2018年,ODCC-开放式数据中心峰会,其中有4、5个专题是讨论液冷技术的。并且发布了《液冷技术与应用发展白皮书》,液冷技术在一夜之间成了数据中心业内人士热议的话题。

2019年信通院云大所何所长曾发表文章称,随着边缘计算、大数据、人工智能技术的创新发展,承担着海量计算任务的数据中心,需要更高性能的服务器来满足业务发展的需要,根据摩尔定律的发展,芯片的升级带来了芯片温度的升级,传统的风冷已经无法冷却服务器那颗滚烫的“芯”。对于解决“高热密度数据中心散热”问题,比传统空调系统来说,更具备优势的,就是当前业界最流行的液冷技术,当传统风冷已经无法满足需求时,液冷成了数据中心未来发展的不二选择,液冷技术它不仅降温快、能耗低,而且是最环保的。液冷的发展经历了研究期(1992年以前),萌芽期(1992年—2016年),小规模应用期(2016年至今)。

液冷技术相对于传统风冷技术有如下明显优势:

A:热量带走更多:同体积液体带走热量是同体积空气的近3000倍。

B:温度传递更快:液体导热能力是空气的25倍。

C:噪音品质更好:同等散热水平时,液冷噪音水平比风冷噪音降低20-35分贝。

D:耗电节能更省:液冷系统约比风冷系统节省电量30%-50%。

液冷技术目前有三种技术形态:第一种:冷板式;第二种:浸没式;第三种:喷淋式。目前三种液冷技术形态在业内均有小规模的应用。

第一种:冷板式:

冷却液体不直接与发热元器件接触,主要发热器件固定在冷板上,依靠流经冷板的液体在设计好的液体散热器内流动,通过液体循环将热量带走的冷却方式。

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第二种:浸没式:

将散热部件(单板&芯片)直接浸没在不导电液体中,利用液体蒸发将散热部件释放热量带走的一种散热方式,将发热元器件直接浸没到冷却液中,冷却液通过小功率变频泵驱动,循环到板式换热器与水循环系统换热,水循环系统再将换取的热量带到冷却塔进行冷却,依靠液体的流动循环带走IT设备运行所产生的热量,浸没式液冷是典型的直接接触型液冷,目前比较流行的是将服务器浸没在特殊设计的箱体中。

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第三种:喷淋式:

将不导电液体通过喷淋板直接喷淋在服务器发热元器件(PCB单板&芯片)上面。依靠液体的流动循环带走IT设备运行所产生的热量,依靠液体重力经集液孔回流到集液箱,冷却液通过小功率变频泵驱动,循环到板式换热器与水循环系统换热,水循环系统再将换取的热量带到冷却塔进行冷却,通过液体的循环

不断一带走热量的一种散热形式。喷淋式是典型的直接接触型液冷。

 

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喷淋液冷是一种冷却方式采用液体对服务器设备直接喷淋冷却的技术方案,该技术方案由室外冷却单元、液冷CDU、液冷机柜、液冷服务器组成。如下图:

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液冷的三种技术形态,冷板式发展得最早,广泛应于高性能台式电脑的芯片散热中。近期也应用于服务器的散热上面。浸没式则主要针对数据中心的散热,喷淋式也主要针对数据中心的散热。

由于冷板式和浸没式的液冷技术已为人们所熟知,以下主要介绍一下喷淋式液冷技术:

喷淋式液冷数据中心在应用上具有如下优势:

1:省电

PUE小于等于1.1,满足国家政策要求

PUE值定在1.05-1.1之间,节约能源,减少碳排放。

电费支出减少50%,直接喷淋液冷可大幅提升服务器集成功率密度,相对传统风冷最大密度可提升10倍,大幅度降低机房空间,机房空间节省75%-90%,

2:静音

液冷服务器完全无风扇设计,服务器运行状态下机柜(关闭)外侧测试噪音低于20分贝,令整个机房处于非常安静的状态。未来的液冷机房将是一个静音的机房。

3:高密度

传统风冷机柜的功率密度一般为5-6KW,喷淋液冷机柜的功率密度最高可达56KW每柜。

4:可靠

服务器拆除了风扇,大幅度减低了服务器的振动,液体隔离了静电和灰尘,对服务器的元器件起到保护作用。

5:宽容

冷却液兼容各种型号的服务器。液冷服务器基本处于密封状态,对环境的温度、湿度、空气洁净度等要求更低,相对传统风冷服务器有更强的环境适应能力,可适用于较差机房环境部署。

6:寿命长

液体对服务器的元器件起到保护作用,设备的抗氧化性更好,减少振动,隔离静电和灰尘,服务器使用寿命大幅度延长。液冷环境下服务器内半导体工作的结温低,且服务器在峰值和弱负荷工作时结温均衡,服务器稳定工作寿命可延长0.5倍。

7:造价低

相对于传统风冷数据中心,同容量的喷淋液冷数据中心综合整体造价更低,投资回报周期更短。

2019年年底在美国举办的CES全球电子消费展上,广东合一新材料研究院有限公司推出了喷淋式液冷数据中心的样机,举世惊艳。

由于广东合一新材料研究院有限公司是军民融合的企业,出于对知识产权保护方面的考虑,在2019年初才开始对外宣传,所以在行业内知道的人并不多,广东合一新材料研究院有限公司早在2008年开始研究,拥有全面的知识产权,申请专利达260多项,2015年就已经生产出了喷淋式液冷数据机柜,并且在某小型数据中心稳定运行近五年。2018年交付的某大数据实验场集装箱式的喷淋液冷式数据中心,也稳定运行1年多,2019年交付的运营商某边缘数据中心也成功运行。对于未来5G基站的BBU池的液冷技术已完成了技术储备,试运行近5个月。正在设计华南地区的某大型互联网云计算数据中心准备规模应用,预计使用喷淋式液冷机柜300多个。另有两个确定规模使用喷淋式液冷数据中心项目,其中一个数据中心确定预计使用喷淋液冷机柜500个,另外一个数据中心确定预计使用喷淋液冷机柜454个。另某国外投资公司拟计划在华南地区投资建设一个全球最大的超大型液冷数据中心,液冷机柜数量超12000个。到广东合一新材料有限公司研发基地的参观人群络绎不绝,正在恰谈阶段的液冷数据中心项目数十个,崩堤之势已成,预计未来两年内会迎来一个爆发期。

2019年底,阿里巴巴将其液冷数据中心的浸没式液冷技术开源,标志着液冷技术不再神秘,正以开放的姿态向我们走来,根据Research   And Markets数据显示,到2023年,全球液冷数据中心市场规模将达到45.5亿美元,年复合增长率将达27.7%。综上所述,液冷的春天已悄然来临。

本文作者:严建勋

严建勋

 

广东合一新材料研究院有限公司

首席架构师--数据中心

具有数据中心基础设施建设领域多年行业工作经验。历任电气工程师、项目经理、高级项目经理、首席架构师,曾参与过国内三个超大型数据中心的建设,致力于数据中心客户冷却需求及前沿技术的研究。主导《喷淋式直接液冷数据中心设计规范》的编写。

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