浸沒(méi)式液冷數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展淺析

  市場(chǎng)背景

  2021年7月，工信部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023年)》中，提出到2021年底新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.35以下;到2023年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.3以下。在政策推動(dòng)下，液冷數(shù)據(jù)中心正成新的熱點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多頭部IT企業(yè)也開始布局液冷技術(shù)，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，液冷數(shù)據(jù)中心每年至少可以節(jié)省30%用電量。同時(shí)，市場(chǎng)權(quán)威分析機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2026年，液冷數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的初始估值從2018年的14.3億美元增至1205億美元，年化復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)30.45%，液冷數(shù)據(jù)中心的正處在快速增長(zhǎng)的戰(zhàn)略機(jī)遇期。

  浸沒(méi)式液冷技術(shù)定義與原理

  所謂的液冷，并不是單純指的水。指的是把高比熱容的液體作為傳輸介質(zhì)，將IT設(shè)備或者服務(wù)器產(chǎn)生的熱量帶走，使之冷卻。目前液冷技術(shù)主要有三種部署方式，分別是浸沒(méi)、冷板、噴淋三類方式。本文將主要探討浸沒(méi)式液冷技術(shù)。浸沒(méi)式液冷技術(shù)是一種以液體作為傳熱介質(zhì),發(fā)熱器件浸沒(méi)于液體中,通過(guò)直接接觸進(jìn)行熱交換的冷卻技術(shù)。根據(jù)介質(zhì)是否存在相變化分為單相浸沒(méi)和二相浸沒(méi)二種類型。

圖1，浸沒(méi)式液冷技術(shù)分類(原圖來(lái)自于3M)

  單相浸沒(méi)式液冷原理：在單相浸沒(méi)式液冷中，電子氟化液保持液相。電子部件直接浸沒(méi)在電介質(zhì)特性的氟化液中，而液體置于密封但便于操作的機(jī)柜里，熱量從電子部件傳遞到液體，一般再使用循環(huán)泵將經(jīng)過(guò)加熱的電子氟化液循環(huán)到熱交換器。在熱交換器中冷卻并回到機(jī)柜中。

  兩相浸沒(méi)式液冷原理：在兩相浸沒(méi)式液冷中，通過(guò)電子氟化液的沸騰及冷凝過(guò)程，指數(shù)級(jí)地提高液體的傳熱效率。電子部件直接浸沒(méi)在機(jī)柜中的電介質(zhì)液體中，該機(jī)柜密封但易于操作。在機(jī)柜內(nèi)，熱量從電子部件傳遞到氟化液中，并引起液體沸騰產(chǎn)生蒸汽。蒸汽在機(jī)柜內(nèi)的熱交換器(冷凝器)上冷凝，將熱量傳遞給在數(shù)據(jù)中心中循環(huán)流動(dòng)的設(shè)施冷卻用水。

  以下以一個(gè)二相浸沒(méi)式冷卻的模型為例，采用的是3M公司的氟化液，沸點(diǎn)溫度。冷卻液機(jī)柜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，冷卻液在冷去液分配單元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。

圖2，二相浸沒(méi)式液冷工作原理

  浸沒(méi)式液冷技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：

  浸沒(méi)式液冷與傳統(tǒng)的風(fēng)冷相比，浸沒(méi)式液體冷卻系統(tǒng)提供了更大的散熱能力——同體積液體帶走熱量是同體積空氣的近3000倍，液體導(dǎo)熱能力是空氣的25倍——為數(shù)據(jù)中心大功率地部署提供了多種機(jī)會(huì)。同樣的數(shù)據(jù)中心空間，當(dāng)數(shù)據(jù)中心的功率密度增加10倍，比如一個(gè)機(jī)架達(dá)到50KW或100KW，顯然浸沒(méi)式液體冷卻可以提供顯著的空間和能源節(jié)約。浸沒(méi)式液冷的總體優(yōu)勢(shì)可以從以下幾點(diǎn)得到體現(xiàn)：

  第一，應(yīng)用浸沒(méi)式液冷技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能。首先浸沒(méi)式液冷數(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(duì)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降到1.05，滿足綠色數(shù)據(jù)中心的要求。

  第二，浸沒(méi)式液冷技術(shù)的高效制冷可有效提升IT設(shè)備的使用效率和穩(wěn)定性。液體傳導(dǎo)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(shí)，由于液體的比熱容大，在吸收大量熱量后自身溫度不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，故而能夠穩(wěn)定IT設(shè)備溫度。即使IT設(shè)備突發(fā)處于高峰狀態(tài)，浸沒(méi)式液冷也能保障服務(wù)器不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱故障。

  第三，浸沒(méi)式液冷技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心降噪，達(dá)到靜音效果。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)，沒(méi)有產(chǎn)生大量噪音的風(fēng)扇，與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比噪聲更小，通常浸沒(méi)式液冷數(shù)據(jù)中主的的噪音可以控制在50dB以下，可以達(dá)到“靜音機(jī)房”的效果。

  第四，浸沒(méi)式液冷技術(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(yùn)算效率。液冷數(shù)據(jù)中心省卻了空調(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(shí)，液冷技術(shù)可以應(yīng)對(duì)高功率密度數(shù)據(jù)中心的冷卻工作，如單機(jī)柜配電量達(dá)到50KW以上甚至未來(lái)達(dá)到150KW，液冷數(shù)據(jù)中心可以配置高密度的服務(wù)器從而使單位空間達(dá)到相較傳統(tǒng)機(jī)房高幾倍甚至幾十倍的運(yùn)算效率。如下圖參考多冷卻方式的效率與機(jī)柜功率密度。

上圖來(lái)源 “Immersion Cooling for Green Computing”(Fangzhi, Director at Alibaba)

  結(jié)束語(yǔ)：

  浸沒(méi)式液冷數(shù)據(jù)中心的發(fā)展不僅會(huì)縱向滲透到不同行業(yè),也會(huì)橫向與人工智能、邊緣計(jì)算和5G等技術(shù)相結(jié)合,支持其他技術(shù)落地的同時(shí),也在實(shí)際應(yīng)用中取得更好的發(fā)展，促進(jìn)全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與落地。隨著社會(huì)各個(gè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，為推動(dòng)綠色節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展，浸沒(méi)式液冷技術(shù)基于多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展?jié)摿Γ瑢⒂瓉?lái)快速發(fā)展的機(jī)遇期。當(dāng)然浸沒(méi)式液冷技術(shù)是對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的一種大膽的創(chuàng)新，數(shù)據(jù)中心是一個(gè)整體的系統(tǒng)，浸沒(méi)式液冷的應(yīng)用也會(huì)對(duì)其他的子系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，比如數(shù)據(jù)中心的綜合布線系統(tǒng)，在浸沒(méi)式液冷的應(yīng)用中會(huì)促使許多新的技術(shù)革新