算力需求推動著數(shù)據(jù)中心功率密度不斷提升,能耗、發(fā)熱量持續(xù)攀升。同時，國家“雙碳”戰(zhàn)略的實施對于數(shù)據(jù)中心PUE提出更為嚴苛的要求，傳統(tǒng)風(fēng)冷方案已難以滿足IT設(shè)備散熱需求，液冷技術(shù)的出現(xiàn)為行業(yè)帶來了革命性、高效解決方案。

液冷技術(shù)是指使用液體取代空氣作為冷卻介質(zhì)，為服務(wù)器發(fā)熱部件進行散熱的技術(shù)。液冷技術(shù)的高效制冷效果有效提升了服務(wù)器的使用效率和穩(wěn)定性，在單位空間可以集成更多的服務(wù)器，提高數(shù)據(jù)中心運算效率，因減少或取消風(fēng)扇而兼具降噪、減少故障點的優(yōu)勢，余熱利用也可為數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造更多附加價值。

一、液冷是高密度IDC能耗優(yōu)化的技術(shù)趨勢

當(dāng)前，福建省現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模已近5萬個標準機架（2.5kw/機架），平均實測PUE（Power Usage Effectiveness，電能利用效率）為1.69，距離國家提出“2025年新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE要低于1.3”的要求還有一定差距，需要行業(yè)通過節(jié)能改造、加快市場拓展、升級迭代等多措并舉，推動行業(yè)綠色低碳化高質(zhì)量發(fā)展。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布圖

數(shù)據(jù)中心是眾所周知的行業(yè)耗能大戶，其中散熱能耗占比超40%。據(jù)賽迪研究院統(tǒng)計，43%的能耗是用于數(shù)據(jù)中心設(shè)備散熱，與數(shù)據(jù)中心設(shè)備自身能耗45%基本持平。根據(jù)中國信息通信研究院的研究，數(shù)據(jù)中心電費占數(shù)據(jù)中心TCO（整體運營支出）的60%~70%?？梢姡瑢崿F(xiàn)更高效的散熱，無論是對于數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗、減少TCO，還是推動數(shù)據(jù)中心朝著大型化、智能化方向發(fā)展都具有重大意義。

相比傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)，液冷的優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面。

一是液冷技術(shù)的高效制冷效果（液體帶走熱量是同體積空氣的3000倍，液體導(dǎo)熱能力是空氣的25倍）有效提升了服務(wù)器的使用效率、降低故障率，同時使得數(shù)據(jù)中心在單位物理空間可以部署更多的服務(wù)器，提高數(shù)據(jù)中心運算效率。

二是液冷技術(shù)的應(yīng)用，替代了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的風(fēng)扇、精密空調(diào)等風(fēng)冷基礎(chǔ)設(shè)施，相應(yīng)增加了循環(huán)泵及冷卻液系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比噪聲更小。

三是液冷技術(shù)應(yīng)用不受海拔、氣壓等地域影響，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，余熱還可以滿足附近居民的供暖、溫水供應(yīng)等需求，為數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造更多的附加價值。

因此，液冷替代風(fēng)冷是高密度數(shù)據(jù)中心演進不可或缺的散熱技術(shù)方向。

二、數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)分類

按照冷卻液與發(fā)熱器件的接觸方式，行業(yè)將液冷技術(shù)分為“間接接觸型”和“直接接觸型”兩大類。

2.1間接接觸型液冷技術(shù)

冷板式液冷是最典型的間接接觸型液冷技術(shù)。冷板式液冷系統(tǒng)中，服務(wù)器芯片等發(fā)熱器件不直接接觸冷卻液，而是通過裝配在需要冷卻的電子元器件上的冷板（通常是銅、鋁等高導(dǎo)熱金屬構(gòu)成的封閉腔體）將熱量間接傳導(dǎo)給封閉在循環(huán)管路中的冷卻液體，通過冷卻液體將熱量帶走的一種散熱方式。

冷板式液冷數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)架構(gòu)由室外（一次側(cè)）和室內(nèi)（二次側(cè)）兩部分組成，室外冷卻塔中的冷卻液通過室內(nèi)冷卻液體流量分配單元（CDU）提供冷卻液循環(huán)動力，經(jīng)冷卻液體流量分配單元（CDU）二次側(cè)輸出并與服務(wù)器中CPU、GPU、內(nèi)存等發(fā)熱量大的電子元器件導(dǎo)熱冷板直接進行熱交換，形成的熱液經(jīng)冷卻液體流量分配單元（CDU）輸出到室外冷卻塔進行冷卻后再循環(huán)。而服務(wù)器中的硬盤、電源等其他發(fā)熱量相對小一些的器件或單元還是得需要通過傳統(tǒng)風(fēng)冷方式散熱。

2.2直接接觸型液冷技術(shù)

直接接觸型液冷技術(shù)是將發(fā)熱部件直接浸沒在不導(dǎo)電的冷卻液體中，利用冷卻液體蒸發(fā)（相變）和液體的循環(huán)流動帶走熱量的一種散熱方式。

浸沒式液冷是最典型的直接接觸型液冷技術(shù)，顧名思義就是將服務(wù)器浸沒在特殊設(shè)計（或定制化設(shè)計）的箱體TANK中。浸沒式液冷由于發(fā)熱部件與冷卻液體直接接觸，相比冷板式液冷技術(shù)，浸沒式液冷散熱效率更高，噪音更低（完全沒有風(fēng)扇），更加節(jié)能。

而根據(jù)冷卻液體是否存在相態(tài)改變，浸沒式液冷還可以進一步分為“浸沒式單相液冷”和“浸沒式相變液冷”兩種。

浸沒式單相液冷。在浸沒式單相液冷中，冷卻液始終保持液體狀態(tài)，發(fā)熱部件直接浸沒在冷卻液中，熱量從發(fā)熱部件直接傳導(dǎo)到冷卻液中，循環(huán)泵將吸收了熱量的冷卻液（熱液）導(dǎo)入熱交換單元，在熱交換單元中冷卻后再循環(huán)回到箱體中為發(fā)熱部件散熱，冷卻液在循環(huán)散熱過程中始終維持液態(tài)，不發(fā)生相變。

浸沒式單相液冷技術(shù)要求冷卻液的沸點較高，以確保冷卻液（一般為礦物油、合成油、天然油等氟碳化合物和碳氫化合物）在循環(huán)散熱過程中始終保持液態(tài)，冷卻液揮發(fā)流失控制相對簡單，與IT設(shè)備的電氣兼容性較好，且不需要頻繁補充冷卻液，還可以比較方便地卸載或更換服務(wù)器組件，提高了系統(tǒng)的可維護性。目前市面上商用的浸沒式液冷應(yīng)用案例大部分是采用浸沒式單相液冷系統(tǒng)。

浸沒式相變液冷（兩相液冷）。浸沒式相變液冷的冷卻液在循環(huán)散熱過程中，不斷經(jīng)歷從液態(tài)到氣態(tài)，再從氣態(tài)回到液態(tài)的相變。IT設(shè)備完全浸沒在充滿低沸點冷卻液的密閉箱體中，冷卻液受熱沸騰變?yōu)檎羝?，蒸汽上升遇到機箱上部冷凝器而冷凝變?yōu)橐后w，繼續(xù)回到箱體內(nèi)部冷卻循環(huán)。冷凝器外接冷源進行換熱，將熱量傳遞到外界散熱并反復(fù)循環(huán)。通過冷卻液在機箱內(nèi)循環(huán)和冷凝器內(nèi)乙二醇水溶液的外循環(huán)（雙循環(huán)系統(tǒng)）實現(xiàn)高效散熱，確保服務(wù)器運行穩(wěn)定。

由于冷卻液在循環(huán)散熱過程中發(fā)生了相變，相變液冷傳熱效率更高，并且無需泵機驅(qū)動冷卻液體循環(huán)，因此浸沒式相變液冷相比冷板式液冷和浸沒式單相液冷，具有更優(yōu)的傳熱效果，可以滿足高發(fā)熱元器件對散熱的極端要求，使得服務(wù)器可以保持滿功率運行，是液冷中最節(jié)能、最高效的制冷模式。但是，由于冷卻液蒸發(fā)為氣態(tài)過程中會發(fā)生蒸汽外溢流失，浸沒式相變液冷對于冷卻液揮發(fā)流失控制更為復(fù)雜，所以對服務(wù)器箱體的密封性以及箱體的壓力有一定的要求，同時還必須考慮相變過程的氣壓變化，以及系統(tǒng)維護時可能造成維護人員吸入氣體的健康風(fēng)險。另外，冷卻液本身易受到污染，需要預(yù)處理和污染控制以確保系統(tǒng)的正常運行；浸沒式液冷對于服務(wù)器板件的維護操作有所改變等。這些都是浸沒式相變液冷技術(shù)成熟和商用化進程需要面對的挑戰(zhàn)。

本文標題：液冷是高密度IDC能耗優(yōu)化的技術(shù)趨勢

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