冷板式、浸沒式、噴淋式液冷散熱能否引領高性能計算發展？

冷板式 | 浸沒式 | 東數西算

噴淋式 | 熱虹吸 | 高性能計算

隨著計算能力和性能需求的提高，AI人工智能、物聯網和機器學習等技術進步，數據中心基礎設施和IT設備的溫度不斷上升。更多的計算意味著更多的能量，更多的能量意味著更多的熱量，更多的熱量意味著需要更多的冷卻，而冷卻又消耗更多的能量，如此循環往復。

鑒于傳統空氣冷卻系統的低效率，以及注重可持續性的設計目標、國家政策管控、不斷上升的電力成本以及冷卻CPU和GPU的技術需求，對更高效、更低功耗的冷卻系統的需求是顯而易見的。

有專家預測液冷解決方案將是高性能計算散熱的未來。預計到2026年全球浸沒式液冷市場將從今年的2.43億美元增長至7億美元。這是由于越來越多的數據中心的建設以及對經濟高效和環保的冷卻解決方案的需求不斷增長。

液體冷卻是計算機冷卻中的新興技術，具有可以處理更大的功率密度、運行干凈，安靜、成本遠低于傳統的空氣冷卻等優勢。研究表明，高性能計算領域在浸沒式液冷市場中占據了第二大份額。

液冷散熱的方式有哪些？

傳統服務器利用空氣帶走機箱內發熱元件發出的熱量，冷卻能耗高、噪音大、設備密度低。風冷所不能解決的高能耗、低性能的問題，液冷技術可以得到顯著的改善。

冷板式液冷散熱

即利用工作流體作為中間熱量傳輸的媒介，將熱量由熱區傳遞到遠處再進行冷卻。在該技術中，工作液體與被冷卻對象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過液冷板等高效熱傳導部件將被冷卻對象的熱量傳遞到冷媒中，因此冷板式液冷技術又稱為間接液冷技術。該技術將冷卻劑直接導向熱源，同時由于液體比空氣的比熱大，散熱速度遠遠大于空氣，因此制冷效率遠高于風冷散熱，每單位體積所傳輸的熱量即散熱效率高達1000倍，可有效解決高密度服務器的散熱問題，降低冷卻系統能耗及聲噪。

藍海大腦液冷服務器 HD210 H系列突破傳統風冷散熱模式，采用風冷和液冷混合散熱模式——服務器內主要熱源 CPU 利用液冷冷板進行冷卻，其余熱源仍采用風冷方式進行冷卻。通過這種混合制冷方式，可大幅提升服務器散熱效率，同時，降低主要熱源 CPU 散熱所耗電能，并增強服務器可靠性。經檢測，采用液冷服務器配套基礎設施解決方案的數據中心年均 PUE 值可降低至 1.2 以下。

冷板式液冷服務器特點：

浸沒式液冷散熱

浸沒式相變液冷服務器，在浸沒式液體相變冷卻系統中，將服務器主板、CPU、內存等發熱量大的元器件完全浸沒在冷媒中，在工作狀態下，各發熱部件會產生熱量，引起冷媒溫度上升。當冷媒溫度升高到系統壓力所對應的沸點，冷媒工質發生相變，從液態變化為氣態，通過汽化熱吸收熱量實現熱量的轉移，這種通過冷媒吸收熱量冷卻的技術即相變液冷技術。浸沒式相變液冷技術利用液體相變將熱量直接帶走，減少了傳熱過程的熱阻，相比冷板式液冷，浸沒式液冷技術具有更高的傳熱效率，是液冷之中最節能、最高效的新興制冷模式。

熱虹吸散熱

由密度、高度差產生介質循環流動動力，通過介質的蒸發、冷凝實現熱流的傳輸與轉換。

技術特點

關鍵技術

液體冷卻的優點

將液體冷卻用于各個領域的原因各不相同，如支持更高的功率密度；降低數據中心的成本；提高能源效率等。

可擴展電源范圍

在數據經濟中，IT資源往往超出可用能力，浸沒式液冷降低功耗并提高計算能力。液體冷卻裝置使用更少的功率，并且可以使服務器本身更有效地運行，同時還可以容納更多的計算機，減少構建數據中心的需求。

減少資本支出

構建傳統風冷數據中心的前期成本很高：從建筑設計到空氣處理器和冷水機組的安裝，高架地板以及其他要求可能會使新的數據中心構建困難。通過消除對傳統風冷數據中心的所有空氣處理基礎設施的需求，液體冷卻可以將資本支出減少一半。同時由于占地面積更小，還可以減少構建數據中心本身的資本支出。

更高的能源效率

能源效率是數據中心功能的最終決定因素，使用液體冷卻比使用空氣要高得多。現在，許多正在獲得動力的服務器應用程序都是GPU密集型的，超出了可用功率的限制。浸沒式液冷技術可以將能耗減少一半，大大提高了數據中心的效率，開辟了新的可能性途徑。更高效地利用電源可以節省資金，增加服務器密度，并保護環境中的稀缺資源。

液體冷卻的誤區

公眾對浸沒式冷卻的看法尚未趕上該技術本身的發展。圍繞這項技術的誤區有很多，這些誤區影響著關于部署哪種冷卻解決方案的決策。

液體冷卻比傳統冷卻更昂貴

事實恰恰相反。液體浸泡實際上比傳統冷卻便宜得多。研究表明使用液體解決方案在數據中心和能源上節省了數百萬美元的部署費用。

通過浸沒式液冷，即使是服務器本身的運行成本也更低。它們沐浴在冷卻液中，不需要低效的風扇。除了從基礎架構中節省的資金外，這還將運行服務器的成本降低了約五分之一。節省的成本從安裝開始，初始要求較低，然后在整個冷卻系統的運行過程中繼續累積。資本支出和運營支出在流動性方面都明顯較低。冷卻成本比空氣低95%。

一種復雜的解決方案

雖然浸沒式液冷與傳統的空氣系統不同，但它在機械上要簡單得多，而不是更復雜。如，GRC的浸沒式液冷系統幾乎沒有移動部件，與高磨損空氣冷卻相比，這極大地簡化了維護手段。

此外，浸沒式液冷的優雅設計使技術人員能夠輕松訪問服務器以進行熱插拔等。它還使整個數據中心更簡單，無需冷熱通道，高架地板，冷水機組，濕度控制，空氣處理器以及空氣冷卻所需的大部分電氣設備。

使用的冷卻液非常昂貴

液體冷卻雖然冷卻能力是空氣的1200倍，但不需要更多的成本。相反，整個系統的成本遠遠低于空氣冷卻。

很難與傳統數據中心集成

液體冷卻在傳統數據中心的效果非常好。使用其現有基礎架構升級較舊的數據中心，甚至可以在運行中的風冷設施中加入一個高性能液冷服務器區域。液體冷卻系統的安裝非常簡單，可以根據需要將其安裝到傳統數據中心。

液冷散熱的應用

總結

空氣冷卻與液體冷卻

雖然空氣冷卻和浸沒式冷卻都使用介質（空氣或液體）將熱量從組件中帶走，但在機械功能，成本效益以及可以支持的計算能力方面存在巨大差異。

空氣冷卻通過一系列設備從外部推動空氣，包括空氣處理器和機房空調（CRAC）。冷卻的空氣通過高架地板進入冷通道，然后通過服務器，在那里它吸走熱量，然后進入熱通道。從那里，空氣返回空氣處理機以重新開始其旅程。

相比之下，浸沒式液冷需要直接將服務器浸入流體中，這種流體的熱量傳遞效率是空氣的一千倍以上。這種液體通過冷卻分配單元（CDU）循環，該單元通過熱交換器散熱，使液體返回到啟動狀態。

空氣冷卻通過復雜的機制推動熱量，這些機制在金錢和空間上花費很多。這與浸泡在非蒸發液體中形成鮮明對比。由于液體冷卻系統中的熱量由設施的冷卻劑處理，因此廢熱甚至可以重復使用來加熱建筑物的水和空氣。

液體浸入方法具有更簡單的機制，只需要三個活動部件。這極大地幫助了運行數據中心的各個方面。構建液體冷卻數據中心更容易，成本更低，設備故障頻率更低，并支持更高的計算密度。

性能

在性能方面，空氣冷卻的最高功率約為每機架30千瓦，效率損失約為其一半。相比之下，液體冷卻可以處理每個機架超過100千瓦的功率，在某些情況下是其兩倍。數據中心越來越多地運行能源密集型負載，如人工智能和加密。這些通常采用功耗成倍增加的專用處理器。

位置

空氣冷卻將數據中心限制在空氣過濾和其他基礎設施適合的某些位置，而液體冷卻的要求較少，可以安裝在任何地方。

防止環境危害

服務器設備通常會經歷環境磨損，從而逐漸降低可靠性。暴露于這些元素的數據中心，如邊緣計算站點，面臨著額外的壓力。空氣中含有水分和小顆粒，會干擾系統的完整性。浸沒式冷卻液將電子設備裝在“盔甲”中，以應對這些威脅。浸入式冷卻器中的油可作為防塵、氧化、腐蝕、振動和許多其他風險的保護外殼。計算機設備保持安全，冷卻液連續作用以保持較低的工作溫度。

相比之下，空氣冷卻會引入含有污染物的空氣，這些污染物可以中和IT設備。由于缺乏保護液，傳統系統的平均故障間隔時間（MTBF）變短。昂貴的濕度控制系統、維護和其他資源只能提供有限的覆蓋范圍。空氣冷卻使服務器面臨影響穩定性的風險，而液體冷卻則提供環境保護。

總結

空氣冷卻無法跟上不斷增長的數據中心需求。液冷正在流入以修復事物。不僅解決了空氣的所有關鍵問題，而且遠遠超出了范圍。液冷散熱處理更高的服務器密度，同時減少噪音和功耗。除了其卓越的冷卻能力外，液體冷卻還具有其他幾個優點，如位置獨立性和低成本。總而言之，液體冷卻比空氣冷卻具有足夠的優勢，使其成為一種不平衡的比較。