當(dāng)前大數(shù)據(jù)與人工智能等技術(shù)正驅(qū)動著數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，這對數(shù)據(jù)信息的硬件承載者數(shù)據(jù)中心的需求和要求越來越高。隨著服務(wù)器芯片不斷升級迭代、高性能芯片需求不斷增加、服務(wù)器密集化程度越來越高，服務(wù)器的散熱問題已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。風(fēng)冷技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于芯片散熱方面，且為提高散熱能力而提高風(fēng)速所帶來的噪音問題和能耗問題也日趨嚴(yán)重。由于空氣作為冷卻工質(zhì)的傳熱性能較差，而液體的比熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，為了解決數(shù)據(jù)中心高效散熱問題，液冷解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

本文將基于新一代定制化數(shù)據(jù)中心的實(shí)踐，從常規(guī)風(fēng)冷散熱技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)引入，與大家聊聊近年來數(shù)據(jù)中心高效節(jié)能技術(shù)路線中的高頻詞—液冷技術(shù)。

數(shù)據(jù)中心中的電子信息設(shè)備運(yùn)行過程中消耗的電能絕大部分都轉(zhuǎn)換為廢熱，若機(jī)柜內(nèi)的這部分熱量無法及時轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中，機(jī)柜內(nèi)芯片和其他部件的運(yùn)行溫度將急劇升高。對于典型通用計(jì)算服務(wù)器，各元件中CPU的功耗占比最大，散熱需求也相對最大，當(dāng)機(jī)柜服務(wù)器內(nèi)的芯片溫度升高至80℃以上，無法保證芯片穩(wěn)定運(yùn)行。因此，數(shù)據(jù)中心需源源不斷提供與服務(wù)器散熱需求相匹配的冷量。當(dāng)前，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心仍然采用風(fēng)冷散熱技術(shù)冷卻芯片。

1 風(fēng)冷散熱技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)

大多數(shù)風(fēng)冷服務(wù)器包含以下主要硬件構(gòu)件：CPU、內(nèi)存、主板、網(wǎng)卡、存儲設(shè)備、電源和冷卻系統(tǒng)（風(fēng)扇+導(dǎo)流組件）等。服務(wù)器內(nèi)部通過風(fēng)扇的布局、風(fēng)道的設(shè)計(jì)、CPU散熱片的布置等熱設(shè)計(jì)來滿足其安全穩(wěn)定運(yùn)行的散熱需求?！　?/p>

機(jī)架服務(wù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

對于采用風(fēng)冷散熱服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，為保證數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備的正常運(yùn)行，需通過數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置，將IT設(shè)備持續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過機(jī)房內(nèi)的空氣和空調(diào)設(shè)備管路中的媒介（水，空氣或其他冷媒）排至室外環(huán)境，從而穩(wěn)定機(jī)房內(nèi)空氣的溫度和濕度兩個重要指標(biāo)在合理安全的范圍內(nèi)。我國目前現(xiàn)行規(guī)范《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2017）對于數(shù)據(jù)中心推薦的環(huán)境參數(shù)如下表所示?！　?/p>

由于風(fēng)冷散熱技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)和電子信息設(shè)備僅通過環(huán)境中的空氣實(shí)現(xiàn)換熱過程，IT設(shè)備和空調(diào)設(shè)備的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和日常運(yùn)維可以很方便地實(shí)現(xiàn)解耦，因此較長時間里，風(fēng)冷散熱成為主流技術(shù)路線，風(fēng)冷服務(wù)器和與之適配的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)各自不斷進(jìn)行系統(tǒng)和設(shè)備部件的迭代升級，不斷提升IT硬件能效和數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)效率。

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)可根據(jù)熱量轉(zhuǎn)移階段分為制冷冷源單元、冷量傳輸單元、末端散熱單元，不同數(shù)據(jù)中心根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、電子信息設(shè)備類型、機(jī)柜功率密度等因素選擇不同的制冷單元方案。目前常見的數(shù)據(jù)中心制冷冷源單元根據(jù)與外界環(huán)境和末端機(jī)房的熱交換媒介主要分為水冷冷水機(jī)組、風(fēng)冷冷水機(jī)組、風(fēng)冷直膨式空調(diào)機(jī)組、間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組等；冷量傳輸單元對應(yīng)可采用冷凍水管路、制冷劑冷媒管路、風(fēng)管等；末端散熱單元可采用房間級精密空調(diào)、模塊級列間空調(diào)、機(jī)柜級背板空調(diào)等?！　?/p>

常用水冷冷凍水機(jī)組系統(tǒng)示意圖

為直觀表示和對比不同數(shù)據(jù)中心的能效利用情況，一般采用數(shù)據(jù)中心電能利用效率（PUE）指標(biāo)。數(shù)據(jù)中心電能利用效率（PUE）定義為數(shù)據(jù)中心總耗電量與信息設(shè)備耗電量的比值，該數(shù)值越接近1，表示數(shù)據(jù)中心能效能級越高。GB 40879-2021《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》中將數(shù)據(jù)中心能效等級分為3級。PUE每減少0.1，若按照0.7元/千瓦時的電費(fèi)單價計(jì)算，每10MW的IT設(shè)備容量的數(shù)據(jù)中心每年運(yùn)行產(chǎn)生的電費(fèi)可節(jié)省610.3萬元?！　?/p>

以采用傳統(tǒng)的水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心為例，下圖展示各環(huán)節(jié)能耗占比情況[4]，制冷系統(tǒng)能耗占IT負(fù)載的36%，其中冷水機(jī)組的能耗又占整個制冷系統(tǒng)的50%左右。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行，最直接有效的辦法是最大化利用室外環(huán)境的免費(fèi)制冷，減少冷水機(jī)組的運(yùn)行時間。此外，還可以通過對冷卻系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)、水泵變頻、節(jié)能空調(diào)設(shè)備選型、施工工藝優(yōu)化、運(yùn)維策略動態(tài)調(diào)整等方法降低數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的能耗。但以上的優(yōu)化過程涉及的環(huán)節(jié)和因素較多，將每一環(huán)節(jié)的節(jié)能效果發(fā)揮到極致難度很大，對于運(yùn)營團(tuán)隊(duì)的能力要求較高?！　?/p>

典型數(shù)據(jù)中心設(shè)備能耗結(jié)構(gòu)

在新一代智慧節(jié)能數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中，考慮華東地區(qū)氣候情況及業(yè)務(wù)負(fù)載特點(diǎn)，冷卻主系統(tǒng)采用安全穩(wěn)定、技術(shù)較為成熟的水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)技術(shù)，部分區(qū)域制冷采用間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、高效磁懸浮氟泵系統(tǒng)，在相同氣候條件下全方位、全生命周期對比不同制冷系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。目前冷水機(jī)組系統(tǒng)、間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、高效磁懸浮氟泵系統(tǒng)均已正式交付，數(shù)據(jù)中心的能耗水平將達(dá)能效2級。

2 液冷散熱技術(shù)下的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)

2.1 什么是液冷數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)是使用流動液體將計(jì)算機(jī)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量傳遞到計(jì)算機(jī)外，以保證計(jì)算機(jī)工作在安全溫度范圍內(nèi)的一種冷卻方法。液冷技術(shù)并不是一項(xiàng)新技術(shù)，19世紀(jì)后便已出現(xiàn)各種形式的液冷應(yīng)用，例如用于絕緣、冷卻超高壓變壓器、汽車?yán)鋮s發(fā)動機(jī)等，但其大規(guī)模部署在企業(yè)級數(shù)據(jù)中心的解決方案和案例并不常見。目前，數(shù)據(jù)中心液冷解決方案根據(jù)電子信息設(shè)備與冷卻液是否直接接觸分為接觸式液冷技術(shù)和非接觸式液冷技術(shù)，接觸式液冷技術(shù)主要分為浸沒式和噴淋式液冷，非接觸式液冷技術(shù)主要為冷板式液冷?！　?/p>

數(shù)據(jù)中心液冷系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 液冷數(shù)據(jù)中心的機(jī)會與挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)作為一項(xiàng)革新性技術(shù)，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的極簡設(shè)計(jì)和極致能效，又契合了服務(wù)器芯片未來高功率的趨勢，在國家政策對于數(shù)據(jù)中心嚴(yán)苛的低能耗要求背景下，同時得到IT側(cè)和數(shù)據(jù)中心側(cè)的共同關(guān)注和支持。

對于IT設(shè)備，液冷技術(shù)很好地解決高功率芯片的散熱問題，同時帶來芯片表面溫度的大幅優(yōu)化，降低風(fēng)扇的功耗，從而提升單位功耗下算力。

對于數(shù)據(jù)中心，液冷冷卻技術(shù)由于冷卻液的進(jìn)液溫度設(shè)計(jì)可以相對較高（45℃以上），數(shù)據(jù)中心的冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可取消冷機(jī)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)全年利用自然冷源，大部分區(qū)域的數(shù)據(jù)中心可實(shí)現(xiàn)PUE低至15以下。同時，數(shù)據(jù)中心的峰值PUE的降低提升了數(shù)據(jù)中心IT產(chǎn)出，從而直接降低數(shù)據(jù)中心TCO成本。

此外隨著液冷技術(shù)的不斷升級和不同專業(yè)技術(shù)融合的不斷加深，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能手段從以前的單純提高空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能效轉(zhuǎn)向IT設(shè)備與制冷設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控，通過AI技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心全局范圍的能效最優(yōu)。

但液冷技術(shù)涉及多專業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同和融合，在真正規(guī)?；瘧?yīng)用道路上仍面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，需要業(yè)內(nèi)各方從標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)攻關(guān)、成本降低、運(yùn)營實(shí)踐等方面推動新技術(shù)的切實(shí)落地和良性發(fā)展。

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)系統(tǒng)介紹

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