浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展淺析

  市場背景

  2021年7月，工信部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃(2021—2023年)》中，提出到2021年底新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.35以下;到2023年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.3以下。在政策推動下，液冷數(shù)據(jù)中心正成新的熱點。近年來國內(nèi)外許多頭部IT企業(yè)也開始布局液冷技術(shù)，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，液冷數(shù)據(jù)中心每年至少可以節(jié)省30%用電量。同時，市場權(quán)威分析機構(gòu)預(yù)計，到2026年，液冷數(shù)據(jù)中心市場的初始估值從2018年的14.3億美元增至1205億美元，年化復(fù)合增長率達30.45%，液冷數(shù)據(jù)中心的正處在快速增長的戰(zhàn)略機遇期。

  浸沒式液冷技術(shù)定義與原理

  所謂的液冷，并不是單純指的水。指的是把高比熱容的液體作為傳輸介質(zhì)，將IT設(shè)備或者服務(wù)器產(chǎn)生的熱量帶走，使之冷卻。目前液冷技術(shù)主要有三種部署方式，分別是浸沒、冷板、噴淋三類方式。本文將主要探討浸沒式液冷技術(shù)。浸沒式液冷技術(shù)是一種以液體作為傳熱介質(zhì),發(fā)熱器件浸沒于液體中,通過直接接觸進行熱交換的冷卻技術(shù)。根據(jù)介質(zhì)是否存在相變化分為單相浸沒和二相浸沒二種類型。

圖1，浸沒式液冷技術(shù)分類(原圖來自于3M)

  單相浸沒式液冷原理：在單相浸沒式液冷中，電子氟化液保持液相。電子部件直接浸沒在電介質(zhì)特性的氟化液中，而液體置于密封但便于操作的機柜里，熱量從電子部件傳遞到液體，一般再使用循環(huán)泵將經(jīng)過加熱的電子氟化液循環(huán)到熱交換器。在熱交換器中冷卻并回到機柜中。

  兩相浸沒式液冷原理：在兩相浸沒式液冷中，通過電子氟化液的沸騰及冷凝過程，指數(shù)級地提高液體的傳熱效率。電子部件直接浸沒在機柜中的電介質(zhì)液體中，該機柜密封但易于操作。在機柜內(nèi)，熱量從電子部件傳遞到氟化液中，并引起液體沸騰產(chǎn)生蒸汽。蒸汽在機柜內(nèi)的熱交換器(冷凝器)上冷凝，將熱量傳遞給在數(shù)據(jù)中心中循環(huán)流動的設(shè)施冷卻用水。

  以下以一個二相浸沒式冷卻的模型為例，采用的是3M公司的氟化液，沸點溫度。冷卻液機柜Tank內(nèi)置冷卻液盤管，與電子元器件吸熱沸騰汽化后，氣態(tài)氟化液在冷卻液盤管壁面冷凝成液體，實現(xiàn)熱量從電子元器到冷卻液的轉(zhuǎn)移，冷卻液在冷去液分配單元CDU內(nèi)與外循環(huán)的冷卻水通過板式換熱器換熱后，熱量最終通過室外的冷卻塔散到環(huán)境中去。

圖2，二相浸沒式液冷工作原理

  浸沒式液冷技術(shù)特點與優(yōu)勢：

  浸沒式液冷與傳統(tǒng)的風(fēng)冷相比，浸沒式液體冷卻系統(tǒng)提供了更大的散熱能力——同體積液體帶走熱量是同體積空氣的近3000倍，液體導(dǎo)熱能力是空氣的25倍——為數(shù)據(jù)中心大功率地部署提供了多種機會。同樣的數(shù)據(jù)中心空間，當(dāng)數(shù)據(jù)中心的功率密度增加10倍，比如一個機架達到50KW或100KW，顯然浸沒式液體冷卻可以提供顯著的空間和能源節(jié)約。浸沒式液冷的總體優(yōu)勢可以從以下幾點得到體現(xiàn)：

  第一，應(yīng)用浸沒式液冷技術(shù)有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能。首先浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心相比，去掉了空調(diào)系統(tǒng)以及對應(yīng)的風(fēng)冷基礎(chǔ)設(shè)施，增加了循環(huán)泵，能夠節(jié)約建設(shè)成本。其次，與風(fēng)冷系統(tǒng)相比，液冷數(shù)據(jù)中心能節(jié)省約30%的能源，有效降低能源消耗比，可以將PUE降到1.05，滿足綠色數(shù)據(jù)中心的要求。

  第二，浸沒式液冷技術(shù)的高效制冷可有效提升IT設(shè)備的使用效率和穩(wěn)定性。液體傳導(dǎo)溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)IT設(shè)備高效制冷。同時，由于液體的比熱容大，在吸收大量熱量后自身溫度不會產(chǎn)生明顯的變化，故而能夠穩(wěn)定IT設(shè)備溫度。即使IT設(shè)備突發(fā)處于高峰狀態(tài)，浸沒式液冷也能保障服務(wù)器不會出現(xiàn)過熱故障。

  第三，浸沒式液冷技術(shù)有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心降噪，達到靜音效果。在相同散熱條件下，液冷系統(tǒng)所使用的泵和冷卻液系統(tǒng)，沒有產(chǎn)生大量噪音的風(fēng)扇，與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比噪聲更小，通常浸沒式液冷數(shù)據(jù)中主的的噪音可以控制在50dB以下，可以達到“靜音機房”的效果。

  第四，浸沒式液冷技術(shù)有助于提高數(shù)據(jù)中心單位空間的服務(wù)器密度，大幅提升數(shù)據(jù)中心的運算效率。液冷數(shù)據(jù)中心省卻了空調(diào)系統(tǒng)和相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，節(jié)省了大量空間，可以容納更多的服務(wù)器。同時，液冷技術(shù)可以應(yīng)對高功率密度數(shù)據(jù)中心的冷卻工作，如單機柜配電量達到50KW以上甚至未來達到150KW，液冷數(shù)據(jù)中心可以配置高密度的服務(wù)器從而使單位空間達到相較傳統(tǒng)機房高幾倍甚至幾十倍的運算效率。如下圖參考多冷卻方式的效率與機柜功率密度。

上圖來源 “Immersion Cooling for Green Computing”(Fangzhi, Director at Alibaba)

  結(jié)束語：

  浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心的發(fā)展不僅會縱向滲透到不同行業(yè),也會橫向與人工智能、邊緣計算和5G等技術(shù)相結(jié)合,支持其他技術(shù)落地的同時,也在實際應(yīng)用中取得更好的發(fā)展，促進全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與落地。隨著社會各個行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，為推動綠色節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展，浸沒式液冷技術(shù)基于多項技術(shù)優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿?，將迎來快速發(fā)展的機遇期。當(dāng)然浸沒式液冷技術(shù)是對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的一種大膽的創(chuàng)新，數(shù)據(jù)中心是一個整體的系統(tǒng)，浸沒式液冷的應(yīng)用也會對其他的子系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，比如數(shù)據(jù)中心的綜合布線系統(tǒng)，在浸沒式液冷的應(yīng)用中會促使許多新的技術(shù)革新