近两年,数据中心液冷技术的话题越来越热,在2018开放数据中心峰会上,就有4、5个专题是探讨液冷技术的,涉及到液冷工质,最佳实践等,并且发布了《液冷技术与应用发展白皮书》,这对于液冷技术的应用推广都起到了推进作用。
　　
　　1 概述
　　
　　(1)什么是液冷?
　　
　　液冷是指使用高比热容的液体作为热量传输的工质满足服务器等IT设备散热需求的冷却方式。液冷技术并不是最近才应用于计算机和IT领域的,在上个世纪60年代,IBM的大型计算机就采用了水冷技术。目前液冷技术主要应用于高性能计算。
　　
　　(2)液冷的主要类型有哪些?
　　
　　按照液体与发热器件的接触方式,液冷主要分为间接接触型液冷和直接接触型液冷(图1)。
　　
　　①冷板式液冷:主要发热器件固定在冷板上,依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热的目的,是典型的间接接触型液冷,由于硬盘,电源等其它发热部件依然需要风扇驱动空气来散热,因此目前采用冷板式液冷的服务器也称为气液双通道服务器。冷板式液冷技术经过几年的发展相对成熟,在近两年的开放数据中心峰会上,BAT等互联网巨头分别展示了其冷板式液冷服务器,并且,冷板式液冷服务器对于目前的数据中心的架构影响不大,具有低噪音,高能效以及低总体拥有成本的特点,可解决较高热密度的数据中心的散热问题。图2为冷板式液冷示例。
　　
　　②浸没式液冷:顾名思义是将发热元件浸没在冷却液中,依靠液体的流动循环带走IT设备运行产生的热量。浸没式液冷是典型的直接接触型液冷,目前比较流行的方式是将服务器浸没在特殊设计的箱体中,但是这一架构降低了数据中心建筑空间利用率,也有部分厂商为服务器定制设计了一个外壳,外壳将每一个服务器和冷却液包裹起来,在不改变现有数据中心部署架构的前提下,优化了空间利用率。浸没式液冷由于发热元件与冷却液直接接触,散热效率更高,相对于冷板式液冷,噪音更低(完全没有风扇),解决更高热密度和更加节能。图3为浸没式液冷示例。
　　
　　(3)冷却液的主要类型都有哪些?
　　
　　①水:主要是去离子的纯净水,水作为一种容易获得的资源广泛应用于制冷系统中。水具有较高的比热容,是一种良好的散热媒介,其价格低廉、环境友好、无污染,并且可与现有的系统兼容。但由于水并非绝缘体,只能应用于非直接接触型液冷技术中,一旦发生泄漏会对IT设备造成致命损害。
　　
　　②矿物油:矿物油是一种价格相对低廉的绝缘冷却液,单相矿物油无味无毒不易挥发,是一种环境友好型介质,但是,由于矿物油粘性较高比较容易残留,且其易分解,虽然燃点比较高,但毕竟是可燃性物质,在某些特定条件下还是具有燃烧的风险。
　　
　　③氯化钾:氟化液最初的作用是线路板清洁液,由于其绝缘且不燃的惰性特点被应用于数据中心液冷技术中,是目前应用最广泛的浸没式冷却液,但也是三种类型冷却液中价格最为昂贵的。
　　
　　(4)浸没式液冷单相和两相系统哪种比较好?
　　
　　①单相液冷:指冷却液在循环散热过程中没有发生相变,维持液态。单相液冷要求冷却液沸点高,冷却液挥发流失控制相对简单,与IT设备的元器件兼容性高,冷却介质受污染较小,但相对于两相液冷其效率较低。目前公布的浸没式液冷案例绝大部分的是采用单相液冷系统。
　　
　　②两相液冷:指冷却液在循环散热过程中发生了相变。两相液冷传热效率更高,并且无需泵体驱动流体的循环,但是冷却液挥发流失控制相对复杂,密闭的箱体虽然可以解决冷却液挥发流失的问题,但由于发生了相变导致箱体的压力发生变化,压力容器的设计生产需要严格的监管以确保使用的安全。此外冷却液介质易受污染,需要预处理和污染控制来确保系统的正常运行。
　　
　　(5)液冷技术应用于数据中心的主要驱动力有哪些?
　　
　　传统服务于高性能计算领域的液冷技术,现在越来越多的应用于数据中心,需求驱动使数据中心运行于更高的密度,以及采用比风冷技术更高效的制冷解决方案。数据中心液冷技术的应用驱动力主要体现在以下几个方面:
　　
　　2 人工智能技术的创新与发展
　　
　　最近几年,CPU的年增长率非常契合摩尔定律,包括GPU,以及FPGA(现场可编程门阵列)和ASIC(专用集成电路)也在数据中心应用领域呈现快速增长,进一步推高了数据中心IT设备的功率密度。
　　
　　“机柜的功率密度正在提升,Uptime追踪监测的大部分数据中心的机柜功率密度现在达到了10kW,甚至部分机柜的功率密度达到了30KW,并且这不是在高性能计算应用领域”Uptime Institute的Andy Lawrence如是说“液冷系统特别是浸没式液冷系统非常适合解决CPUs和GPUs的散热问题”。
　　
　　3 进一步降低数据中心的运行成本
　　
　　数据中心制冷系统的运行成本是昂贵的,尽管业界不停的创新风冷系统,从传统的机房空调到直接风侧自然冷却的AHU和间接风侧自然冷却的AHU,但是由于空气的载热能力远远低于液体,因此采用液体冷却液的液冷技术可大幅降低数据中心的能源利用率,已公布的浸没式液冷数据中心的PUE值达到1.05甚至更低。对照于风冷系统数据中心的PUE值=1.3-1.5,其能效成果非常显著。
　　
　　4 边缘计算
　　
　　并不是所有的边缘计算数据中心都会采用液冷的方式,据估算,将有超过20%的边缘计算数据中心会采用液冷技术。液冷技术由于其高效,部署对建筑物依赖度低以及静音安全等特点,可满足场地电力容量不足的条件下部署更高密度。
　　
　　5 数据中心部署液冷技术的主要阻碍有哪些?
　　
　　既然液冷技术具有风冷技术无法比拟的优点,并且市场的驱动力使得液冷技术的大规模应用具备了坚实的基础,那是不是在数据中心部署液冷技术就没有任何阻碍了呢?显然事情并不是如此简单:
　　
　　①缺乏相应的标准支持
　　
　　目前液冷技术,尤其是浸没式液冷技术在数据中心还缺乏大规模应用案例,并且缺乏相应的国家或者行业标准对于这一技术进行有效的规范。
　　
　　②数据中心的空间利用率
　　
　　目前的数据中心物理基础设施的设计是基于目前的风冷系统架构,一个简单的例子,楼体的承重,机房的层高等,浸没式液冷基于液体容器的设计,以及人员维护的便利性,必然造成空间利用率降低。
　　
　　③制冷架构颗粒度过低,造成运行与维护变得复杂
　　
　　液冷的颗粒度是机柜(箱体)级,服务器级甚至是芯片级的,比目前主流的风冷系统颗粒度过低,系统复杂而且维护也相对困难。
　　
　　④腐蚀
　　
　　在前文提到的三种常见类型的冷却液,其本身都是没有腐蚀性的,例如水,但水中的其它物质却具有腐蚀性,因此在冷板式液冷中通常采用去离子的纯水。此外,矿物油和氟化物本身也不具备腐蚀性,但由于与空气接触并被空气中的其它物质污染而具有潜在腐蚀IT设备的风险,需要预处理来避免这种情况的发生,也推高了液冷技术部署的成本。液冷技术对于现有的数据中心的制冷架构是一个巨大的挑战,同时也是巨大的机遇,随着液冷技术的不断完善,必将在数据中心制冷领域占据重要的地位。
　　
　　作者简介
　　
　　李进,施耐德电气IT事业部业务发展经理。具有数据中心制冷领域多年从业经验,历任系统工程师,产品经理和业务发展经理,致力于数据中心客户制冷需求以及前沿技术的研究,多次参与《数据中心机房空调系统技术白皮书》的编写。
　　
　　编辑：Harris