【數據中心大施】數據中心液冷技術那些事

伴隨著云計算，大數據，特別是人工智能技術的創新發展，承擔大量數據計算和存儲的數據中心，需要更高效來滿足業務發展的需要。在解決高熱密度數據中心的散熱問題方面，液冷具有傳統數據中心的空調系統無法比擬的優勢，同時能耗更低。

近兩年，數據中心液冷技術的話題越來越熱，今年十月在北京舉行的2018開放數據中心峰會上，就有4、5個專題是探討液冷技術的，涉及到液冷工質，最佳實踐等，并且發布了《液冷技術與應用發展白皮書》，這對于液冷技術的應用推廣都起到了推進作用。

液冷是指使用高比熱容的液體作為熱量傳輸的工質滿足服務器等IT設備散熱需求的冷卻方式。液冷技術并不是最近才應用于計算機和IT領域的，在上個世紀60年代，IBM的大型計算機就采用了水冷技術。目前液冷技術主要應用于高性能計算。

按照液體與發熱器件的接觸方式，液冷主要分為間接接觸型液冷和直接接觸型液冷。

冷板式液冷：主要發熱器件固定在冷板上，依靠流經冷板的液體將熱量帶走達到散熱的目的，是典型的間接接觸型液冷，由于硬盤，電源等其它發熱部件依然需要風扇驅動空氣來散熱，因此目前采用冷板式液冷的服務器也稱為氣液雙通道服務器。

冷板式液冷技術經過幾年的發展相對成熟，在近兩年的開放數據中心峰會上，BAT等互聯網巨頭分別展示了其冷板式液冷服務器，并且，冷板式液冷服務器對于目前的數據中心的架構影響不大，具有低噪音，高能效以及低總體擁有成本的特點，可解決較高熱密度的數據中心的散熱問題。

冷板式液冷：主要發熱器件固定在冷板上，依靠流經冷板的液體將熱量帶走達到散熱的目的，是典型的間接接觸型液冷，由于硬盤，電源等其它發熱部件依然需要風扇驅動空氣來散熱，因此目前采用冷板式液冷的服務器也稱為氣液雙通道服務器。

冷板式液冷技術經過幾年的發展相對成熟，在近兩年的開放數據中心峰會上，BAT等互聯網巨頭分別展示了其冷板式液冷服務器，并且，冷板式液冷服務器對于目前的數據中心的架構影響不大，具有低噪音，高能效以及低總體擁有成本的特點，可解決較高熱密度的數據中心的散熱問題。

主要是去離子的純凈水，水作為一種容易獲得的資源廣泛應用于制冷系統中。水具有較高的比熱容，是一種良好的散熱媒介，其價格低廉環境友好無污染，并且可與現有的系統兼容。但由于水并非絕緣體，只能應用于非直接接觸型液冷技術中，一旦發生泄漏會對IT設備造成致命損害。

礦物油是一種價格相對低廉的絕緣冷卻液，單相礦物油無味無毒不易揮發，是一種環境友好型介質，但是，由于礦物油粘性較高比較容易殘留，且其易分解，雖然燃點比較高但畢竟是可燃性物質，在某些特定條件下還是具有燃燒的風險。

氟化液最初的作用是線路板清潔液，由于其絕緣且不燃的惰性特點被應用于數據中心液冷技術中，是目前應用最廣泛的浸沒式冷卻液，但也是三種類型冷卻液中價格最為昂貴的。

單相液冷：指冷卻液在循環散熱過程中沒有發生相變，維持液態。單相液冷要求冷卻液沸點高，冷卻液揮發流失控制相對簡單，與IT設備的元器件兼容性高，冷卻介質受污染較小，但相對于兩相液冷其效率較低。目前公布的浸沒式液冷案例絕大部分的是采用單相液冷系統。

兩相液冷：指冷卻液在循環散熱過程中發生了相變。兩相液冷傳熱效率更高，并且無需泵體驅動流體的循環，但是冷卻液揮發流失控制相對復雜，密閉的箱體雖然可以解決冷卻液揮發流失的問題，但由于發生了相變導致箱體的壓力發生變化，壓力容器的設計生產需要嚴格的監管以確保使用的安全。此外冷卻液介質易受污染，需要預處理和污染控制來確保系統的正常運行。

傳統服務于高性能計算領域的液冷技術，現在越來越多的應用于數據中心，需求驅動使數據中心運行于更高的密度，以及采用比風冷技術更高效的制冷解決方案。數據中心液冷技術的應用驅動力主要體現在以下幾個方面：

人工智能技術的創新與發展

最近幾年，CPU的年增長率非常契合摩爾定律，包括GPU, 以及FPGA（現場可編程門陣列）和ASIC（專用集成電路）也在數據中心應用領域呈現快速增長，進一步推高了數據中心IT設備的功率密度。

“機柜的功率密度正在提升，Uptime追蹤監測的大部分數據中心的機柜功率密度現在達到了10KW, 甚至部分機柜的功率密度達到了30KW，并且這不是在高性能計算應用領域” Uptime Institute的Andy Lawrence如是說“液冷系統特別是浸沒式液冷系統非常適合解決CPUs和GPUs的散熱問題”。

進一步降低數據中心的運行成本

數據中心制冷系統的運行成本是昂貴的，盡管業界不停的創新風冷系統，從傳統的機房空調到直接風側自然冷卻的AHU和間接風側自然冷卻的AHU，但是由于空氣的載熱能力遠遠低于液體，因此采用液體冷卻液的液冷技術可大幅降低數據中心的能源利用率, 已公布的浸沒式液冷數據中心的PUE達到1.05甚至更低。對照于風冷系統數據中心的PUE=1.3-1.5，其能效成果非常顯著。

邊緣計算

并不是所有的邊緣計算數據中心都會采用液冷的方式，據估算，將有超過20%的邊緣計算數據中心會采用液冷技術。液冷技術由于其高效，部署對建筑物依賴度低以及靜音安全等特點，可滿足場地電力容量不足的條件下部署更高密度。

既然液冷技術具有風冷技術無法比擬的優點，并且市場的驅動力使得液冷技術的大規模應用具備了堅實的基礎，那是不是在數據中心部署液冷技術就沒有任何阻礙了呢？顯然事情并不是如此簡單：

 缺乏相應的標準支持

目前液冷技術，尤其是浸沒式液冷技術在數據中心還缺乏大規模應用案例，并且缺乏相應的國家或者行業標準對于這一技術進行有效的規范。

數據中心的空間利用率

目前的數據中心物理基礎設施的設計是基于目前的風冷系統架構，一個簡單的例子，樓體的承重，機房的層高等，浸沒式液冷基于液體容器的設計，以及人員維護的便利性，必然造成空間利用率降低。

冷架構顆粒度過低，造成運行與維護變得復雜

液冷的顆粒度是機柜（箱體）級，服務器級甚至是芯片級的，比目前主流的風冷系統顆粒度過低，系統復雜而且維護也相對困難。

腐蝕

在前文提到的三種常見類型的冷卻液，其本身都是沒有腐蝕性的，例如水，但水中的其它物質卻具有腐蝕性，因此在冷板式液冷中通常采用去離子的純水。此外，礦物油和氟化物本身也不具備腐蝕性，但由于與空氣接觸并被空氣中的其它物質污染而具有潛在腐蝕IT設備的風險，需要預處理來避免這種情況的發生，也推高了液冷技術部署的成本。

液冷技術對于現有的數據中心的制冷架構是一個巨大的挑戰，同時也是巨大的機遇，隨著液冷技術的不斷完善，必將在數據中心制冷領域占據重要的地位。

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