淺談液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心高密服務(wù)器的作用

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心高密服務(wù)器的液冷解決方案主要分兩大類，間接液冷技術(shù)與直接液冷技術(shù)，這種分類主要是基于液冷方案的室內(nèi)末端形式劃分的。

間接液冷技術(shù)是指服務(wù)器熱源與液冷劑之間沒(méi)有直接接觸的換熱過(guò)程，主要分類有冷板式與熱管式。其中冷板式根據(jù)載冷劑在換熱過(guò)程中是否發(fā)生相變分為“單相冷板式”與“相變冷板式”，熱管式根據(jù)冷凝端的散熱形式分為“兩級(jí)熱管式”、“熱管+水冷式”。目前應(yīng)用最多的是單相冷板式液冷解決方案。

圖1 兩級(jí)熱管式液冷服務(wù)器原理示意圖

圖2 熱管+水冷式液冷服務(wù)器原理示意圖

以華為的Fusionserver液冷服務(wù)器產(chǎn)品為例，采用了單相液冷板的制冷方案，單柜功率密度可以做到45kW/rack。載冷劑采用去離子水+BTA緩蝕劑，支持的最高進(jìn)水溫度達(dá)到45℃，達(dá)到了DLC標(biāo)準(zhǔn)的W4液冷等級(jí)，以北京氣候?yàn)槔ㄈ曜畲髽O端濕球溫度是31.5℃），可以通過(guò)冷卻塔實(shí)現(xiàn)全年自然冷卻，機(jī)房PUE理論上可以降至1.1。此外，由于簡(jiǎn)化了制冷系統(tǒng)，因此提高了制冷系統(tǒng)的MTBF。

單相液冷板技術(shù)就目前的應(yīng)用案例而言，還存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服務(wù)器存在高度耦合關(guān)系，通用性低，因此拉高了產(chǎn)品成本； 目前處理器上的水冷頭雖然加入了微通道、噴射等復(fù)合強(qiáng)化換熱技術(shù)，但在單位面積上的換熱能力進(jìn)一步提升，難度較大。目前聯(lián)想液冷板可以支持270W功率的CPU； 液冷板對(duì)循環(huán)冷卻介質(zhì)的要求比較高，例如冷卻介質(zhì)的PH、清潔度、Ca+、Mg+離子濃度要求等，這些參數(shù)會(huì)影響到液冷板的換熱能力、腐蝕、循環(huán)阻力等； 快插接頭的局部阻力較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

直接液冷技術(shù)是指冷卻劑與電子元器件直接接觸的換熱過(guò)程，主要分類有噴霧式、噴淋式、浸沒(méi)式三種。噴霧式是指冷卻液加壓后在噴頭噴出后霧化為粒度很小的液滴，噴淋到電子元器件表面沸騰換熱，將熱量帶走。噴淋式是利用了高速?gòu)?qiáng)制對(duì)流換熱強(qiáng)化換熱密度的特點(diǎn)，原理與噴霧式類似。浸沒(méi)式是指將電子元器件浸沒(méi)在冷卻液內(nèi)換熱，根據(jù)換熱過(guò)程是否發(fā)生相變分為單相浸沒(méi)式與相變浸沒(méi)式兩種。浸沒(méi)式液冷目前市場(chǎng)有小規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用案例。

阿里的飛天·麒麟液冷服務(wù)器一代產(chǎn)品已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，在位于張北的數(shù)據(jù)機(jī)房中做了小規(guī)模的應(yīng)用。該液冷方案目標(biāo)做到單柜功率密度100kW/rack，采用了3M公司的FC-72氟化液，沸點(diǎn)溫度是56℃，屬于相變浸沒(méi)式冷卻范疇。Tank內(nèi)置冷卻液盤管，與電子元器件吸熱沸騰汽化后，氣態(tài)氟化液在冷卻液盤管壁面冷凝成液體，實(shí)現(xiàn)熱量從電子元器到冷卻液的轉(zhuǎn)移，冷卻液在CDU內(nèi)與外循環(huán)的冷卻水通過(guò)板式換熱器換熱后，熱量最終通過(guò)室外的冷卻塔散到環(huán)境中去。目前，冷卻液的進(jìn)口溫度是30℃，在后續(xù)的優(yōu)化產(chǎn)品中可以進(jìn)一步提高進(jìn)水溫度，從而實(shí)現(xiàn)全年自然冷卻的目的。

阿里飛天·麒麟液冷服務(wù)器液冷方案原理示意圖

浸沒(méi)式液冷技術(shù)就目前的應(yīng)用案例來(lái)講，還處在如下幾個(gè)問(wèn)題：

容器的氣密性設(shè)計(jì)問(wèn)題。因?yàn)槿萜鲀?nèi)的氟化液與電子元器的換熱強(qiáng)度取決于電子元器件的負(fù)載率，當(dāng)負(fù)載率波動(dòng)比較大時(shí)，單位時(shí)間汽化的氟化液波動(dòng)變大，進(jìn)而導(dǎo)致容器內(nèi)的壓力波動(dòng)； 維護(hù)過(guò)程的氟化液逃逸問(wèn)題。因?yàn)槭窍嘧兘](méi)式換熱，當(dāng)需要更換或維護(hù)容器內(nèi)的某個(gè)IT設(shè)備時(shí)，由于其他的設(shè)備業(yè)務(wù)還在運(yùn)行，因此插拔IT設(shè)備過(guò)程中會(huì)有大量的氟化液逃逸出來(lái)。就FC-72而言，該氟化液屬于溫室氣體，且結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，意味著逃逸出來(lái)的氟化液將長(zhǎng)期存在與大氣環(huán)境中，很難分解； 電子氟化液的成本高。目前生產(chǎn)適合浸沒(méi)式液冷氟化液的廠家較少，主要集中在3M公司，殼牌等跨國(guó)企業(yè)，因此短期內(nèi)成本很難降低。

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