液冷的前生和今世

1 、液冷技術歷史

       數據中心的液冷技術，是指使用流動液體將計算機內部元器件產生的熱量傳遞到計算機外，以保證計算機工作在安全溫度范圍內的一種冷卻方法。這種技術主要是針對高熱流密度的場景，提供的一種節能先進的冷卻方法。

       液冷技術并不是首先在數據中心行業開展起來的，其最初的應用可以認為是機械加工行業的冷卻潤滑液，后期又被應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，航空航天領域以及電子制程中的高熱流密度冷卻場景也常常用到這種技術。數據中心的液冷技術是液冷技術的應用發展，與電子技術的芯片冷卻方案是相關，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）。在熱流密度高的場景下，如何帶走大量的熱，是需要考慮各種限制條件，進行具體設計的。

液體的比熱遠遠大于空氣，有利于提高傳熱效率，降低傳熱耗能。基于這個特點，采用液冷進行冷卻服務器內部的高熱流密度芯片，是可以更加節能高效的。

2 、服務器芯片產品的功率趨勢

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

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

從芯片的應用來看，目前圖形處理等等技術日新月異，對于大功率處理器的需求也增長迅速；這也直接導致了數據中心部署大量的高功率機柜，為各種算力需求提供基礎條件。

       對于大型數據中心，高功率機柜更加凸顯節能的重要性，采用液冷解決方案可以直接為數據中心業主降低PUE，節約大量的電費。采用液冷技術，同時配合其他節能措施，數據中心的設計PUE可以達到1.1~1.35區間范圍。

3、 數據中心液冷應用

       液冷應用的形式多種多樣，許多廠家提供有自身特色的解決方案，就不一一贅述；對于數據中心液冷技術應用，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，其共同的數據中心應用特點均為采用冷卻塔作為冷源，不設置大型冷站，避免機械制冷，用于保證全年PUE值。

浸沒液冷

       優點：散熱能力強、低噪音、能效高、設備無防塵防腐問題；

       缺點：冷媒價格較高，如果為相變技術，其冷媒消耗量比較大；機柜空間有限，需要專業服務器維護方法、印刷線路板存在相似相溶風險、服務器的部分器件不能接觸冷媒（如光模塊、機械硬盤、線圈電感），影響信號傳輸。

冷板式液冷

       板式液冷優點：散熱能力強、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：設計復雜難度大、技術標準化不足且有盲點、設備成本高、壽命只有5-7年、存在凝露/泄露/腐蝕風險、商用時間短安全性可靠性未充分驗證。

4、液冷設計關注點

       冷卻塔可以考慮閉式塔，CDU一次側的水質較能夠保證；從初投資的經濟性考慮，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，對于我國絕大數的地區，其極端濕球溫度都可以滿足冷卻塔提供該范圍內的出水溫度，從而避免機械制冷；對于冬季有凍結危險的地區，必須考慮系統整體的防凍措施。

       液冷系統二次側的水質要求，需要響應CDU廠家，服務器廠家，以及冷卻液廠家的技術要求；對于一次側的水質要求，可以參考國標空調系統的水質要求，也可以采用CDU廠家提供的技術要求；在數據中心內設置必要的水處理設施，以滿足這些水質要求。因為采用冷卻塔，建議考慮12小時的儲水，用于考慮可靠性的需要。

       對于板式液冷，除了考慮液冷系統外，仍然需要考慮風冷部分的冷量；該部分的設計也關系到數據中心整體的PUE，因為液冷采用自然冷卻帶走了大部分熱量，而剩余的熱量及系統設計就相對顯得對PUE影響比較大，故該系統也應該考慮自然冷卻各項技術的應用，用于降低整體PUE。

5、液冷技術的未來

       每一項技術的出現，都有其應用的技術需要及經濟性需要，只有滿足兩方面的需要，技術才可以大規模應用并被推廣。目前，液冷技術仍然存在一些關鍵因素，需要突破與解決，比如，冷卻液的生產目前對于液冷技術的普及影響非常大。液冷技術應用目的是節能性和經濟性，而高昂的冷卻液直接降低了液冷技術的經濟性，導致客戶對于該技術直接望而卻步。還有，液冷相關的上下游的技術發展，服務器生產廠家，芯片廠家等等的技術配套，甚至數據中心業主及基礎設施的系統設計，均需要為液冷技術提供相關條件，液冷技術在將來才可以大規模應用，為數據中心整體的PUE降低，提供更多的可能。

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