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液冷技术在数据中心的应用

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伴随着云计算,大数据,特别是人工智能技术的创新发展,数据中心液冷技术越来越热。承担大量数据计算和存储的数据中心,需要更高效来满足业务发展的需要。在解决高热密度数据中心的散热问题方面,液冷具有传统数据中心的空调系统无法比拟的优势,同时能耗更低。

液冷及主要类型

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。在上个世纪60年代,IBM的大型计算机就成功采用水冷技术,目前液冷技术主要应用于计算机和IT领域的高性能计算。

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液冷依据液体与发热器件的接触方式,可分为直接接触型液冷和间接接触型液冷

一、浸没式液冷

浸没式液冷是典型的直接接触型液冷,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。

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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,噪音更低(完全没有风扇),解决更高热密度和更加节能。

目前主流方法是将服务器浸没在特殊设计的箱体中或为服务器定制设计的外壳里,但是这一架构降低了数据中心建筑空间利用率,在不改变现有数据中心部署架构的前提下,外壳将每一个服务器和冷却液包裹起来,适当优化了空间利用率。

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严格的监管以确保使用的安全。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。

二、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,目前采用冷板式液冷的服务器也称为气液双通道服务器。

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冷板式液冷技术经过几年的发展相对成熟,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。

冷却液主要类型

①氟化液

氟化液是目前应用最广泛的浸没式冷却液,起初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,但价格最为昂贵。

②矿物油

单相矿物油无味无毒不易挥发,是一种环境友好、价格相对低廉的绝缘冷却液,但由于矿物油粘性较高比较容易残留,且易分解,是可燃性物质,在某些特定条件下还是具有燃烧的风险。

③水

主要是去离子水。水具有较高的比热容,是一种良好的散热媒介,价格低廉环境友好无污染,并且与现有的系统兼容。但由于水是非绝缘体,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。

主要驱动力

液冷技术以往主要服务于传统的高性能计算领域,主要需求驱动包括:人工智能技术的创新与发展,降低数据中心的运行成本,边缘计算等,使数据中心运行于更高的密度状态,液冷已经成为比风冷技术更高效的制冷解决方案。

从传统的机房空调到直接、间接风侧自然冷却的AHU,风冷系统不断创新,液体载热能力远远高于空气,采用液体冷却液可大幅降低数据中心的能源利用率, 已公布的数据中心浸没式液冷的PUE值(1.05)相比风冷系统的PUE值(1.3-1.5),能效成果非常显著。

CPU、GPU,、FPGA(现场可编程门阵列)和ASIC(专用集成电路)在数据中心应用领域呈现快速增长,推高了数据中心IT设备的功率密度。

液冷技术的高效,可满足场地电力容量不足的条件下部署更高密度。据估算,将有超过20%的边缘计算数据中心会采用液冷技术。

主要阻碍

虽然液冷技术具有诸多优点,并且市场驱动力使液冷技术的大规模应用具备了坚实基础,但液冷技术仍有如下几个问题。

水中的离子、矿物油和氟化物的空气接触污染,都具有潜在腐蚀IT设备的风险;制冷架构颗粒度过低,造成运行与维护变得复杂;缺乏大规模应用案例,缺乏相应的国家或者行业标准规范支持;目前数据中心物理基础设施的设计是基于风冷系统架构,所以液冷技术的空间利用率低。

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。

本文来源:互联网

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