液冷的前生和今世

1 、液冷技術(shù)歷史

       數(shù)據(jù)中心的液冷技術(shù)，是指使用流動(dòng)液體將計(jì)算機(jī)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量傳遞到計(jì)算機(jī)外，以保證計(jì)算機(jī)工作在安全溫度范圍內(nèi)的一種冷卻方法。這種技術(shù)主要是針對(duì)高熱流密度的場(chǎng)景，提供的一種節(jié)能先進(jìn)的冷卻方法。

       液冷技術(shù)并不是首先在數(shù)據(jù)中心行業(yè)開展起來的，其最初的應(yīng)用可以認(rèn)為是機(jī)械加工行業(yè)的冷卻潤滑液，后期又被應(yīng)用于電力變壓器冷卻，即使在目前，變壓器冷卻仍然有很多采用液冷，其冷卻液也多樣化。另外，航空航天領(lǐng)域以及電子制程中的高熱流密度冷卻場(chǎng)景也常常用到這種技術(shù)。數(shù)據(jù)中心的液冷技術(shù)是液冷技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，與電子技術(shù)的芯片冷卻方案是相關(guān)，即高熱流密度的冷卻解決方案。

       熱流密度，也稱為熱通量，是指單位時(shí)間通過單位面積的熱能，是具有方向性的矢量，其在國際單位制中的單位為W/㎡，即瓦特每平方米）。在熱流密度高的場(chǎng)景下，如何帶走大量的熱，是需要考慮各種限制條件，進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的。

液體的比熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，有利于提高傳熱效率，降低傳熱耗能。基于這個(gè)特點(diǎn)，采用液冷進(jìn)行冷卻服務(wù)器內(nèi)部的高熱流密度芯片，是可以更加節(jié)能高效的。

2 、服務(wù)器芯片產(chǎn)品的功率趨勢(shì)

       圖示了英特爾與英偉達(dá)的產(chǎn)品功耗的趨勢(shì)，該資料顯示了從2009年到2019年的數(shù)據(jù)。從此圖可以得出，無論是CPU還是GPU，處理器的功耗在10年內(nèi)翻了一番以上；而從散熱面積上看，芯片本身的面積并未有明顯增加；這就直接導(dǎo)致了熱流密度的急劇增加。

       對(duì)于英特爾，在最新的芯片產(chǎn)品中，提供了兩種芯片冷卻方式，即風(fēng)冷形式和液冷形式；這種配置對(duì)于服務(wù)器廠家的冷卻方式選擇，可以更加靈活，也更能支持服務(wù)器設(shè)備小型化，高功率配置。

從芯片的應(yīng)用來看，目前圖形處理等等技術(shù)日新月異，對(duì)于大功率處理器的需求也增長迅速；這也直接導(dǎo)致了數(shù)據(jù)中心部署大量的高功率機(jī)柜，為各種算力需求提供基礎(chǔ)條件。

       對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心，高功率機(jī)柜更加凸顯節(jié)能的重要性，采用液冷解決方案可以直接為數(shù)據(jù)中心業(yè)主降低PUE，節(jié)約大量的電費(fèi)。采用液冷技術(shù)，同時(shí)配合其他節(jié)能措施，數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)PUE可以達(dá)到1.1~1.35區(qū)間范圍。

3、 數(shù)據(jù)中心液冷應(yīng)用

       液冷應(yīng)用的形式多種多樣，許多廠家提供有自身特色的解決方案，就不一一贅述；對(duì)于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)應(yīng)用，目前有代表性的有兩種方式：浸沒式液冷與冷板式液冷；其中浸沒式液冷進(jìn)一步分為單相浸沒式與相變浸沒式。

       無論哪一種液冷，其共同的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用特點(diǎn)均為采用冷卻塔作為冷源，不設(shè)置大型冷站，避免機(jī)械制冷，用于保證全年P(guān)UE值。

浸沒液冷

       優(yōu)點(diǎn)：散熱能力強(qiáng)、低噪音、能效高、設(shè)備無防塵防腐問題；

       缺點(diǎn)：冷媒價(jià)格較高，如果為相變技術(shù)，其冷媒消耗量比較大；機(jī)柜空間有限，需要專業(yè)服務(wù)器維護(hù)方法、印刷線路板存在相似相溶風(fēng)險(xiǎn)、服務(wù)器的部分器件不能接觸冷媒（如光模塊、機(jī)械硬盤、線圈電感），影響信號(hào)傳輸。

冷板式液冷

       板式液冷優(yōu)點(diǎn)：散熱能力強(qiáng)、能效高、低噪音、空間利用率高、熱能可回收條件較好

       間接液冷缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜難度大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化不足且有盲點(diǎn)、設(shè)備成本高、壽命只有5-7年、存在凝露/泄露/腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、商用時(shí)間短安全性可靠性未充分驗(yàn)證。

4、液冷設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)

       冷卻塔可以考慮閉式塔，CDU一次側(cè)的水質(zhì)較能夠保證；從初投資的經(jīng)濟(jì)性考慮，也可以選擇開式冷卻塔；冷卻塔的供水溫度可以考慮在30度~35度范圍內(nèi)，對(duì)于我國絕大數(shù)的地區(qū)，其極端濕球溫度都可以滿足冷卻塔提供該范圍內(nèi)的出水溫度，從而避免機(jī)械制冷；對(duì)于冬季有凍結(jié)危險(xiǎn)的地區(qū)，必須考慮系統(tǒng)整體的防凍措施。

       液冷系統(tǒng)二次側(cè)的水質(zhì)要求，需要響應(yīng)CDU廠家，服務(wù)器廠家，以及冷卻液廠家的技術(shù)要求；對(duì)于一次側(cè)的水質(zhì)要求，可以參考國標(biāo)空調(diào)系統(tǒng)的水質(zhì)要求，也可以采用CDU廠家提供的技術(shù)要求；在數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)置必要的水處理設(shè)施，以滿足這些水質(zhì)要求。因?yàn)椴捎美鋮s塔，建議考慮12小時(shí)的儲(chǔ)水，用于考慮可靠性的需要。

       對(duì)于板式液冷，除了考慮液冷系統(tǒng)外，仍然需要考慮風(fēng)冷部分的冷量；該部分的設(shè)計(jì)也關(guān)系到數(shù)據(jù)中心整體的PUE，因?yàn)橐豪洳捎米匀焕鋮s帶走了大部分熱量，而剩余的熱量及系統(tǒng)設(shè)計(jì)就相對(duì)顯得對(duì)PUE影響比較大，故該系統(tǒng)也應(yīng)該考慮自然冷卻各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，用于降低整體PUE。

5、液冷技術(shù)的未來

       每一項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，都有其應(yīng)用的技術(shù)需要及經(jīng)濟(jì)性需要，只有滿足兩方面的需要，技術(shù)才可以大規(guī)模應(yīng)用并被推廣。目前，液冷技術(shù)仍然存在一些關(guān)鍵因素，需要突破與解決，比如，冷卻液的生產(chǎn)目前對(duì)于液冷技術(shù)的普及影響非常大。液冷技術(shù)應(yīng)用目的是節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，而高昂的冷卻液直接降低了液冷技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)致客戶對(duì)于該技術(shù)直接望而卻步。還有，液冷相關(guān)的上下游的技術(shù)發(fā)展，服務(wù)器生產(chǎn)廠家，芯片廠家等等的技術(shù)配套，甚至數(shù)據(jù)中心業(yè)主及基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，均需要為液冷技術(shù)提供相關(guān)條件，液冷技術(shù)在將來才可以大規(guī)模應(yīng)用，為數(shù)據(jù)中心整體的PUE降低，提供更多的可能。

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