液冷光技术原理、类型及在液冷通信设备的应用

根据ColocationAmerica发布的数据，2020年全球数据中心单机柜平均功率将达到16.5kW，较之于2008年已经增长了175%。赛迪顾问预测，随着数据中心算力飞速提升，高功率单机柜将迅速普及，预计2025年，全球数据中心单机柜平均功率有望达到25kW。

1. “液冷数据中心”来袭，可帮您省亿元电费！

2.21年7月27日，北京市发展和改革委员会官网发布《关于印发进一步加强数据中心项目节能审查若干规定的通知》（以下简称：通知）。通知显示，即日起北京市内新建、扩建数据中心若PUE值（评价源效率指标，理想值为1）超1.4，将被征收差别电价电费。伴随新规定出台，能耗大户“数据中心”正迎来一场技术变革。

该规定意味扩建、新建PUE不达标数据中心，每年将付出数千万、乃至上亿元额外电费。这将促使，城市内数据中心加速步入绿色、液冷时代。

1.1  PUE超标将多缴亿元电费

通知显示，北京市将进一步加强市范围内数据中心项目的节能审查，对于PUE>1.4且<=1.8的项目执行的电价加价标准为每度电加价0.2元；对于PUE>1.8的项目每度电加价0.5元。

此外，北京市内扩建数据中心，年能源消费量大于等于2万吨标准煤且小于3万吨标准煤的项目，PUE值不应高于1.2；年能源消费量大于等于3万吨标准煤的项目，PUE值不应高于1.15。

以新建3000个标准机柜，单机柜平均功耗为18kW的中型数据中心为例。按北京市新规，其PUE值若超过1.4小于1.8，一年将支付差别电价电费9460万元，若PUE值超过1.8则将支付差别电价电费2.36亿元。

对目前的数据中心运营企业和单位来说，支付这些额外费用是难以承受的。而北京、深圳的数据中心规范和标准，对全国城市具有较强的示范作用。此外PUE值要低于1.4，数据中心的传统风冷散热技术已难以满足。

1.2  降PUE遇“风冷”瓶颈

伴随IT产业的高速发展，数据中心正快速成为新能耗大户。

据报道，2018年全国数据中心总耗电量1500亿千瓦时，占社会总用电量的2％。预计到2025年，这一占比将增加一倍达到4.05％。

高能耗的背后是PUE值的居高不下，据报道截至2019年年底，全国超大型数据中心平均PUE为1.46，大型数据中心平均PUE为1.55。

冷却计算设备耗能一直是导致高PUE值的直接原因，传统数据中心风冷模式，将使一半能耗用于冷却计算设备，其PUE值普遍在1.4以上。

最为关键的，伴随CPU等核心计算芯片的功耗升高，风冷模式下单机柜功率密度最高只能到30kW左右。

虽然芯片工艺制程不断进步，但服务器端CPU、GPU功率已分别突破300W、400W大关。

伴随人工智能等高密度计算场景增多，目前在运行数据中心不少单机柜功率早已突破30kW。

2  液冷技术的必要性

在数据中心行业，评价能耗水平的关键指标是电力使用效率（Power Usage Effectiveness），简称PUE，计算公式是：

PUE=总负载/IT负载

一个数据中心的PUE值越是接近1，则该数据中心的能耗则越低。但是因为数据中心机房总是需要额外的能耗来维持运转，比如照明、冷却和消防等等，那么这个数字就总是大于1。

降低PUE值是当前数据中心需要解决的迫切问题。随着数据中心的IT设备和供电系统的高度集成化，机房的散热量也在逐步升高，故而有强大的制冷系统来保证机房的温度维持在一个合理范围内是非常必要的。现在数据中心所消耗的电力仅有约1/3供给了IT负荷，而另外2/3则供给了散热负荷。所以，降低IT设备的发热量则可同时降低设备的散热负荷，为数据中心节约大量电力，故而降低PUE值。

现在很多数据中心的设备的散热采用的还是风冷技术，即是用空调通过压缩的冷风把新鲜的冷风持续灌入设备内部，或通过IT设备上的风扇来进行散热。然而，风冷却有高能耗、低性能、高噪音的问题。采用液冷技术则很好地弥补了风冷技术的短板，实现了低耗能、低噪音、和全年自然冷却的效果。

2.1  液冷技术原理

与风冷技术通过风扇和压缩制冷不同，液冷技术是利用工作流体作为热量传输的媒介，将热量由热区传递到远处再进行冷却。由于液体比空气的比热容高，散热速度也远远快过空气，因此液冷的制冷效率远高于风冷，使数据中心的全年PUE值可下降到1.2以下。

液冷技术的制冷原理主要在于冷量传输的途径差异，冷媒的全热为显热与潜热之和。显热是液体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而所需吸收或放出的热量时不发生相变；而潜热则是为单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相（例如从液体变为气体）时所吸收或放出的热量。

与风冷相比，液冷技术有三个优势：

·与风冷那样间接制冷不同，液冷技术允许冷却剂直接导向热源。

·与风冷相比，因为液体比热容较大，液冷的散热效率比风冷高1000-3000倍。

·液冷系统的噪音比风冷系统小很多，既降低了噪音，同时也节省了风扇和空调系统的电费和耗能。

·服务器CPU在低温下计算性能和可靠性可显著提高，大大增加了CPU的运算效率。

该技术可广泛应用于高功率高密度的数据中心中服务器的散热，为数据中心的散热问题提供一个优异的解决方案。

2.2  液冷数据中心刻不容缓

根据行业研究，采用液冷方式可以很轻松把数据中心PUE做到1.1左右，如果单机柜功率密度达到20KW时候，采用液冷技术就可以节能。

3. 液冷数据中心的优势

 

除此之外，液冷数据中心还具备以下特点：

地理和环境条件无关

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。

数据中心设计更简单，扩展也更高效

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。

减少资本支出和运营费用

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。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。

降低用电效率指标（PUE）和水资源的使用

当用电效率指标低至1.03时，可以构建更具能效、更可持续的数据中心。另外，通过单相或两相浸没式液冷，并使用干式冷却器，可以减少或消除水资源的浪费。

3.1  液冷方式分类

喷淋式（冷媒接触）

 

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（冷媒接触）

单相浸没式液冷（维持液态）在单相浸没式液冷中，电子氟化液保持液体状态。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。

两相浸没式液冷（液态和气态）

在两相浸没式液冷中，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。电子部件直接浸没在容器中的电介质液体中，该容器密封但易于操作。在该容器内，热量从电子部件传递到液体中，并引起液体沸腾产生蒸汽。蒸汽在容器内的热交换器（冷凝器）上冷凝，将热量传递给在数据中心中循环流动的设施冷却水。

冷板式（冷媒非接触）

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。

冷板式图示一

冷板式图示二

3.2  冷却液分类

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。

4  易飞扬液冷光模块

2020年7月，易飞扬宣布完成对于液冷光模块的技术研究。该研究成果适用于易飞扬研发的所有数据中心和5G BBU光模块产品，可以为客户的液冷数据中心提供高可靠性和高性价的光互连解决。

 

4.1  以易飞扬25G液冷光模块为例

（1）内部结构

（2）针对性仿真

·除金手指外，其他部分的SI性能都很好。

·受限于金手指长度宽度及叠层，金手指的SI性能不是很好，但基本可以满足需求。

1.MPD无架高块 vs MPD有架高块(100um)

2.MPD有架高块(500um) vs MPD有架高块(100um)

总结：

·MPD无架高块 vs MPD有架高块(100um)：MPD有架高块(100um)的回损、插损和阻抗匹配都更好一些。

·MPD有架高块(500um) vs MPD有架高块(100um)：两者的回损、插损和阻抗匹配都相接近。

建议：

·MPD有架高块采用100um高度

·金线位置阻抗高，可以打4根金线（需评估空间）

·COC差分对阻抗偏高(约54.3ohm)，可以考虑加宽线宽

（3）验证

常见的用来验证的冷却液有两种：3M氟化液和硅油，它们有以下特点：

·3M氟化液：1-甲氧基-九氟代丁烷，C4F9OCH3，不易燃，价格贵

·硅油：聚二甲基硅氧烷，粘性高，有一定可燃性

实验标准：液冷光模块实验室环境下沉浸累计6个月性能无突变。

 

通过72小时0.5公斤冷却液加压（提升冷却液流动性）和冷却液温度在50℃带电等测试，证明产品可靠性高，保障业务长期稳定。

 

4.2  易飞扬液冷产品优势

具备以上关键技术及通过测试验证的易飞扬浸没式液冷光模块，主要实现如下优点：

·支持直接浸没式或者喷淋式液冷散热方式。

·优化的光器件密封设计，能有效的防止冷却液进入光路中，从而避免了溶液对光路的影响。

·通过72小时0.5公斤冷却液加压测试（提升冷却液流动性），证明产品可靠性高，保障业务长期稳定。

·液冷环境的温度范围满足10-55℃，在冷却液中的工作深度满足大于1m。光模块物料选材满足液冷的长期兼容性要求。

4.3  易飞扬液冷光模块的产品线

 

具备以上关键技术及通过测试验证的易飞扬浸没式液冷光模块，主要实现如下优点：

·支持直接浸没式或者喷淋式液冷散热方式。

·优化的光器件密封设计，能有效的防止冷却液进入光路中，从而避免了溶液对光路的影响。

·通过72小时0.5公斤冷却液加压测试（提升冷却液流动性），证明产品可靠性高，保障业务长期稳定。

·液冷环境的温度范围满足10-55℃，在冷却液中的工作深度满足大于1m。光模块物料选材满足液冷的长期兼容性要求。

4.3  易飞扬液冷光模块的产品线

审核编辑：郭婷