浸沒式液冷數據中心技術發(fā)展淺析

  市場背景

  2021年7月，工信部印發(fā)的《新型數據中心發(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據中心PUE降低到1.35以下;到2023年底，新建大型及以上數據中心PUE降低到1.3以下。在政策推動下，液冷數據中心正成新的熱點。近年來國內外許多頭部IT企業(yè)也開始布局液冷技術，根據相關的數據顯示，液冷數據中心每年至少可以節(jié)省30%用電量。同時，市場權威分析機構預計，到2026年，液冷數據中心市場的初始估值從2018年的14.3億美元增至1205億美元，年化復合增長率達30.45%，液冷數據中心的正處在快速增長的戰(zhàn)略機遇期。

  浸沒式液冷技術定義與原理

  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，將IT設備或者服務器產生的熱量帶走，使之冷卻。目前液冷技術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。浸沒式液冷技術是一種以液體作為傳熱介質,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。根據介質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液體中，該機柜密封但易于操作。在機柜內，熱量從電子部件傳遞到氟化液中，并引起液體沸騰產生蒸汽。蒸汽在機柜內的熱交換器(冷凝器)上冷凝，將熱量傳遞給在數據中心中循環(huán)流動的設施冷卻用水。

  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，實現熱量從電子元器到冷卻液的轉移，冷卻液在冷去液分配單元CDU內與外循環(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

  浸沒式液冷技術特點與優(yōu)勢：

  浸沒式液冷與傳統的風冷相比，浸沒式液體冷卻系統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，液體導熱能力是空氣的25倍——為數據中心大功率地部署提供了多種機會。同樣的數據中心空間，當數據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：

  第一，應用浸沒式液冷技術有助于實現數據中心節(jié)能。首先浸沒式液冷數據中心與傳統風冷數據中心相比，去掉了空調系統以及對應的風冷基礎設施，增加了循環(huán)泵，能夠節(jié)約建設成本。其次，與風冷系統相比，液冷數據中心能節(jié)省約30%的能源，有效降低能源消耗比，可以將PUE降到1.05，滿足綠色數據中心的要求。

  第二，浸沒式液冷技術的高效制冷可有效提升IT設備的使用效率和穩(wěn)定性。液體傳導溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，能夠實現IT設備高效制冷。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生明顯的變化，故而能夠穩(wěn)定IT設備溫度。即使IT設備突發(fā)處于高峰狀態(tài)，浸沒式液冷也能保障服務器不會出現過熱故障。

  第三，浸沒式液冷技術有助于實現數據中心降噪，達到靜音效果。在相同散熱條件下，液冷系統所使用的泵和冷卻液系統，沒有產生大量噪音的風扇，與傳統的空調系統相比噪聲更小，通常浸沒式液冷數據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，浸沒式液冷技術有助于提高數據中心單位空間的服務器密度，大幅提升數據中心的運算效率。液冷數據中心省卻了空調系統和相應基礎設施的建設，節(jié)省了大量空間，可以容納更多的服務器。同時，液冷技術可以應對高功率密度數據中心的冷卻工作，如單機柜配電量達到50KW以上甚至未來達到150KW，液冷數據中心可以配置高密度的服務器從而使單位空間達到相較傳統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)

  結束語：

  浸沒式液冷數據中心的發(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等技術相結合,支持其他技術落地的同時,也在實際應用中取得更好的發(fā)展，促進全行業(yè)數字化轉型與落地。隨著社會各個行業(yè)的數字化轉型的加速，為推動綠色節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展，浸沒式液冷技術基于多項技術優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿?，將迎來快速發(fā)展的機遇期。當然浸沒式液冷技術是對數據中心基礎設施的一種大膽的創(chuàng)新，數據中心是一個整體的系統，浸沒式液冷的應用也會對其他的子系統產生重大影響，比如數據中心的綜合布線系統，在浸沒式液冷的應用中會促使許多新的技術革新