服務(wù)器液冷的未來發(fā)展趨勢

　　《中國液冷數(shù)據(jù)中心發(fā)展白皮書》

　　隨著新基建大潮洶涌而來，數(shù)據(jù)中心新建和擴(kuò)容的步伐逐步加快。超大型數(shù)據(jù)中心飛速發(fā)展和空間載體不足將加快單機(jī)柜功率密度的迅猛提升，預(yù)計(jì)2025年平均功率可達(dá)25kW?！栋灼氛{(diào)查顯示，截至2019年底，全國在用數(shù)據(jù)中心同比增長28.6\%，在建數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長30\%，特別是北上廣深等一線城市增速明顯。

　　“雙碳”政策部署

　　雖然時(shí)至今日國內(nèi)大部分服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心普遍還是采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱，但隨著國家“雙碳”政策的部署落實(shí)，嚴(yán)格的PUE值限定，使得大部分風(fēng)冷服務(wù)器應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心面臨散熱技術(shù)升級(jí)改造或全面的技術(shù)替代，液冷技術(shù)已成為服務(wù)器散熱的必然趨勢。

　　什么是液冷數(shù)據(jù)中心

　　液冷數(shù)據(jù)中心是指應(yīng)用液冷技術(shù)和液冷服務(wù)器等設(shè)備的數(shù)據(jù)中心，與傳統(tǒng)風(fēng)冷服務(wù)器相比，液冷服務(wù)器的熱量導(dǎo)出方式不同。液冷是指使用液體取代空氣作為冷媒，為發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量的技術(shù)。液冷服務(wù)器是指將液體注入服務(wù)器，通過冷熱交換帶走服務(wù)器熱量的一種服務(wù)器。一般來說，行業(yè)將液冷分為直接冷卻和間接冷卻。目前直接冷卻以浸沒式液冷技術(shù)為主，同時(shí)可分為相變和非相變兩種，間接冷卻以冷板式液冷技術(shù)為主。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(jìn)行熱交換的冷卻技術(shù)。

　　液冷數(shù)據(jù)中心有哪些優(yōu)勢?

　　優(yōu)勢一:液冷技術(shù)的高效制冷可有效提升服務(wù)器的使用效率和穩(wěn)定性。

　　液體傳導(dǎo)熱能效果更好，是空氣的25倍，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(shí)，由于液體的比熱容大，在吸收大量熱量后自身溫度不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，故而能夠定CPU溫度。即使服務(wù)器遇到突發(fā)操作，運(yùn)行功率激增也不會(huì)引起CPU內(nèi)部溫度大幅升高，保障CPU在一定范圍內(nèi)進(jìn)行超頻工作不會(huì)出現(xiàn)過熱故障。

　　優(yōu)勢二:應(yīng)用液冷技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能、降噪。

　　首先，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(duì)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(數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo))降到1.05，滿足綠色數(shù)據(jù)中心的要求。

　　最后，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)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比噪聲更小，可達(dá)到“靜音機(jī)房”的效果。

　　優(yōu)勢三:應(yīng)用液冷技術(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(yùn)算效率。

　　液冷數(shù)據(jù)中心雖然增加了泵和冷卻液系統(tǒng)，但是省卻了空調(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(shí)，液冷技術(shù)冷卻能力優(yōu)良，足以應(yīng)對(duì)高功率密度數(shù)據(jù)中心的冷卻工作，因此液冷數(shù)據(jù)中心可以配置高密度的服務(wù)器，從而得到更高的運(yùn)算效率。

　　優(yōu)勢四:液體冷卻服務(wù)器能夠無視海拔和地域等環(huán)境影響。

　　數(shù)據(jù)中心是一個(gè)電子設(shè)備密集型的場所，影響數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的因素有很多，其中海拔高度是很少被提及，但對(duì)數(shù)據(jù)中心影響很大的因素。

　　海拔越高的地區(qū)，大氣壓或空氣密度越低，導(dǎo)致空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)降低，空氣散熱能力下降。對(duì)于風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心，由于散熱能力下降，溫升增高，因此，為了保證數(shù)據(jù)中心的散熱效率，空調(diào)系統(tǒng)的溫度需要調(diào)低，而將造成更多能量的損耗。

　　相比空氣而言，液體比熱容不受海拔與氣壓的影響，因此高海拔地區(qū)液冷數(shù)據(jù)中心的散熱效率與低海拔地區(qū)相比無差距，仍可以保持較高的散熱效率，保證數(shù)據(jù)中心在高海拔地區(qū)的運(yùn)行效率和性能。

　　優(yōu)勢五:液冷數(shù)據(jù)中心余熱可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備24小時(shí)不間斷運(yùn)行并散發(fā)巨大的熱能。

　　若這些熱量直接排放到大氣中，對(duì)環(huán)境而言是一種能源浪費(fèi)。液冷數(shù)據(jù)中心熱量是以液體為載體，可以直接通過熱交換接入樓宇采暖系統(tǒng)和供水系統(tǒng)，滿足附近居民的供暖、溫水供應(yīng)等需求。不僅節(jié)省了能源，也為數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造了附加價(jià)值。浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心把計(jì)算、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基于液冷環(huán)境進(jìn)行完全重構(gòu)，將IT設(shè)備浸沒在絕緣無腐蝕性的冷卻液中，熱量被冷卻液吸收后直接通過冷卻系統(tǒng)高效地傳導(dǎo)到外界，打破風(fēng)冷散熱瓶頸且實(shí)現(xiàn)PUE逼近1.0，同時(shí)密封的箱體保障IT設(shè)備不受潮濕、有害氣體、振動(dòng)影響，提升設(shè)備可靠性達(dá)50\%以上。

　　服務(wù)器液冷的解決方案

　　間接液冷服務(wù)器原理(圖片來源于網(wǎng)上，侵刪)

　　當(dāng)前數(shù)據(jù)中心高密服務(wù)器的液冷解決方案主要分兩大類，間接液冷技術(shù)與直接液冷技術(shù)，這種分類主要是基于液冷方案的室內(nèi)末端形式劃分的。

　　間接液冷技術(shù)是指服務(wù)器熱源與液冷劑之間沒有直接接觸的換熱過程，主要分類有冷板式與熱管式。

　　其中冷板式根據(jù)載冷劑在換熱過程中是否發(fā)生相變分為“單相冷板式”與“相變冷板式”，熱管式根據(jù)冷凝端的散熱形式分為“兩級(jí)熱管式”、“熱管+水冷式”。目前應(yīng)用最多的是單相冷板式液冷解決方案。

　　直接液冷服務(wù)器原理(圖片來源于網(wǎng)上，侵刪)

　　快速連接器作為液冷系統(tǒng)內(nèi)的熱插拔組件，柜內(nèi)部署，泄漏影響大。

　　因此，可靠、安全、易維護(hù)的流體連接器對(duì)整個(gè)液冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，必須確保液體不會(huì)泄漏而導(dǎo)致電子元件損壞。關(guān)于液冷連接器方案設(shè)計(jì)

　　冷板式液冷結(jié)構(gòu)部署(侵刪)

　　冷板式設(shè)計(jì)有關(guān)要求使用軟管連接，一般不存在連接應(yīng)力問題，但是需要保證連接的可靠性，一般會(huì)采用“寶塔”接頭，可通過過盈連接或者增加卡箍的方式保證連接可靠性。

　　使用硬管連接，連接可靠性較好，但是容易出現(xiàn)連接應(yīng)力問題，需設(shè)計(jì)緩沖區(qū)來加以解決。

　　冷板的設(shè)計(jì)需要考慮可維護(hù)性，對(duì)于內(nèi)存等易維護(hù)部件，建議做到免工具維護(hù)冷板的對(duì)外管路接頭為快速接頭，不同的液冷系統(tǒng)，可選擇盲插接頭和非盲插接頭。冷板指標(biāo)要求見下圖：

　　冷板的指標(biāo)要求

　　快速連接器：五大重要特性

　　液冷應(yīng)用中選擇正確的快速連接器時(shí)要考慮以下五個(gè)特性：①需滿足免工具維護(hù)的需求，可以免工具進(jìn)行快速接頭的斷開和接合;②需滿足連接與斷開中冷卻液的泄漏不影響維護(hù)過程以及對(duì)服務(wù)器和機(jī)柜不會(huì)造成不良影響;③需滿足和冷卻液的材料兼容要求;④需滿足發(fā)生故障并需要更換時(shí)，能方便更換的要求;⑤需滿足液冷系統(tǒng)的阻抗要求，在指定流量范圍內(nèi)，阻抗應(yīng)盡可能低，有利于降低液冷系統(tǒng)的能耗。

　　(冷板、管路推薦材料)

　　快速接頭指標(biāo)要求

　　目前，液冷服務(wù)器技術(shù)在我國仍處于應(yīng)用初期，產(chǎn)業(yè)鏈尚不完備、設(shè)備采購成本偏高、采購渠道少、電子元器件的兼容性低、液冷服務(wù)器專用冷卻液成本高等問題是液冷服務(wù)器尚未大規(guī)模推廣的重要原因。但總體來看，隨著IT云建設(shè)規(guī)模、建設(shè)密度的繼續(xù)攀升，以及液冷產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的逐步成熟，對(duì)服務(wù)器計(jì)算性能、延遲、吞吐、制冷、定制化、分布式部署等方面都提出了更高要求。未來，GPU服務(wù)器、定制化整機(jī)柜服務(wù)器、液冷服務(wù)器等新興服務(wù)器技術(shù)將快速迭代，也將為液冷連接器及相關(guān)解決方案的發(fā)展和演進(jìn)帶來新的思路和選擇。

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