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浅析液冷技术在数据中心的应用

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本文来源:突破电气


当前数据中心高密服务器的液冷解决方案主要分两大类,间接液冷技术与直接液冷技术,这种分类主要是基于液冷方案的室内末端形式划分的。

间接液冷技术是指服务器热源与液冷剂之间没有直接接触的换热过程,主要分类有冷板式与热管式。其中冷板式根据载冷剂在换热过程中是否发生相变分为“单相冷板式”与“相变冷板式”,热管式根据冷凝端的散热形式分为“两级热管式”、“热管+水冷式”。目前应用最多的是单相冷板式液冷解决方案。

图片1

图1 两级热管式液冷服务器原理示意图

图片2图2 热管+水冷式液冷服务器原理示意图

以华为的Fusionserver液冷服务器产品为例,采用了单相液冷板的制冷方案,单柜功率密度可以做到45kW/rack。载冷剂采用去离子水+BTA缓蚀剂,支持的最高进水温度达到45℃,达到了DLC标准的W4液冷等级,以北京气候为例(全年最大极端湿球温度是31.5℃),可以通过冷却塔实现全年自然冷却,机房PUE理论上可以降至1.1。此外,由于简化了制冷系统,因此提高了制冷系统的MTBF。

图片3华为CH121L V5液冷计算节点

单相液冷板技术就目前的应用案例而言,还存在如下几个问题:

液冷板的结构设计与服务器存在高度耦合关系,通用性低,因此拉高了产品成本; 目前处理器上的水冷头虽然加入了微通道、喷射等复合强化换热技术,但在单位面积上的换热能力进一步提升,难度较大。目前联想液冷板可以支持270W功率的CPU; 液冷板对循环冷却介质的要求比较高,例如冷却介质的PH、清洁度、Ca+、Mg+离子浓度要求等,这些参数会影响到液冷板的换热能力、腐蚀、循环阻力等; 快插接头的局部阻力较大,需要进一步优化。

直接液冷技术是指冷却剂与电子元器件直接接触的换热过程,主要分类有喷雾式、喷淋式、浸没式三种。喷雾式是指冷却液加压后在喷头喷出后雾化为粒度很小的液滴,喷淋到电子元器件表面沸腾换热,将热量带走。喷淋式是利用了高速强制对流换热强化换热密度的特点,原理与喷雾式类似。浸没式是指将电子元器件浸没在冷却液内换热,根据换热过程是否发生相变分为单相浸没式与相变浸没式两种。浸没式液冷目前市场有小规模的商业应用案例。

阿里的飞天·麒麟液冷服务器一代产品已经走出实验室,在位于张北的数据机房中做了小规模的应用。该液冷方案目标做到单柜功率密度100kW/rack,采用了3M公司的FC-72氟化液,沸点温度是56℃,属于相变浸没式冷却范畴。Tank内置冷却液盘管,与电子元器件吸热沸腾汽化后,气态氟化液在冷却液盘管壁面冷凝成液体,实现热量从电子元器到冷却液的转移,冷却液在CDU内与外循环的冷却水通过板式换热器换热后,热量最终通过室外的冷却塔散到环境中去。目前,冷却液的进口温度是30℃,在后续的优化产品中可以进一步提高进水温度,从而实现全年自然冷却的目的。

图片4阿里飞天·麒麟液冷服务器液冷方案原理示意图

浸没式液冷技术就目前的应用案例来讲,还处在如下几个问题:

容器的气密性设计问题。因为容器内的氟化液与电子元器的换热强度取决于电子元器件的负载率,当负载率波动比较大时,单位时间汽化的氟化液波动变大,进而导致容器内的压力波动; 维护过程的氟化液逃逸问题。因为是相变浸没式换热,当需要更换或维护容器内的某个IT设备时,由于其他的设备业务还在运行,因此插拔IT设备过程中会有大量的氟化液逃逸出来。就FC-72而言,该氟化液属于温室气体,且结构很稳定,意味着逃逸出来的氟化液将长期存在与大气环境中,很难分解; 电子氟化液的成本高。目前生产适合浸没式液冷氟化液的厂家较少,主要集中在3M公司,壳牌等跨国企业,因此短期内成本很难降低。

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