数据中心液冷技术那些事

大施简介

李进

施耐德电气IT事业部

业务发展经理

具有数据中心制冷领域多年从业经验， 历任系统工程师，产品经理和业务发展经理，致力于数据中心客户制冷需求以及前沿技术的研究，多次参与《数据中心机房空调系统技术白皮书》的编写。

伴随着云计算，大数据，特别是人工智能技术的创新发展，承担大量数据计算和存储的数据中心，需要更高效来满足业务发展的需要。在解决高热密度数据中心的散热问题方面，液冷具有传统数据中心的空调系统无法比拟的优势，同时能耗更低。

近两年，数据中心液冷技术的话题越来越热，今年十月在北京举行的2018开放数据中心峰会上，就有4、5个专题是探讨液冷技术的，涉及到液冷工质，最佳实践等，并且发布了《液冷技术与应用发展白皮书》，这对于液冷技术的应用推广都起到了推进作用。

什么是液冷？

液冷是指使用高比热容的液体作为热量传输的工质满足服务器等IT设备散热需求的冷却方式。液冷技术并不是最近才应用于计算机和IT领域的，在上个世纪60年代，IBM的大型计算机就采用了水冷技术。目前液冷技术主要应用于高性能计算。

液冷的主要类型有哪些？

按照液体与发热器件的接触方式，液冷主要分为间接接触型液冷和直接接触型液冷。

冷板式液冷：主要发热器件固定在冷板上，依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热的目的，是典型的间接接触型液冷，由于硬盘，电源等其它发热部件依然需要风扇驱动空气来散热，因此目前采用冷板式液冷的服务器也称为气液双通道服务器。冷板式液冷技术经过几年的发展相对成熟，在近两年的开放数据中心峰会上，BAT等互联网巨头分别展示了其冷板式液冷服务器，并且，冷板式液冷服务器对于目前的数据中心的架构影响不大，具有低噪音，高能效以及低总体拥有成本的特点，可解决较高热密度的数据中心的散热问题。

浸没式液冷：顾名思义是将发热元件浸没在冷却液中，依靠液体的流动循环带走IT设备运行产生的热量。浸没式液冷是典型的直接接触型液冷，目前比较流行的方式是将服务器浸没在特殊设计的箱体中，但是这一架构降低了数据中心建筑空间利用率，也有部分厂商为服务器定制设计了一个外壳，外壳将每一个服务器和冷却液包裹起来，在不改变现有数据中心部署架构的前提下，优化了空间利用率。浸没式液冷由于发热元件与冷却液直接接触，散热效率更高，相对于冷板式液冷，噪音更低（完全没有风扇），解决更高热密度和更加节能。

冷却液的主要类型都有哪些？

水

主要是去离子的纯净水，水作为一种容易获得的资源广泛应用于制冷系统中。水具有较高的比热容，是一种良好的散热媒介，其价格低廉环境友好无污染，并且可与现有的系统兼容。但由于水并非绝缘体，只能应用于非直接接触型液冷技术中，一旦发生泄漏会对IT设备造成致命损害。

矿物油

矿物油是一种价格相对低廉的绝缘冷却液，单相矿物油无味无毒不易挥发，是一种环境友好型介质，但是，由于矿物油粘性较高比较容易残留，且其易分解，虽然燃点比较高但毕竟是可燃性物质，在某些特定条件下还是具有燃烧的风险。

氟化液

氟化液最初的作用是线路板清洁液，由于其绝缘且不燃的惰性特点被应用于数据中心液冷技术中，是目前应用最广泛的浸没式冷却液，但也是三种类型冷却液中价格最为昂贵的。

浸没式液冷单相和两相系统哪种比较好？

单相液冷：指冷却液在循环散热过程中没有发生相变，维持液态。单相液冷要求冷却液沸点高，冷却液挥发流失控制相对简单，与IT设备的元器件兼容性高，冷却介质受污染较小，但相对于两相液冷其效率较低。目前公布的浸没式液冷案例绝大部分的是采用单相液冷系统。

两相液冷：指冷却液在循环散热过程中发生了相变。两相液冷传热效率更高，并且无需泵体驱动流体的循环，但是冷却液挥发流失控制相对复杂，密闭的箱体虽然可以解决冷却液挥发流失的问题，但由于发生了相变导致箱体的压力发生变化，压力容器的设计生产需要严格的监管以确保使用的安全。此外冷却液介质易受污染，需要预处理和污染控制来确保系统的正常运行。

液冷技术应用于数据中心的主要驱动力有哪些？

传统服务于高性能计算领域的液冷技术，现在越来越多的应用于数据中心，需求驱动使数据中心运行于更高的密度，以及采用比风冷技术更高效的制冷解决方案。数据中心液冷技术的应用驱动力主要体现在以下几个方面：

1. 人工智能技术的创新与发展

最近几年，CPU的年增长率非常契合摩尔定律，包括GPU, 以及FPGA（现场可编程门阵列）和ASIC（专用集成电路）也在数据中心应用领域呈现快速增长，进一步推高了数据中心IT设备的功率密度。

“机柜的功率密度正在提升，Uptime追踪监测的大部分数据中心的机柜功率密度现在达到了10KW, 甚至部分机柜的功率密度达到了30KW，并且这不是在高性能计算应用领域” Uptime Institute的Andy Lawrence如是说“液冷系统特别是浸没式液冷系统非常适合解决CPUs和GPUs的散热问题”。

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2. 进一步降低数据中心的运行成本

数据中心制冷系统的运行成本是昂贵的，尽管业界不停的创新风冷系统，从传统的机房空调到直接风侧自然冷却的AHU和间接风侧自然冷却的AHU，但是由于空气的载热能力远远低于液体，因此采用液体冷却液的液冷技术可大幅降低数据中心的能源利用率, 已公布的浸没式液冷数据中心的PUE达到1.05甚至更低。对照于风冷系统数据中心的PUE=1.3-1.5，其能效成果非常显著。

3. 边缘计算

并不是所有的边缘计算数据中心都会采用液冷的方式，据估算，将有超过20%的边缘计算数据中心会采用液冷技术。液冷技术由于其高效，部署对建筑物依赖度低以及静音安全等特点，可满足场地电力容量不足的条件下部署更高密度。

数据中心部署液冷技术的主要阻碍有哪些？

既然液冷技术具有风冷技术无法比拟的优点，并且市场的驱动力使得液冷技术的大规模应用具备了坚实的基础，那是不是在数据中心部署液冷技术就没有任何阻碍了呢？显然事情并不是如此简单：

1. 缺乏相应的标准支持

目前液冷技术，尤其是浸没式液冷技术在数据中心还缺乏大规模应用案例，并且缺乏相应的国家或者行业标准对于这一技术进行有效的规范。

2. 数据中心的空间利用率

目前的数据中心物理基础设施的设计是基于目前的风冷系统架构，一个简单的例子，楼体的承重，机房的层高等，浸没式液冷基于液体容器的设计，以及人员维护的便利性，必然造成空间利用率降低。

3. 制冷架构颗粒度过低，造成运行与维护变得复杂

液冷的颗粒度是机柜（箱体）级，服务器级甚至是芯片级的，比目前主流的风冷系统颗粒度过低，系统复杂而且维护也相对困难。

4. 腐蚀

在前文提到的三种常见类型的冷却液，其本身都是没有腐蚀性的，例如水，但水中的其它物质却具有腐蚀性，因此在冷板式液冷中通常采用去离子的纯水。此外，矿物油和氟化物本身也不具备腐蚀性，但由于与空气接触并被空气中的其它物质污染而具有潜在腐蚀IT设备的风险，需要预处理来避免这种情况的发生，也推高了液冷技术部署的成本。

液冷技术对于现有的数据中心的制冷架构是一个巨大的挑战，同时也是巨大的机遇，随着液冷技术的不断完善，必将在数据中心制冷领域占据重要的地位。