立訊與中興聯(lián)合開發(fā)的單相浸沒液冷-技術(shù)白皮書

  ICC訊 隨著數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排政策越來越嚴(yán)及高功率密度數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心散熱技術(shù)倍受挑戰(zhàn)。立訊技術(shù)與中興通訊聯(lián)合開發(fā)的新一代單相浸沒液冷技術(shù)，為高性能計(jì)算環(huán)境提供了一個(gè)高效、可靠且綠色的散熱解決方案。通過將服務(wù)器硬件完全浸入到特制的非導(dǎo)電液體中，實(shí)現(xiàn)了熱量的快速、均勻傳遞;與傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)相比，這種直接熱交換方式極大地提高了散熱效率，降低了系統(tǒng)能耗。本文介紹了單相浸沒液冷技術(shù)的基礎(chǔ)原理、散熱優(yōu)勢(shì)，架構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證成果，并對(duì)該技術(shù)的未來發(fā)展前景進(jìn)行討論。

  01 發(fā)布背景

  服務(wù)器等作為算力基礎(chǔ)設(shè)施底座，由算力增長(zhǎng)帶來的能耗和散熱問題日益凸顯，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱已無法滿足數(shù)據(jù)中心的散熱需求，在雙碳政策的背景下，綠色化、低碳化成為發(fā)展趨勢(shì)，由風(fēng)冷散熱到液冷散熱，打造節(jié)能綠色算力至關(guān)重要。

  液冷技術(shù)包含冷板式液冷、浸沒式液冷、噴淋式液冷等多種形式。其中，冷板式液冷采用微通道強(qiáng)化換熱技術(shù)，散熱性能好，行業(yè)成熟度最高，目前己實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用部署。與此同時(shí)，浸沒式液冷以液體作為冷源，以絕緣冷卻液作為載冷劑，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行浸沒式冷卻，實(shí)現(xiàn)100%液體冷卻，具有更優(yōu)的節(jié)能效果。

  02 技術(shù)原理

  單相浸沒式冷卻系統(tǒng)是指將IT設(shè)備浸沒在不導(dǎo)電的冷卻液中，冷卻液在負(fù)載中吸熱后返回CDU裝置，由裝置內(nèi)液泵提升壓力，通過板式換熱器與一次側(cè)制冷劑進(jìn)行換熱，降溫后的冷卻液通過管路再進(jìn)入負(fù)載，如此循環(huán)，從而帶走負(fù)載內(nèi)熱量，保證負(fù)載在一個(gè)良好的環(huán)境下工作。

  03 技術(shù)特點(diǎn)

  通過將服務(wù)器直接浸沒于非導(dǎo)電工質(zhì)中,實(shí)現(xiàn)100%的直接液冷，高功耗器件如CPU/GPU等支持局部強(qiáng)化散熱，通過設(shè)置多個(gè)進(jìn)液口及對(duì)應(yīng)的多個(gè)冷卻子腔，降低了出現(xiàn)待冷卻設(shè)備局部溫度過高的幾率，具有均勻的冷卻效果;同時(shí)適配油基及氟化液等工質(zhì)，能夠有效解決傳統(tǒng)單相浸沒式液冷CAPEX過高的痛點(diǎn)。整體方案更加節(jié)能、高效散熱、高可靠及低CAPEX。

  · 極致節(jié)能: 100%全液冷;

  · 高效節(jié)能: PUE≤1. 09;

  · 成本效益:可兼容采用低成本油基工質(zhì);

  · 安全靜音:服務(wù)器等設(shè)備故障率下降50%。.

  應(yīng)用案例

  5.1系統(tǒng)架構(gòu)

  TANK內(nèi)部分成4個(gè)模塊，TANK 柜體、TANK 內(nèi)腔、進(jìn)出液管路、顯示模塊。單相浸沒冷卻液由外置CDU提供，循環(huán)泵作為液冷系統(tǒng)冷卻液循環(huán)的動(dòng)力源，為防止氣蝕風(fēng)險(xiǎn)，循環(huán)泵入口壓力需≥0. 1bar，冷卻液通過一分五分液器裝置流入IT設(shè)備內(nèi)，最后從從頂部流出，并帶走IT部件產(chǎn)生的熱量。

  機(jī)柜內(nèi)布置多個(gè)IT設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)高效均勻散熱，系統(tǒng)采用均流設(shè)計(jì)，機(jī)柜底部設(shè)置均流板，使得流量可均勻分配到每個(gè)IT設(shè)備內(nèi);由于IT設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要對(duì)系統(tǒng)腔體進(jìn)行流道仿真模擬，并通過改變分液器的大小和位置，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的換熱效率。

  5.2熱仿真分析

  由溫度云圖、流線圖可知:

  ●設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)分布均勻，散熱充分;

  ●合理設(shè)置導(dǎo)流塊等結(jié)構(gòu)件，可以有效調(diào)整設(shè)備內(nèi)部流量分配，從而提供更充分流量未高功耗器件散熱;

  ●本單相浸沒液冷方案設(shè)計(jì)下，整機(jī)散熱性能良好，整板溫度具備充分余量;

圖2單相浸沒液冷—熱仿真結(jié)果

  5.3均流性分析

  由于機(jī)柜內(nèi)布置多個(gè)IT設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)高效均勻散熱，TANK 機(jī)柜采用均流設(shè)計(jì)，機(jī)柜底部設(shè)置均流板，使得流量可均勻分配到每個(gè)IT設(shè)備內(nèi);經(jīng)中興通訊研發(fā)團(tuán)隊(duì)流量仿真及實(shí)測(cè)驗(yàn)證，多槽位TANK流量均流性<7%。

圖3單相浸沒液冷—均流性仿真結(jié)果

  未來發(fā)展前景

  單相浸沒式液冷技術(shù)的應(yīng)用,不僅有效解決了高密度散熱問題，而且讓數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)和冷機(jī)群控系統(tǒng)化繁為簡(jiǎn)，提高了換熱效率，節(jié)省了大量的運(yùn)維成本。展望單相浸沒液冷技術(shù)，將會(huì)朝著高節(jié)能、高散熱、高可靠、易維護(hù)等方向發(fā)展。

  1)高節(jié)能:浸沒式液冷實(shí)現(xiàn)了100%液體冷卻，節(jié)能是其最關(guān)鍵應(yīng)用價(jià)值；當(dāng)前行業(yè)內(nèi)主要通過降低泵功提升浸沒式液冷系統(tǒng)節(jié)能效果，具體包含tank流道優(yōu)化、CDU降流阻、以及集群控制和AI調(diào)控等軟硬件手段；

  2)高散熱:單相浸沒式液冷散熱能力相對(duì)較低，當(dāng)前可以通過常規(guī)散熱方案解決400W CPU散熱需求；但隨著CPU/GPU功耗的演進(jìn)，常規(guī)單相浸沒液冷散熱方案將無法滿足需求，因此行業(yè)內(nèi)正加速散熱強(qiáng)化技術(shù)的研究，進(jìn)一步提升單相浸沒液冷液冷散熱能力；

  3)易維護(hù)：區(qū)別于傳統(tǒng)風(fēng)冷服務(wù)器維護(hù)，浸沒式液冷維護(hù)過程需要將服務(wù)器從浸滿冷卻液的tank中取出，此過程中出現(xiàn)的工質(zhì)損耗、系統(tǒng)流量波動(dòng)、以及被維護(hù)服務(wù)器的液體收集等問題是當(dāng)前浸沒式液冷維護(hù)性主要研究方向；

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