Liquid Cooling System

液冷系统

数据中心的能耗问题

  在数字经济和万物互联的时代，海量数据的计算与处理需要不断扩大数据中心的基础建设规模，由此也带来了能耗激增的问题。据《中国“新基建”发展研究报告》，到2025年，全球数据中心将占全球能耗的最大份额，高达33%。而在国内，全国数据中心的耗电量已连续八年以超过12%的速度增长，未来占社会总用电量的比例将持续增长。

数据中心的能耗主要来自两个方面：一是服务器本身的功耗，二是服务器散热所需的制冷功耗。随着数据中心计算力的提高，对于新建的数据中心而言，最大的资金投入不是建筑本身，而是保证电力供应的设备成本以及机房制冷成本。据统计，数据中心制冷系统占整个数据中心能耗的40%左右。

  因此，降低冷却耗能，并推进数据中心低碳运转是践行“碳中和”理念的关键一环。业内普遍认为，液冷技术是降低数据中心能耗的最可靠与可行的方案。 液冷技术是什么

液冷技术是指使用液体作为热量传输媒介，为发热部件进行换热,进而带走热量的技术，并非像风冷那样间接通过空气制冷。液体传导热能效果更好,是空气的25倍,温度传递效果更快、更优。同时,由于液体的比热容大,在吸收大量的热量后自身温度不会产生明显变化,故而能够稳定CPU温度。

液冷技术可以分为三种方式：喷淋式、浸没式和冷板式。

  喷淋式：在机箱顶部储液和开孔，根据发热体位置和发热量大小不同，让冷却液对发热体进行喷淋，达到设备冷却的目的。喷淋的液体和被冷却器件直接接触，冷却效率高；但液体在喷淋的过程中遇到高温物体会有飘逸和蒸发现象，雾滴和气体沿机箱孔洞缝隙散发到机箱外面，造成机房环境清洁度下降或对其他设备造成影响。

浸没式：电子部件直接浸没在电介质液体中，液体置于密封但易于触及的容器中，热量从电子部件传递到液体中。通常使用循环泵将经过加热的电子氟化液流到热交换器，在热交换器中冷却并循环回到容器中。浸没式又分为单相和两相两种类型。单相浸没式液冷中，电子氟化液保持液体状态；两相浸没式液冷中，通过电子氟化液的沸腾及冷凝过程，指数级地提高 液体的传热效率。

  冷板式：直抵芯片冷却通过泵循环液体介质经过装配到电子部件的冷板进行散热。液体不与电子设备直接接触。尽管非电介质液体（例如水/乙二醇）通常用于直抵芯片冷却，但是电介质电子氟化液也可用于直抵芯片应用，减轻泄漏相关风险，提高硬件/IT设备可靠性。可以使用单相和两相技术实现直抵芯片冷却。

液冷技术使用的液体主要有两种：矿物油和氟化液。

  矿物油：矿物油也是一种物美价廉的冷却液。单相矿物油无毒无味不易挥发，粘性较高，容易在设备表面形成残留。虽然燃点较高，但是在某些特定条件下还是有燃烧的可能。

氟化液：最大的特点是绝缘，且不燃。在数据中心液冷技术中是最安全的一种，目前应用最广泛，但是价格高昂。

液冷技术的优势

  液冷技术相比传统的风冷技术有以下几个方面的优势：

节能降耗：与风冷系统相比,液冷能节省约30%能源,有效降低能源消耗比,可以将PUE降到1.05,实现绿色数据中心的要求。随着冷却效率提高，辅助冷却所需求的专用电力的成本就会降低。

  环境适应性：相比空气而言,液体比热容不受海拔与气压影响,因此液冷数据中心在高海拔地区仍然可以保持较高的散热效率。无论决定将地点设于何处，均可在全球范围内部署冷却基础 架构更为一致的数据中心。

  设计灵活性：使用更小规模的数据中心和更简单的数据中心拓扑结构（例如，机械、电气、网络），可以更高效地扩展。消除对复杂气流管理的需求，可以简化数据中心的设计难度。更大限度地减少或消除空冷基础设施（例如冷水机组、CRAC、CRAH、PDU、RPP、电信/网络设备、设施占地面积等），可以满足新的工作负载需求，同时减少资本支出。

余热利用：采用液冷数据中心可以更好的收集余热，并创造出可观的经济价值。这是因为，数据中心的不间断运行往往能产生巨大热能，传统的风冷设备一般是将热量直接排到大气中，但液冷数据中心则能以更高的温度（60℃以上）将热量收集起来，通过热泵或其他方式进行二次利用。例如，可以将余热用于供暖、制冷、发电等领域，实现能源的循环利用。

环境友好：液冷技术不仅可以降低数据中心的碳排放，还可以减少对水资源的消耗。据估计，每年有约1.3万亿升的水被用于数据中心的冷却。而液冷技术可以使用封闭式循环系统，减少水的损耗和污染。此外，液冷技术也可以降低噪音污染，提高数据中心的工作环境质量。

液冷技术的应用

  目前，液冷技术已经在一些国内外的数据中心得到了应用和验证。

  例如：阿里云在2018年推出了全球首个基于浸没式液冷技术的超级计算集群——X-Dragon Super Computing Cluster。该集群采用了两相浸没式液冷方案，将服务器完全浸入氟化液中，通过氟化液沸腾和冷凝实现高效散热。据阿里云称，该集群能够将服务器功耗降低 50%，制冷效率提高80%，同时节省机房空间和运维成本。

  腾讯云：腾讯云在2019年在贵州建成了全球首个基于喷淋式液冷技术的数据中心——贵阳T3 数据中心。该数据中心采用了喷淋式液冷方案，将氟化液以雾化形式喷洒到服务器上方，通过氟化液与空气的换热实现散热。据腾讯云称，该数据中心能够将PUE降低至1.2以下，节省机房空间30%，同时提高服务器性能和可靠性。

  微软：微软在2020年在苏格兰海底沉入了一个基于浸没式液冷技术的数据中心—Project Natick。该数据中心采用了单相浸没式液冷方案，将服务器完全浸入氮气充填的压力容器中，并使用海水进行散热。据微软称，该数据中心能够实现自给自足的能源供应，并且具有更高的可靠性和安全性。

  液冷技术的展望随着数据中心规模不断扩大、计算密度不断提高、能源成本不断增加、环境要求不断提升，传统的风冷技术已经难以满足数据中心的发展需求。而液冷技术则具有明显的节能降耗、环境适应、设计灵活、余热利用、环境友好等优势，是数据中心冷却技术的未来发展方向。

  当然，液冷技术也面临着一些挑战和障碍，例如液冷设备的成本、维护和兼容性问题，以及液冷标准和规范的缺乏等。因此，要推动液冷技术的广泛应用，还需要数据中心行业的共同努力，加强液冷技术的研发和创新，制定液冷技术的统一标准和规范，提高液冷技术的认知度和接受度，实现液冷技术的商业化和普及化。