在分析和预测未来的数据中心将会是什么样时，一个反复出现的主题便是：简单和低成本。因为企业IT部门正面临着和首席财务官一样的成本压力，地下数据中心采用混合了水、空气和岩石冷却的方案无疑是一个越来越具有吸引力的选择。甚至有机会能够把这些热能，将其转化为可用的能量。例如，通过在发电涡轮机顶上增加钻孔，运营商可以利用从地下数据中心上升的热能的功率。此外，通过利用天然气储量，地下数据中心可能成为一个主要的能量来源，从而省去了发电机，并将潜在的提升电源使用效率。现实情况是，如果你的数据中心能够更好的了解所在地的自然状况，就可以充分利用其所提供的各种便利优势，而关于自然的相关知识我们学的越多，越有助于未来数据中心的设计。