浸沒(méi)式液冷數據中心技術(shù)發(fā)展淺析

  市場(chǎng)背景

  2021年7月，工信部印發(fā)的《新型數據中心發(fā)展三年行動(dòng)計劃(2021—2023年)》中，提出到2021年底新建大型及以上數據中心PUE降低到1.35以下;到2023年底，新建大型及以上數據中心PUE降低到1.3以下。在政策推動(dòng)下，液冷數據中心正成新的熱點(diǎn)。近年來(lái)國內外許多頭部IT企業(yè)也開(kāi)始布局液冷技術(shù)，根據相關(guān)的數據顯示，液冷數據中心每年至少可以節省30%用電量。同時(shí)，市場(chǎng)權威分析機構預計，到2026年，液冷數據中心市場(chǎng)的初始估值從2018年的14.3億美元增至1205億美元，年化復合增長(cháng)率達30.45%，液冷數據中心的正處在快速增長(cháng)的戰略機遇期。

  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(lèi)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(lèi)型。

圖1，浸沒(méi)式液冷技術(shù)分類(lèi)(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，指數級地提高液體的傳熱效率。電子部件直接浸沒(méi)在機柜中的電介質(zhì)液體中，該機柜密封但易于操作。在機柜內，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。蒸汽在機柜內的熱交換器(冷凝器)上冷凝，將熱量傳遞給在數據中心中循環(huán)流動(dòng)的設施冷卻用水。

  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。冷卻液機柜Tank內置冷卻液盤(pán)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(pán)管壁面冷凝成液體，實(shí)現熱量從電子元器到冷卻液的轉移，冷卻液在冷去液分配單元CDU內與外循環(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：

  浸沒(méi)式液冷與傳統的風(fēng)冷相比，浸沒(méi)式液體冷卻系統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，液體導熱能力是空氣的25倍——為數據中心大功率地部署提供了多種機會(huì )。同樣的數據中心空間，當數據中心的功率密度增加10倍，比如一個(gè)機架達到50KW或100KW，顯然浸沒(méi)式液體冷卻可以提供顯著(zhù)的空間和能源節約。浸沒(méi)式液冷的總體優(yōu)勢可以從以下幾點(diǎn)得到體現：

  第一，應用浸沒(méi)式液冷技術(shù)有助于實(shí)現數據中心節能。首先浸沒(méi)式液冷數據中心與傳統風(fēng)冷數據中心相比，去掉了空調系統以及對應的風(fēng)冷基礎設施，增加了循環(huán)泵，能夠節約建設成本。其次，與風(fēng)冷系統相比，液冷數據中心能節省約30%的能源，有效降低能源消耗比，可以將PUE降到1.05，滿(mǎn)足綠色數據中心的要求。

  第二，浸沒(méi)式液冷技術(shù)的高效制冷可有效提升IT設備的使用效率和穩定性。液體傳導溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，能夠實(shí)現IT設備高效制冷。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，故而能夠穩定IT設備溫度。即使IT設備突發(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 )出現過(guò)熱故障。

  第三，浸沒(méi)式液冷技術(shù)有助于實(shí)現數據中心降噪，達到靜音效果。在相同散熱條件下，液冷系統所使用的泵和冷卻液系統，沒(méi)有產(chǎn)生大量噪音的風(fēng)扇，與傳統的空調系統相比噪聲更小，通常浸沒(méi)式液冷數據中主的的噪音可以控制在50dB以下，可以達到“靜音機房”的效果。

  第四，浸沒(méi)式液冷技術(shù)有助于提高數據中心單位空間的服務(wù)器密度，大幅提升數據中心的運算效率。液冷數據中心省卻了空調系統和相應基礎設施的建設，節省了大量空間，可以容納更多的服務(wù)器。同時(shí)，液冷技術(shù)可以應對高功率密度數據中心的冷卻工作，如單機柜配電量達到50KW以上甚至未來(lái)達到150KW，液冷數據中心可以配置高密度的服務(wù)器從而使單位空間達到相較傳統機房高幾倍甚至幾十倍的運算效率。如下圖參考多冷卻方式的效率與機柜功率密度。

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

  結束語(yǔ)：

  浸沒(méi)式液冷數據中心的發(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、邊緣計算和5G等技術(shù)相結合,支持其他技術(shù)落地的同時(shí),也在實(shí)際應用中取得更好的發(fā)展，促進(jìn)全行業(yè)數字化轉型與落地。隨著(zhù)社會(huì )各個(gè)行業(yè)的數字化轉型的加速，為推動(dòng)綠色節能與可持續發(fā)展，浸沒(méi)式液冷技術(shù)基于多項技術(shù)優(yōu)勢與發(fā)展潛力，將迎來(lái)快速發(fā)展的機遇期。當然浸沒(méi)式液冷技術(shù)是對數據中心基礎設施的一種大膽的創(chuàng )新，數據中心是一個(gè)整體的系統，浸沒(méi)式液冷的應用也會(huì )對其他的子系統產(chǎn)生重大影響，比如數據中心的綜合布線(xiàn)系統，在浸沒(méi)式液冷的應用中會(huì )促使許多新的技術(shù)革新