【知識】液冷技術(shù)或成服務(wù)器散熱未來趨勢

《中國液冷數(shù)據(jù)中心發(fā)展白皮書》

隨著新基建大潮洶涌而來，數(shù)據(jù)中心新建和擴容的步伐逐步加快。超大型數(shù)據(jù)中心飛速發(fā)展和空間載體不足將加快單機柜功率密度的迅猛提升，預(yù)計2025年平均功率可達25kW。《白皮書》調(diào)查顯示，截至2019年底，全國在用數(shù)據(jù)中心同比增長28.6%，在建數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長30%，特別是北上廣深等一線城市增速明顯。

“雙碳”政策部署

雖然時至今日國內(nèi)大部分服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心普遍還是采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱，但隨著國家“雙碳”政策的部署落實，嚴格的PUE值限定，使得大部分風(fēng)冷服務(wù)器應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心面臨散熱技術(shù)升級改造或全面的技術(shù)替代，液冷技術(shù)已成為服務(wù)器散熱的必然趨勢。

什么是液冷數(shù)據(jù)中心

液冷數(shù)據(jù)中心有哪些優(yōu)勢

優(yōu)勢一:液冷技術(shù)的高效制冷可有效提升服務(wù)器的使用效率和穩(wěn)定性。

液體傳導(dǎo)熱能效果更好，是空氣的25倍，溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)IT設(shè)備高效制冷。

同時，由于液體的比熱容大，在吸收大量熱量后自身溫度不會產(chǎn)生明顯的變化，故而能夠定CPU溫度。即使服務(wù)器遇到突發(fā)操作，運行功率激增也不會引起CPU內(nèi)部溫度大幅升高，保障CPU在一定范圍內(nèi)進行超頻工作不會出現(xiàn)過熱故障。

優(yōu)勢二:應(yīng)用液冷技術(shù)有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能、降噪。

首先，液冷數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心相比，去掉了空調(diào)系統(tǒng)以及對應(yīng)的風(fēng)冷基礎(chǔ)設(shè)施，增加了循環(huán)泵，能夠節(jié)約建設(shè)成本。

其次，與風(fēng)冷系統(tǒng)相比，液冷數(shù)據(jù)中心能節(jié)省約30%的能源，有效降低能源消耗比，可以將PUE（數(shù)據(jù)中心能源效率的指標）降到1.05，滿足綠色數(shù)據(jù)中心的要求。

最后，在相同散熱條件下，液冷系統(tǒng)所使用的泵和冷卻液系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比噪聲更小，可達到“靜音機房”的效果。

優(yōu)勢三:應(yīng)用液冷技術(shù)有助于提高數(shù)據(jù)中心單位空間的服務(wù)器密度，大幅提升數(shù)據(jù)中心的運算效率。

液冷數(shù)據(jù)中心雖然增加了泵和冷卻液系統(tǒng)，但是省卻了空調(diào)系統(tǒng)和相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，節(jié)省了大量空間，可以容納更多的服務(wù)器。

同時，液冷技術(shù)冷卻能力優(yōu)良，足以應(yīng)對高功率密度數(shù)據(jù)中心的冷卻工作，因此液冷數(shù)據(jù)中心可以配置高密度的服務(wù)器，從而得到更高的運算效率。

優(yōu)勢四:液體冷卻服務(wù)器能夠無視海拔和地域等環(huán)境影響。

數(shù)據(jù)中心是一個電子設(shè)備密集型的場所，影響數(shù)據(jù)中心正常運行的因素有很多，其中海拔高度是很少被提及，但對數(shù)據(jù)中心影響很大的因素。

海拔越高的地區(qū)，大氣壓或空氣密度越低，導(dǎo)致空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)降低，空氣散熱能力下降。對于風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心，由于散熱能力下降，溫升增高，因此，為了保證數(shù)據(jù)中心的散熱效率，空調(diào)系統(tǒng)的溫度需要調(diào)低，而將造成更多能量的損耗。

相比空氣而言，液體比熱容不受海拔與氣壓的影響，因此高海拔地區(qū)液冷數(shù)據(jù)中心的散熱效率與低海拔地區(qū)相比無差距，仍可以保持較高的散熱效率，保證數(shù)據(jù)中心在高海拔地區(qū)的運行效率和性能。

優(yōu)勢五:液冷數(shù)據(jù)中心余熱可以創(chuàng)造經(jīng)濟價值。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備24小時不間斷運行并散發(fā)巨大的熱能。

若這些熱量直接排放到大氣中，對環(huán)境而言是一種能源浪費。液冷數(shù)據(jù)中心熱量是以液體為載體，可以直接通過熱交換接入樓宇采暖系統(tǒng)和供水系統(tǒng)，滿足附近居民的供暖、溫水供應(yīng)等需求。不僅節(jié)省了能源，也為數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造了附加價值。

浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心把計算、存儲及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基于液冷環(huán)境進行完全重構(gòu)，將IT設(shè)備浸沒在絕緣無腐蝕性的冷卻液中，熱量被冷卻液吸收后直接通過冷卻系統(tǒng)高效地傳導(dǎo)到外界，打破風(fēng)冷散熱瓶頸且實現(xiàn)PUE逼近1.0，同時密封的箱體保障IT設(shè)備不受潮濕、有害氣體、振動影響，提升設(shè)備可靠性達50%以上。

服務(wù)器液冷的解決方案

間接液冷服務(wù)器原理

（圖片來源于網(wǎng)上，侵刪）

當前數(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有直接接觸的換熱過程，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。

直接液冷服務(wù)器原理

（圖片來源于網(wǎng)上，侵刪）

快速連接器作為液冷系統(tǒng)內(nèi)的熱插拔組件，柜內(nèi)部署，泄漏影響大。

因此，可靠、安全、易維護的流體連接器對整個液冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，必須確保液體不會泄漏而導(dǎo)致電子元件損壞。

關(guān)于液冷連接器方案設(shè)計

冷板式液冷結(jié)構(gòu)部署（侵刪）

冷板式設(shè)計有關(guān)要求

使用軟管連接，一般不存在連接應(yīng)力問題，但是需要保證連接的可靠性，一般會采用“寶塔”接頭，可通過過盈連接或者增加卡箍的方式保證連接可靠性。

使用硬管連接，連接可靠性較好，但是容易出現(xiàn)連接應(yīng)力問題，需設(shè)計緩沖區(qū)來加以解決。

冷板的設(shè)計需要考慮可維護性，對于內(nèi)存等易維護部件，建議做到免工具維護冷板的對外管路接頭為快速接頭，不同的液冷系統(tǒng)，可選擇盲插接頭和非盲插接頭。冷板指標要求見下圖：

冷板的指標要求

快速連接器：五大重要特性

液冷應(yīng)用中選擇正確的快速連接器時要考慮以下五個特性：

①需滿足免工具維護的需求，可以免工具進行快速接頭的斷開和接合；

②需滿足連接與斷開中冷卻液的泄漏不影響維護過程以及對服務(wù)器和機柜不會造成不良影響；

③需滿足和冷卻液的材料兼容要求；

④需滿足發(fā)生故障并需要更換時，能方便更換的要求；

⑤需滿足液冷系統(tǒng)的阻抗要求，在指定流量范圍內(nèi)，阻抗應(yīng)盡可能低，有利于降低液冷系統(tǒng)的能耗。

（冷板、管路推薦材料）

快速接頭指標要求

目前，液冷服務(wù)器技術(shù)在我國仍處于應(yīng)用初期，產(chǎn)業(yè)鏈尚不完備、設(shè)備采購成本偏高、采購渠道少、電子元器件的兼容性低、液冷服務(wù)器專用冷卻液成本高等問題是液冷服務(wù)器尚未大規(guī)模推廣的重要原因。

但總體來看，隨著IT云建設(shè)規(guī)模、建設(shè)密度的繼續(xù)攀升，以及液冷產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的逐步成熟，對服務(wù)器計算性能、延遲、吞吐、制冷、定制化、分布式部署等方面都提出了更高要求。

未來，GPU服務(wù)器、定制化整機柜服務(wù)器、液冷服務(wù)器等新興服務(wù)器技術(shù)將快速迭代，也將為液冷連接器及相關(guān)解決方案的發(fā)展和演進帶來新的思路和選擇。