【知识】液冷技术或成服务器散热未来趋势

 

《中国液冷数据中心发展白皮书》

随着新基建大潮汹涌而来，数据中心新建和扩容的步伐逐步加快。超大型数据中心飞速发展和空间载体不足将加快单机柜功率密度的迅猛提升，预计2025年平均功率可达25kW。《白皮书》调查显示，截至2019年底，全国在用数据中心同比增长28.6%，在建数据中心规模增长30%，特别是北上广深等一线城市增速明显。

 

“双碳”政策部署

虽然时至今日国内大部分服务器或数据中心普遍还是采用传统的风冷散热，但随着国家“双碳”政策的部署落实，严格的PUE值限定，使得大部分风冷服务器应用的数据中心面临散热技术升级改造或全面的技术替代，液冷技术已成为服务器散热的必然趋势。

 

什么是液冷数据中心

01	液冷数据中心是指应用液冷技术和液冷服务器等设备的数据中心，与传统风冷服务器相比，液冷服务器的热量导出方式不同。液冷是指使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热，带走热量的技术。
02	液冷服务器是指将液体注入服务器，通过冷热交换带走服务器热量的一种服务器。一般来说，行业将液冷分为直接冷却和间接冷却。
03	目前直接冷却以浸没式液冷技术为主，同时可分为相变和非相变两种，间接冷却以冷板式液冷技术为主。 浸没式液冷技术是一种以液体作为传热介质，发热器件浸没于液体中，通过直接接触进行热交换的冷却技术。

 

液冷数据中心有哪些优势

 

优势一:液冷技术的高效制冷可有效提升服务器的使用效率和稳定性。

 

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，能够实现IT设备高效制冷。

 

同时，由于液体的比热容大，在吸收大量热量后自身温度不会产生明显的变化，故而能够定CPU温度。即使服务器遇到突发操作，运行功率激增也不会引起CPU内部温度大幅升高，保障CPU在一定范围内进行超频工作不会出现过热故障。

 

优势二:应用液冷技术有助于实现数据中心节能、降噪。

 

首先，液冷数据中心与传统风冷数据中心相比，去掉了空调系统以及对应的风冷基础设施，增加了循环泵，能够节约建设成本。

 

其次，与风冷系统相比，液冷数据中心能节省约30%的能源，有效降低能源消耗比，可以将PUE（数据中心能源效率的指标）降到1.05，满足绿色数据中心的要求。

 

最后，在相同散热条件下，液冷系统所使用的泵和冷却液系统与传统的空调系统相比噪声更小，可达到“静音机房”的效果。

优势三:应用液冷技术有助于提高数据中心单位空间的服务器密度，大幅提升数据中心的运算效率。

 

液冷数据中心虽然增加了泵和冷却液系统，但是省却了空调系统和相应基础设施的建设，节省了大量空间，可以容纳更多的服务器。

 

同时，液冷技术冷却能力优良，足以应对高功率密度数据中心的冷却工作，因此液冷数据中心可以配置高密度的服务器，从而得到更高的运算效率。

优势四:液体冷却服务器能够无视海拔和地域等环境影响。

 

数据中心是一个电子设备密集型的场所，影响数据中心正常运行的因素有很多，其中海拔高度是很少被提及，但对数据中心影响很大的因素。

 

海拔越高的地区，大气压或空气密度越低，导致空气介质冷却效应降低，空气散热能力下降。对于风冷数据中心，由于散热能力下降，温升增高，因此，为了保证数据中心的散热效率，空调系统的温度需要调低，而将造成更多能量的损耗。

 

相比空气而言，液体比热容不受海拔与气压的影响，因此高海拔地区液冷数据中心的散热效率与低海拔地区相比无差距，仍可以保持较高的散热效率，保证数据中心在高海拔地区的运行效率和性能。

 

优势五:液冷数据中心余热可以创造经济价值。数据中心IT设备24小时不间断运行并散发巨大的热能。

 

若这些热量直接排放到大气中，对环境而言是一种能源浪费。液冷数据中心热量是以液体为载体，可以直接通过热交换接入楼宇采暖系统和供水系统，满足附近居民的供暖、温水供应等需求。不仅节省了能源，也为数据中心创造了附加价值。

 

浸没式液冷数据中心把计算、存储及网络设备基于液冷环境进行完全重构，将IT设备浸没在绝缘无腐蚀性的冷却液中，热量被冷却液吸收后直接通过冷却系统高效地传导到外界，打破风冷散热瓶颈且实现PUE逼近1.0，同时密封的箱体保障IT设备不受潮湿、有害气体、振动影响，提升设备可靠性达50%以上。

服务器液冷的解决方案

间接液冷服务器原理

（图片来源于网上，侵删）

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。

直接液冷服务器原理

（图片来源于网上，侵删）

快速连接器作为液冷系统内的热插拔组件，柜内部署，泄漏影响大。

 

因此，可靠、安全、易维护的流体连接器对整个液冷系统的稳定性和可靠性至关重要，必须确保液体不会泄漏而导致电子元件损坏。

 

关于液冷连接器方案设计

冷板式液冷结构部署（侵删）

冷板式设计有关要求

使用软管连接，一般不存在连接应力问题，但是需要保证连接的可靠性，一般会采用“宝塔”接头，可通过过盈连接或者增加卡箍的方式保证连接可靠性。
 

使用硬管连接，连接可靠性较好，但是容易出现连接应力问题，需设计缓冲区来加以解决。
 

 

冷板的设计需要考虑可维护性，对于内存等易维护部件，建议做到免工具维护冷板的对外管路接头为快速接头，不同的液冷系统，可选择盲插接头和非盲插接头。冷板指标要求见下图：

冷板的指标要求

快速连接器：五大重要特性

液冷应用中选择正确的快速连接器时要考虑以下五个特性：

 

①需满足免工具维护的需求，可以免工具进行快速接头的断开和接合；

 

②需满足连接与断开中冷却液的泄漏不影响维护过程以及对服务器和机柜不会造成不良影响；

 

③需满足和冷却液的材料兼容要求；

 

④需满足发生故障并需要更换时，能方便更换的要求；

 

⑤需满足液冷系统的阻抗要求，在指定流量范围内，阻抗应尽可能低，有利于降低液冷系统的能耗。

（冷板、管路推荐材料）

快速接头指标要求

 

 

 

 

目前，液冷服务器技术在我国仍处于应用初期，产业链尚不完备、设备采购成本偏高、采购渠道少、电子元器件的兼容性低、液冷服务器专用冷却液成本高等问题是液冷服务器尚未大规模推广的重要原因。

 

但总体来看，随着IT云建设规模、建设密度的继续攀升，以及液冷产业生态体系的逐步成熟，对服务器计算性能、延迟、吞吐、制冷、定制化、分布式部署等方面都提出了更高要求。

 

未来，GPU服务器、定制化整机柜服务器、液冷服务器等新兴服务器技术将快速迭代，也将为液冷连接器及相关解决方案的发展和演进带来新的思路和选择。