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                        泡澡、淋浴、冷氣片——數據中心液冷模式與應用一覽

                        來源:中國IDC圈 作者: 更新時間:2022/3/21 9:15:18

                        摘要:當數據中心單機柜密度接近20KW時,風冷散熱逐漸接近極限。液冷技術既能支撐更高計算負載,還能提供更高效的散熱、更低能耗,同時受地域氣候的限制更小,無疑更適用于當前高功率、高密度數據中心發展趨勢。

                          今年7月,工信部印發的《新型數據中心發展三年行動計劃(2021-2023年)》提出:“鼓勵應用高密度集成等高效IT設備、液冷等高效制冷系統、高壓直流等高效供配電系統、能效環境集成檢測等高效輔助系統技術產品”。

                          12月,發改委等四部門發布的《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和 5G 等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》表示“鼓勵使用高效環保制冷技術降低能耗。支持數據中心采用新型機房精密空調、液冷、機柜式模塊化、余熱綜合利用等方式建設數據中心。”

                          液冷是指使用液體作為冷媒,為發熱部件進行換熱,帶走熱量的技術??捎美涿桨ㄋ?、礦物油、電子氟化液等。相較于空氣作為冷媒,液冷具有散熱效率更高,耗電量更低等優勢,最早在航天、大型計算機等領域有應用。

                          20世紀后期至今,風冷憑借成本低、部署簡單等優勢,逐漸成為數據中心普遍的冷卻方式。

                          然而隨著信息技術發展,受5G、工業互聯網、云計算、人工智能等應用的拉動,數據存儲、計算需求大幅提升,數據中心的服務器單機柜密度越來越高,風冷的散熱、能耗問題成為數據中心發展瓶頸。液冷再度受到青睞,眾多企業展開液冷在數據中心應用的研發,形成多種部署方式和產品。

                          目前我國數據中心液冷有哪些部署方式,應用情況如何?IDC圈帶你來看看。

                          冷板式液冷

                          冷板式液冷是一種間接冷卻方式。

                          在冷板式液冷系統中,液體不直接接觸發熱的器件如服務器,而是通過裝有液體的冷板導熱,然后通過液體循環帶走熱量。冷板通常采用導熱性良好的金屬如銅、鋁等制成,內盛液體。

                          整個冷板式液冷系統可以分為兩部分:室外側循環和室內側循環,其中室內側循環熱量轉移主要是通過冷卻液溫度的升降實現,室外側循環的熱量轉移主要通過水溫的升降實現。

                          典型產品與應用

                          在國內,中科曙光于2012年開始服務器液冷探索,是國內最早開始液冷技術研究的企業。

                        冷板式液冷——TC4600E-LP

                          冷板式液冷——TC4600E-LP

                          2015年,國內首款標準化量產的冷板式液冷服務器——TC4600E-LP由曙光推出。該服務器是風冷和液冷混合散熱模式,液冷散熱比可提高至90%以上,采用集成管理模塊設計,在整箱刀片式液冷服務器中的CPU芯片和內存上安裝固定水冷板,冷媒通過進出口循環流動。

                          同年,中科院大氣物理研究所的“地球數值模擬裝置原型系統”率先使用冷板式液冷服務器,大大提高散熱效率,也成為國內液冷服務器大規模使用的第一個公開案例。2017年,該系統上榜當年全球高性能計算機(HPC)TOP500榜單。

                          發展現狀

                          冷板式液冷技術,服務器等發熱期間不用直接接觸液體,所以不需要對數據中心機房設備進行重新改造,可操作性更強,因此是我國最早采用的液冷方式,成熟度較高,應用較廣泛。

                          目前,聯想、浪潮、新華三等IT基礎設施企業都推出了冷板式液冷的相關技術和產品,百度、騰訊、美團等互聯網企業也對冷板式液冷進行技術研究和試驗驗證,在冷板式液冷產業內形成了強勁的帶動作用。

                          浸沒式液冷

                          浸沒式液冷為直接冷卻,將發熱器件完全浸沒在冷卻液中,發熱器件與液體直接接觸,并進行熱交換。由于直接接觸,所以浸沒式的散熱效率較冷板式高,可支持更高功率密度的IT部署,提升能源使用效率。

                          按照熱交換過程中冷卻液是否存在相態變化,液冷可分為單相液冷和相變液冷兩類。前者的冷卻液在循環散熱過程中始終維持液態,后者冷卻液吸收熱量后沸騰形成氣體,冷凝降溫后重新變為液態。

                          浸沒式液冷系統一般分為浸沒腔體子系統、冷卻子系統、室外冷源系統、監控系統四部分。

                          典型產品與應用情況

                          自2015年起,阿里巴巴對液冷技術和方案展開研究、探索,自主研發了浸沒式液冷服務器——服務器整體浸泡在絕緣、無腐蝕性的冷卻液中,可以把服務器中CPU、內存條、芯片組、擴展卡等電子器件在運行時所產生的熱量均通過冷熱交換帶走。由于箱體密封,可保護IT設備免于外界環境的影響,極大提高設備可靠性。

                        阿里云液冷

                          阿里云在IDCC大會現場展示的液冷模塊

                          2020年,全球規模最大的全浸沒式液冷數據中心——阿里仁和數據中心投入運營。浸沒式液冷的使用大大降低了冷卻能耗,該數據中心PUE只有1.09,一年可以節省上千萬度電。

                          發展現狀

                          為了與浸沒式液冷系統兼容,數據中心的服務器、網絡設備、監控乃至整體設計均需作出改變,成本較高,因此大規模應用尚屬少數。

                          目前,浪潮、網宿科技、英偉達、3M等企業也已在自身領域開展了浸沒式液冷研發,并推出相關產品。

                          阿里云除在自身數據中心對浸沒式液冷進行規?;渴鹜?,也已開啟對外商業化輸出的腳步。在剛剛結束的第十六屆中國IDC產業年度大典上,阿里云發布了阿里云磐久液冷系列產品,其中磐久液冷一體機Immersion DC,是可以在“全球任何氣象區域部署,并且實現PUE1.09左右的一體化解決方案”。

                          噴淋式液冷

                          噴淋式液冷顧名思義,是將冷卻液直接噴淋到發熱器件表面或與發熱器件接觸的擴展表面上,液體吸熱后排走,再與外部冷源進行熱交換。

                          噴淋式液冷系統包括噴淋式液冷機柜系統(含管路、布液系統、回液系統和PDU等部件)、液冷服務器、冷卻液三部分。

                          應用發展

                          噴淋式冷卻目前在數據中心的大規模應用與實踐較少。

                        廣東合一自主研發的噴淋液冷系統

                          廣東合一自主研發的噴淋液冷系統

                          廣東合一自主研發了“芯片級精準噴淋液冷技術”,為“國家大數據試驗場”提供噴淋式液冷集裝箱式數據中心以及服務器噴淋液冷化整體解決方案,整個數據中心的能效指標PUE值在1.03-1.1之間。

                          中國長城于則去年推出了我國首臺國產化噴淋式液冷服務器。

                          當數據中心單機柜密度接近20KW時,風冷散熱逐漸接近極限。液冷技術既能支撐更高計算負載,還能提供更高效的散熱、更低能耗,同時受地域氣候的限制更小,無疑更適用于當前高功率、高密度數據中心發展趨勢。

                          一項技術從研發、商用,到形成完整的上下游產業生態需要時間和過程,也需要極強的驅動力,后者往往來源于成本或政策。曾經的風冷是如此,液冷亦是如此。

                          如今,隨著更多企業參與液冷技術和產品研發,雙碳戰略及數據中心行業多項政策要求,無疑為數據中心應用液冷等綠色技術的腳步按下了快進鍵。

                          責任編輯:張華

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