近兩年,數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的話題越來越熱,在2018開放數(shù)據(jù)中心峰會上,就有4、5個專題是探討液冷技術(shù)的,涉及到液冷工質(zhì),最佳實(shí)踐等,并且發(fā)布了《液冷技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展白皮書》,這對于液冷技術(shù)的應(yīng)用推廣都起到了推進(jìn)作用。

　　1 概述

　　(1)什么是液冷?

　　液冷是指使用高比熱容的液體作為熱量傳輸?shù)墓べ|(zhì)滿足服務(wù)器等IT設(shè)備散熱需求的冷卻方式。液冷技術(shù)并不是最近才應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和IT領(lǐng)域的,在上個世紀(jì)60年代,IBM的大型計(jì)算機(jī)就采用了水冷技術(shù)。目前液冷技術(shù)主要應(yīng)用于高性能計(jì)算。

　　(2)液冷的主要類型有哪些?

　　按照液體與發(fā)熱器件的接觸方式,液冷主要分為間接接觸型液冷和直接接觸型液冷(圖1)。

　　①冷板式液冷:主要發(fā)熱器件固定在冷板上,依靠流經(jīng)冷板的液體將熱量帶走達(dá)到散熱的目的,是典型的間接接觸型液冷,由于硬盤,電源等其它發(fā)熱部件依然需要風(fēng)扇驅(qū)動空氣來散熱,因此目前采用冷板式液冷的服務(wù)器也稱為氣液雙通道服務(wù)器。冷板式液冷技術(shù)經(jīng)過幾年的發(fā)展相對成熟,在近兩年的開放數(shù)據(jù)中心峰會上,BAT等互聯(lián)網(wǎng)巨頭分別展示了其冷板式液冷服務(wù)器,并且,冷板式液冷服務(wù)器對于目前的數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)影響不大,具有低噪音,高能效以及低總體擁有成本的特點(diǎn),可解決較高熱密度的數(shù)據(jù)中心的散熱問題。圖2為冷板式液冷示例。

　　②浸沒式液冷:顧名思義是將發(fā)熱元件浸沒在冷卻液中,依靠液體的流動循環(huán)帶走IT設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。浸沒式液冷是典型的直接接觸型液冷,目前比較流行的方式是將服務(wù)器浸沒在特殊設(shè)計(jì)的箱體中,但是這一架構(gòu)降低了數(shù)據(jù)中心建筑空間利用率,也有部分廠商為服務(wù)器定制設(shè)計(jì)了一個外殼,外殼將每一個服務(wù)器和冷卻液包裹起來,在不改變現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心部署架構(gòu)的前提下,優(yōu)化了空間利用率。浸沒式液冷由于發(fā)熱元件與冷卻液直接接觸,散熱效率更高,相對于冷板式液冷,噪音更低(完全沒有風(fēng)扇),解決更高熱密度和更加節(jié)能。圖3為浸沒式液冷示例。

　　(3)冷卻液的主要類型都有哪些?

　�、偎�:主要是去離子的純凈水,水作為一種容易獲得的資源廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中。水具有較高的比熱容,是一種良好的散熱媒介,其價格低廉、環(huán)境友好、無污染,并且可與現(xiàn)有的系統(tǒng)兼容。但由于水并非絕緣體,只能應(yīng)用于非直接接觸型液冷技術(shù)中,一旦發(fā)生泄漏會對IT設(shè)備造成致命損害。

　�、诘V物油:礦物油是一種價格相對低廉的絕緣冷卻液,單相礦物油無味無毒不易揮發(fā),是一種環(huán)境友好型介質(zhì),但是,由于礦物油粘性較高比較容易殘留,且其易分解,雖然燃點(diǎn)比較高,但畢竟是可燃性物質(zhì),在某些特定條件下還是具有燃燒的風(fēng)險。

　�、勐然�鉀:氟化液最初的作用是線路板清潔液,由于其絕緣且不燃的惰性特點(diǎn)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)中,是目前應(yīng)用最廣泛的浸沒式冷卻液,但也是三種類型冷卻液中價格最為昂貴的。

　　(4)浸沒式液冷單相和兩相系統(tǒng)哪種比較好?

　�、賳蜗嘁豪�:指冷卻液在循環(huán)散熱過程中沒有發(fā)生相變,維持液態(tài)。單相液冷要求冷卻液沸點(diǎn)高,冷卻液揮發(fā)流失控制相對簡單,與IT設(shè)備的元器件兼容性高,冷卻介質(zhì)受污染較小,但相對于兩相液冷其效率較低。目前公布的浸沒式液冷案例絕大部分的是采用單相液冷系統(tǒng)。

　�、趦上嘁豪�:指冷卻液在循環(huán)散熱過程中發(fā)生了相變。兩相液冷傳熱效率更高,并且無需泵體驅(qū)動流體的循環(huán),但是冷卻液揮發(fā)流失控制相對復(fù)雜,密閉的箱體雖然可以解決冷卻液揮發(fā)流失的問題,但由于發(fā)生了相變導(dǎo)致箱體的壓力發(fā)生變化,壓力容器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)需要嚴(yán)格的監(jiān)管以確保使用的安全。此外冷卻液介質(zhì)易受污染,需要預(yù)處理和污染控制來確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　(5)液冷技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的主要驅(qū)動力有哪些?

　　傳統(tǒng)服務(wù)于高性能計(jì)算領(lǐng)域的液冷技術(shù),現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心,需求驅(qū)動使數(shù)據(jù)中心運(yùn)行于更高的密度,以及采用比風(fēng)冷技術(shù)更高效的制冷解決方案。數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的應(yīng)用驅(qū)動力主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

　　2 人工智能技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展

　　最近幾年,CPU的年增長率非常契合摩爾定律,包括GPU,以及FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和ASIC(專用集成電路)也在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)快速增長,進(jìn)一步推高了數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的功率密度。

　　“機(jī)柜的功率密度正在提升,Uptime追蹤監(jiān)測的大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的機(jī)柜功率密度現(xiàn)在達(dá)到了10kW,甚至部分機(jī)柜的功率密度達(dá)到了30KW,并且這不是在高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域”Uptime Institute的Andy Lawrence如是說“液冷系統(tǒng)特別是浸沒式液冷系統(tǒng)非常適合解決CPUs和GPUs的散熱問題”。

　　3 進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本

　　數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運(yùn)行成本是昂貴的,盡管業(yè)界不停的創(chuàng)新風(fēng)冷系統(tǒng),從傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)到直接風(fēng)側(cè)自然冷卻的AHU和間接風(fēng)側(cè)自然冷卻的AHU,但是由于空氣的載熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體,因此采用液體冷卻液的液冷技術(shù)可大幅降低數(shù)據(jù)中心的能源利用率,已公布的浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心的PUE值達(dá)到1.05甚至更低。對照于風(fēng)冷系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的PUE值=1.3-1.5,其能效成果非常顯著。

　　4 邊緣計(jì)算

　　并不是所有的邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心都會采用液冷的方式,據(jù)估算,將有超過20%的邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心會采用液冷技術(shù)。液冷技術(shù)由于其高效,部署對建筑物依賴度低以及靜音安全等特點(diǎn),可滿足場地電力容量不足的條件下部署更高密度。

　　5 數(shù)據(jù)中心部署液冷技術(shù)的主要阻礙有哪些?

　　既然液冷技術(shù)具有風(fēng)冷技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),并且市場的驅(qū)動力使得液冷技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),那是不是在數(shù)據(jù)中心部署液冷技術(shù)就沒有任何阻礙了呢?顯然事情并不是如此簡單:

　�、偃狈ο鄳�(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)支持

　　目前液冷技術(shù),尤其是浸沒式液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心還缺乏大規(guī)模應(yīng)用案例,并且缺乏相應(yīng)的國家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對于這一技術(shù)進(jìn)行有效的規(guī)范。

　　②數(shù)據(jù)中心的空間利用率

　　目前的數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)是基于目前的風(fēng)冷系統(tǒng)架構(gòu),一個簡單的例子,樓體的承重,機(jī)房的層高等,浸沒式液冷基于液體容器的設(shè)計(jì),以及人員維護(hù)的便利性,必然造成空間利用率降低。

　　③制冷架構(gòu)顆粒度過低,造成運(yùn)行與維護(hù)變得復(fù)雜

　　液冷的顆粒度是機(jī)柜(箱體)級,服務(wù)器級甚至是芯片級的,比目前主流的風(fēng)冷系統(tǒng)顆粒度過低,系統(tǒng)復(fù)雜而且維護(hù)也相對困難。

　　④腐蝕

　　在前文提到的三種常見類型的冷卻液,其本身都是沒有腐蝕性的,例如水,但水中的其它物質(zhì)卻具有腐蝕性,因此在冷板式液冷中通常采用去離子的純水。此外,礦物油和氟化物本身也不具備腐蝕性,但由于與空氣接觸并被空氣中的其它物質(zhì)污染而具有潛在腐蝕IT設(shè)備的風(fēng)險,需要預(yù)處理來避免這種情況的發(fā)生,也推高了液冷技術(shù)部署的成本。液冷技術(shù)對于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心的制冷架構(gòu)是一個巨大的挑戰(zhàn),同時也是巨大的機(jī)遇,隨著液冷技術(shù)的不斷完善,必將在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域占據(jù)重要的地位。