數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)：直抵芯片冷卻與浸沒式冷卻概述

作者：蘭洋科技????瀏覽量：8361????時間：2023年04月12日????標(biāo)簽: 液冷數(shù)據(jù)中心單相液冷兩相液冷全浸沒液冷

隨著高級分析、人工智能以及各種流程的數(shù)字化，數(shù)據(jù)中心的工作負載不斷增加，平均機架功耗大幅上升。而且，正如我們所知，隨著功率消耗的增加，需要從機架中排出的余熱也隨之增加，最終需要從空白空間中移除。

在最近，當(dāng)機架功耗高達20kW時，可以依靠基于空氣的冷卻方法來保持IT硬件安全高效地運行。但隨著一些機架開始超過30kW甚至更多時，需要使用新的冷卻方法。

這在一定程度上是由于IT硬件總體上的致密化，每一代新的CPU都在越來越小的尺寸中封裝了更多的處理能力。人工智能 (AI) 和機器學(xué)習(xí) (ML) 等工作負載需要通常通過圖形處理單元交付的浮點運算。這些GPU被設(shè)計為在完全用于特定工作負載時具有高于80°C(176°F)的正常工作溫度。

盡管功率超過20kW的機柜有基于空氣的冷卻選項，但它們通常難以有效安裝和維護，基本上超過了冷卻能力方面的收益遞減點。因此，數(shù)據(jù)中心的所有者和運營商現(xiàn)在正在謹慎地為他們的新設(shè)施項目尋求液體冷卻。

液體冷卻的簡史

IT設(shè)備的液體冷卻似乎是一項新技術(shù)，但事實并非如此。

一般來說，液體是一種很好的傳熱介質(zhì)，只需一點點化學(xué)工程，就可以精確地調(diào)整沸點和凝結(jié)點，從而使用介電流體改善傳熱。

自19世紀(jì)末以來，各種形式的液體冷卻就已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時它們被用于絕緣和冷卻超高壓變壓器。汽車行業(yè)是另一個依賴并且仍然依賴液體冷卻的生態(tài)系統(tǒng)，如典型的汽車散熱器中的水。

液冷技術(shù)進入計算機領(lǐng)域的歷史較早，當(dāng)時IBM在20世紀(jì)60年代早期發(fā)布了一系列名為System/360的企業(yè)級計算機。

360系統(tǒng)是市面上最經(jīng)久不衰的電腦系列之一。雖然最初的硬件現(xiàn)在已經(jīng)退役，但在20世紀(jì)60年代早期編寫的S/360代碼仍然可以在今天的新大型機中找到。它也是第一臺具有統(tǒng)一指令集的計算機，使得主機的升級或更改比以往任何時候都更容易。

System/360還采用了空氣和液體冷卻的混合方法進行冷卻。這計算機相當(dāng)大且安裝麻煩，但IBM開發(fā)了混合模型，以適應(yīng)增加的熱負荷。在這些系統(tǒng)中，多達50%的散熱是通過水冷式熱交換器從冷卻空氣中除去的。

今天，液冷已經(jīng)出現(xiàn)在幾乎每一臺臺式電腦上，而且這個概念本質(zhì)上保持不變。冷卻過程由三個不同的部分組成:-熱板，供應(yīng)和返回管道，以及散熱器和風(fēng)扇。

熱板本質(zhì)上是一個金屬板，覆蓋整個CPU模具，頂部有一個小的儲水池。該板被設(shè)計成盡可能導(dǎo)熱的。芯片產(chǎn)生的任何熱量都將傳遞到頂部的蓄水池。

液體在這個閉環(huán)將通過供應(yīng)和返回管道旅行到散熱器，在那里熱量將通過散熱器翅片推出PC外殼-這些翅片被風(fēng)扇主動冷卻。

消費級液冷最初只處理CPU熱量，但現(xiàn)在現(xiàn)代PC的幾乎每個組件都可以進行液冷。

這是液冷的消費級選擇——但大規(guī)模部署和企業(yè)級解決方案呢?接下來我們將在數(shù)據(jù)中心行業(yè)背景中討論這些問題。

企業(yè)級液體冷卻解決方案

在分析企業(yè)級IT硬件的液體冷卻選項時，主要有兩大類液體冷卻——直抵芯片液體冷卻（也稱為傳導(dǎo)或冷板液體冷卻）和浸沒式液體冷卻。

浸沒式液冷包括將IT硬件直接浸入充滿電子氟化液、密封且易于觸及的外殼中，電子組件產(chǎn)生的熱量直接傳遞至氟化液。相反，直抵芯片冷卻技術(shù)完全避免了氟化液與電子器件之間的直接接觸。使用管道將液體冷卻劑泵送到電子部件上的冷板上來傳遞熱量。

當(dāng)考慮到冷卻劑所經(jīng)過的相(流體處于什么狀態(tài)——液體或氣體)時，我們有五種不同類型的液體冷卻。

直抵芯片 - 單相液冷

這種冷卻方法需要將液體冷卻劑直接輸送到服務(wù)器的較熱組件，如CPU或GPU，并將冷板直接放在芯片上。電氣元件從不與冷卻劑直接接觸。

使用這種方法，仍然需要風(fēng)扇提供氣流通過服務(wù)器以帶走余熱。雖然空氣冷卻的基礎(chǔ)設(shè)施大大減少，但仍然需要正確操作這種液冷方法。

冷卻劑可以是水或介電流體，但水會導(dǎo)致停機泄漏風(fēng)險，但是，可以使用防漏系統(tǒng) (LPS)。單相是指冷卻劑不會改變狀態(tài)——即從液體變?yōu)闅怏w。

這也與前面臺式電腦示例中使用的方法相同。

直抵芯片 - 兩相液冷

兩相直接芯片液體冷卻方法與之前的單相方法類似，唯一的區(qū)別是液體冷卻劑會改變狀態(tài)——在完成冷卻回路時從氣體變?yōu)橐后w，反之亦然。這些系統(tǒng)將始終使用工程介電流體。

在排熱方面，兩相系統(tǒng)優(yōu)于單相系統(tǒng)，并且由于冷卻劑的狀態(tài)變化特性而具有較低的泄漏風(fēng)險。然而，它們確實需要額外的控制，這將增加系統(tǒng)生命周期內(nèi)的維護成本。

浸沒式液體冷卻 – IT機柜單相

這種冷卻方法使用單相介電流體并與IT組件直接接觸。服務(wù)器完全或部分浸沒在機箱內(nèi)的這種非導(dǎo)電液體中，有效地消除了所有熱源。

冷卻可以通過傳導(dǎo)被動發(fā)生或主動泵送發(fā)生。熱交換器和泵都可以在底盤內(nèi)部或側(cè)面布置中找到，熱量從液體傳遞到水回路。

這種方法也不涉及風(fēng)扇，因此其運行幾乎無聲 (0 dB)。相比之下，一些風(fēng)冷設(shè)施在數(shù)據(jù)大廳中可以達到 80 分貝以上，工人需要聽力保護才能長時間暴露在這種環(huán)境中。

浸沒式液冷 – 開放式浴缸 – 單相

這種沉浸式液體冷卻方法有時被稱為“開放式浴缸”，將IT設(shè)備完全浸沒在液體中。

從本質(zhì)上講，它是一個背面翻轉(zhuǎn)的機架，里面充滿了介電流體——服務(wù)器現(xiàn)在不是水平安裝的，而是垂直安裝的。

這些系統(tǒng)通常配備集中式電源，天然介電流體通過使用泵的熱交換器冷卻，泵可以安裝在浴缸內(nèi)部或外部，或通過對流。

浸沒式液冷 - 開放式浴缸 - 兩相

與單相一樣，在這種方法中，IT設(shè)備完全浸沒在儲罐內(nèi)垂直的流體中。但是，對于這種方法，重要的是，介電流體在加熱時必須能夠?qū)顟B(tài)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。

在這樣的系統(tǒng)中，浸沒和暴露的部分會產(chǎn)生熱量，將液體變成氣體，氣體上升到水面并凝結(jié)在線圈上，一旦足夠冷卻又變回液態(tài)，就會自然落下。

什么是介電流體？

電介質(zhì)液體在高壓應(yīng)用中用作電絕緣體，例如變壓器、電容器、高壓電纜和開關(guān)設(shè)備（即高壓開關(guān)設(shè)備）。

它們的功能是提供電絕緣，抑制電暈和電弧，并用作冷卻劑。通常，它們分為兩類，含氟化合物和碳氫化合物。

含氟流體通常具有較低的沸點，主要用于兩相浸沒冷卻。

碳氫化合物通常不用于兩相浸沒式液冷系統(tǒng)，因為大多數(shù)碳氫化合物是可燃或易燃的。因此，碳氫化合物通常僅用于單相應(yīng)用。

含氟化合物（或碳氟化合物）和碳氫化合物（例如礦物油、合成油、天然油）均可用于單相浸沒式液冷。沸點較高（高于系統(tǒng)的最高溫度）的流體對于確保流體保持液相是必要的。

在各種含氟化合物和碳氫化合物之間做出選擇時的考慮因素包括傳熱性能（隨時間推移的穩(wěn)定性和可靠性等）、IT硬件維護的難易程度、流體衛(wèi)生和更換需求、材料兼容性、電氣特性、易燃性或可燃性、環(huán)境影響、安全性等相關(guān)問題，以及儲罐或數(shù)據(jù)中心整個生命周期內(nèi)的總流體成本。

目前采用情況

雖然遠非主流，但液體冷卻將自己定位為高性能計算的冷卻解決方案。然而，其主流采用將取決于技術(shù)和芯片設(shè)計的進步。

改造現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心對于某些形式的液體冷卻來說成本很高，而浸沒式水箱的重量使其對于許多當(dāng)前的高架地板設(shè)施來說不切實際。

浸沒式液冷與傳統(tǒng)風(fēng)冷相比的優(yōu)勢

1、節(jié)能性更加極致：冷媒與發(fā)熱器件直接接觸，換熱效率更高，且可實現(xiàn)全面自然冷卻，系統(tǒng)PUE<1.05；
2、器件散熱更加均勻：采用全浸沒方式，服務(wù)器內(nèi)部溫度場更加均勻，器件可靠性更有保障；
3、無泄漏風(fēng)險：采用絕緣、環(huán)保的冷卻液體，即使發(fā)生泄露對基礎(chǔ)設(shè)施硬件和外界環(huán)境均無任何風(fēng)險；
4、噪聲更低：服務(wù)器全部元器件均可通過液冷方式散熱，內(nèi)部實現(xiàn)無風(fēng)扇設(shè)計，滿載運行噪音<45dB；
5、功率密度大幅提升：單機柜功率密度可達60kW以上。