泡澡、淋浴、冷氣片——數據中心液冷模式與應

今年7月，工信部印發(fā)的《新型數據中心發(fā)展三年行動(dòng)計劃（2021-2023年）》提出：“鼓勵應用高密度集成等高效IT設備、液冷等高效制冷系統、高壓直流等高效供配電系統、能效環(huán)境集成檢測等高效輔助系統技術(shù)產(chǎn)品”。

12月，發(fā)改委等四部門(mén)發(fā)布的《貫徹落實(shí)碳達峰碳中和目標要求推動(dòng)數據中心和 5G 等新型基礎設施綠色高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》表示“鼓勵使用高效環(huán)保制冷技術(shù)降低能耗。支持數據中心采用新型機房精密空調、液冷、機柜式模塊化、余熱綜合利用等方式建設數據中心?！?/p>

液冷是指使用液體作為冷媒，為發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量的技術(shù)?？捎美涿桨ㄋ?、礦物油、電子氟化液等。相較于空氣作為冷媒，液冷具有散熱效率更高，耗電量更低等優(yōu)勢，最早在航天、大型計算機等領(lǐng)域有應用。

20世紀后期至今，風(fēng)冷憑借成本低、部署簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，逐漸成為數據中心普遍的冷卻方式。

然而隨著(zhù)信息技術(shù)發(fā)展，受5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等應用的拉動(dòng)，數據存儲、計算需求大幅提升，數據中心的服務(wù)器單機柜密度越來(lái)越高，風(fēng)冷的散熱、能耗問(wèn)題成為數據中心發(fā)展瓶頸。液冷再度受到青睞，眾多企業(yè)展開(kāi)液冷在數據中心應用的研發(fā)，形成多種部署方式和產(chǎn)品。

目前我國數據中心液冷有哪些部署方式，應用情況如何？IDC圈帶你來(lái)看看。

冷板式液冷

冷板式液冷是一種間接冷卻方式。

在冷板式液冷系統中，液體不直接接觸發(fā)熱的器件如服務(wù)器，而是通過(guò)裝有液體的冷板導熱，然后通過(guò)液體循環(huán)帶走熱量。冷板通常采用導熱性良好的金屬如銅、鋁等制成，內盛液體。

整個(gè)冷板式液冷系統可以分為兩部分：室外側循環(huán)和室內側循環(huán)，其中室內側循環(huán)熱量轉移主要是通過(guò)冷卻液溫度的升降實(shí)現，室外側循環(huán)的熱量轉移主要通過(guò)水溫的升降實(shí)現。

典型產(chǎn)品與應用

在國內，中科曙光于2012年開(kāi)始服務(wù)器液冷探索，是國內最早開(kāi)始液冷技術(shù)研究的企業(yè)。

冷板式液冷——TC4600E-LP

2015年，國內首款標準化量產(chǎn)的冷板式液冷服務(wù)器——TC4600E-LP由曙光推出。該服務(wù)器是風(fēng)冷和液冷混合散熱模式，液冷散熱比可提高至90%以上，采用集成管理模塊設計，在整箱刀片式液冷服務(wù)器中的CPU芯片和內存上安裝固定水冷板，冷媒通過(guò)進(jìn)出口循環(huán)流動(dòng)。

同年，中科院大氣物理研究所的“地球數值模擬裝置原型系統”率先使用冷板式液冷服務(wù)器，大大提高散熱效率，也成為國內液冷服務(wù)器大規模使用的第一個(gè)公開(kāi)案例。2017年，該系統上榜當年全球高性能計算機（HPC）TOP500榜單。

發(fā)展現狀

冷板式液冷技術(shù)，服務(wù)器等發(fā)熱期間不用直接接觸液體，所以不需要對數據中心機房設備進(jìn)行重新改造，可操作性更強，因此是我國最早采用的液冷方式，成熟度較高，應用較廣泛。

目前，聯(lián)想、浪潮、新華三等IT基礎設施企業(yè)都推出了冷板式液冷的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，百度、騰訊、美團等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也對冷板式液冷進(jìn)行技術(shù)研究和試驗驗證，在冷板式液冷產(chǎn)業(yè)內形成了強勁的帶動(dòng)作用。

浸沒(méi)式液冷

浸沒(méi)式液冷為直接冷卻，將發(fā)熱器件完全浸沒(méi)在冷卻液中，發(fā)熱器件與液體直接接觸，并進(jìn)行熱交換。由于直接接觸，所以浸沒(méi)式的散熱效率較冷板式高，可支持更高功率密度的IT部署，提升能源使用效率。

按照熱交換過(guò)程中冷卻液是否存在相態(tài)變化，液冷可分為單相液冷和相變液冷兩類(lèi)。前者的冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中始終維持液態(tài)，后者冷卻液吸收熱量后沸騰形成氣體，冷凝降溫后重新變?yōu)橐簯B(tài)。

浸沒(méi)式液冷系統一般分為浸沒(méi)腔體子系統、冷卻子系統、室外冷源系統、監控系統四部分。

典型產(chǎn)品與應用情況

自2015年起，阿里巴巴對液冷技術(shù)和方案展開(kāi)研究、探索，自主研發(fā)了浸沒(méi)式液冷服務(wù)器——服務(wù)器整體浸泡在絕緣、無(wú)腐蝕性的冷卻液中，可以把服務(wù)器中CPU、內存條、芯片組、擴展卡等電子器件在運行時(shí)所產(chǎn)生的熱量均通過(guò)冷熱交換帶走。由于箱體密封，可保護IT設備免于外界環(huán)境的影響，極大提高設備可靠性。

阿里云在IDCC大會(huì )現場(chǎng)展示的液冷模塊

2020年，全球規模最大的全浸沒(méi)式液冷數據中心——阿里仁和數據中心投入運營(yíng)。浸沒(méi)式液冷的使用大大降低了冷卻能耗，該數據中心PUE只有1.09，一年可以節省上千萬(wàn)度電。

發(fā)展現狀

為了與浸沒(méi)式液冷系統兼容，數據中心的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )設備、監控乃至整體設計均需作出改變，成本較高，因此大規模應用尚屬少數。

目前，浪潮、網(wǎng)宿科技、英偉達、3M等企業(yè)也已在自身領(lǐng)域開(kāi)展了浸沒(méi)式液冷研發(fā)，并推出相關(guān)產(chǎn)品。

阿里云除在自身數據中心對浸沒(méi)式液冷進(jìn)行規?；渴鹜?，也已開(kāi)啟對外商業(yè)化輸出的腳步。在剛剛結束的第十六屆中國IDC產(chǎn)業(yè)年度大典上，阿里云發(fā)布了阿里云磐久液冷系列產(chǎn)品，其中磐久液冷一體機Immersion DC，是可以在“全球任何氣象區域部署，并且實(shí)現PUE1.09左右的一體化解決方案”。

噴淋式液冷

噴淋式液冷顧名思義，是將冷卻液直接噴淋到發(fā)熱器件表面或與發(fā)熱器件接觸的擴展表面上，液體吸熱后排走，再與外部冷源進(jìn)行熱交換。

噴淋式液冷系統包括噴淋式液冷機柜系統（含管路、布液系統、回液系統和PDU等部件）、液冷服務(wù)器、冷卻液三部分。

應用發(fā)展

噴淋式冷卻目前在數據中心的大規模應用與實(shí)踐較少。

廣東合一自主研發(fā)的噴淋液冷系統

廣東合一自主研發(fā)了“芯片級精準噴淋液冷技術(shù)”，為“國家大數據試驗場(chǎng)”提供噴淋式液冷集裝箱式數據中心以及服務(wù)器噴淋液冷化整體解決方案，整個(gè)數據中心的能效指標PUE值在1.03-1.1之間。

中國長(cháng)城于則去年推出了我國首臺國產(chǎn)化噴淋式液冷服務(wù)器。

當數據中心單機柜密度接近20KW時(shí)，風(fēng)冷散熱逐漸接近極限。液冷技術(shù)既能支撐更高計算負載，還能提供更高效的散熱、更低能耗，同時(shí)受地域氣候的限制更小，無(wú)疑更適用于當前高功率、高密度數據中心發(fā)展趨勢。

一項技術(shù)從研發(fā)、商用，到形成完整的上下游產(chǎn)業(yè)生態(tài)需要時(shí)間和過(guò)程，也需要極強的驅動(dòng)力，后者往往來(lái)源于成本或政策。曾經(jīng)的風(fēng)冷是如此，液冷亦是如此。

如今，隨著(zhù)更多企業(yè)參與液冷技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，雙碳戰略及數據中心行業(yè)多項政策要求，無(wú)疑為數據中心應用液冷等綠色技術(shù)的腳步按下了快進(jìn)鍵。

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