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數據中心液冷技術那些事

來源:UPS應用 作者:施耐德電氣IT事業部 李進 更新時間:2019/5/17 16:20:16

摘要:近兩年,數據中心液冷技術的話題越來越熱,在2018開放數據中心峰會上,就有4、5個專題是探討液冷技術的,涉及到液冷工質,最佳實踐等,并且發布了《液冷技術與應用發展白皮書》,這對于液冷技術的應用推廣都起到了推進作用。

  近兩年,數據中心液冷技術的話題越來越熱,在2018開放數據中心峰會上,就有4、5個專題是探討液冷技術的,涉及到液冷工質,最佳實踐等,并且發布了《液冷技術與應用發展白皮書》,這對于液冷技術的應用推廣都起到了推進作用。

  1 概述

  (1)什么是液冷?

  液冷是指使用高比熱容的液體作為熱量傳輸的工質滿足服務器等IT設備散熱需求的冷卻方式。液冷技術并不是最近才應用于計算機和IT領域的,在上個世紀60年代,IBM的大型計算機就采用了水冷技術。目前液冷技術主要應用于高性能計算。

  (2)液冷的主要類型有哪些?

  按照液體與發熱器件的接觸方式,液冷主要分為間接接觸型液冷和直接接觸型液冷(圖1)。

  ①冷板式液冷:主要發熱器件固定在冷板上,依靠流經冷板的液體將熱量帶走達到散熱的目的,是典型的間接接觸型液冷,由于硬盤,電源等其它發熱部件依然需要風扇驅動空氣來散熱,因此目前采用冷板式液冷的服務器也稱為氣液雙通道服務器。冷板式液冷技術經過幾年的發展相對成熟,在近兩年的開放數據中心峰會上,BAT等互聯網巨頭分別展示了其冷板式液冷服務器,并且,冷板式液冷服務器對于目前的數據中心的架構影響不大,具有低噪音,高能效以及低總體擁有成本的特點,可解決較高熱密度的數據中心的散熱問題。圖2為冷板式液冷示例。

  ②浸沒式液冷:顧名思義是將發熱元件浸沒在冷卻液中,依靠液體的流動循環帶走IT設備運行產生的熱量。浸沒式液冷是典型的直接接觸型液冷,目前比較流行的方式是將服務器浸沒在特殊設計的箱體中,但是這一架構降低了數據中心建筑空間利用率,也有部分廠商為服務器定制設計了一個外殼,外殼將每一個服務器和冷卻液包裹起來,在不改變現有數據中心部署架構的前提下,優化了空間利用率。浸沒式液冷由于發熱元件與冷卻液直接接觸,散熱效率更高,相對于冷板式液冷,噪音更低(完全沒有風扇),解決更高熱密度和更加節能。圖3為浸沒式液冷示例。

  (3)冷卻液的主要類型都有哪些?

  ①水:主要是去離子的純凈水,水作為一種容易獲得的資源廣泛應用于制冷系統中。水具有較高的比熱容,是一種良好的散熱媒介,其價格低廉、環境友好、無污染,并且可與現有的系統兼容。但由于水并非絕緣體,只能應用于非直接接觸型液冷技術中,一旦發生泄漏會對IT設備造成致命損害。

  ②礦物油:礦物油是一種價格相對低廉的絕緣冷卻液,單相礦物油無味無毒不易揮發,是一種環境友好型介質,但是,由于礦物油粘性較高比較容易殘留,且其易分解,雖然燃點比較高,但畢竟是可燃性物質,在某些特定條件下還是具有燃燒的風險。

  ③氯化鉀:氟化液最初的作用是線路板清潔液,由于其絕緣且不燃的惰性特點被應用于數據中心液冷技術中,是目前應用最廣泛的浸沒式冷卻液,但也是三種類型冷卻液中價格最為昂貴的。

  (4)浸沒式液冷單相和兩相系統哪種比較好?

  ①單相液冷:指冷卻液在循環散熱過程中沒有發生相變,維持液態。單相液冷要求冷卻液沸點高,冷卻液揮發流失控制相對簡單,與IT設備的元器件兼容性高,冷卻介質受污染較小,但相對于兩相液冷其效率較低。目前公布的浸沒式液冷案例絕大部分的是采用單相液冷系統。

  ②兩相液冷:指冷卻液在循環散熱過程中發生了相變。兩相液冷傳熱效率更高,并且無需泵體驅動流體的循環,但是冷卻液揮發流失控制相對復雜,密閉的箱體雖然可以解決冷卻液揮發流失的問題,但由于發生了相變導致箱體的壓力發生變化,壓力容器的設計生產需要嚴格的監管以確保使用的安全。此外冷卻液介質易受污染,需要預處理和污染控制來確保系統的正常運行。

  (5)液冷技術應用于數據中心的主要驅動力有哪些?

  傳統服務于高性能計算領域的液冷技術,現在越來越多的應用于數據中心,需求驅動使數據中心運行于更高的密度,以及采用比風冷技術更高效的制冷解決方案。數據中心液冷技術的應用驅動力主要體現在以下幾個方面:

  2 人工智能技術的創新與發展

  最近幾年,CPU的年增長率非常契合摩爾定律,包括GPU,以及FPGA(現場可編程門陣列)和ASIC(專用集成電路)也在數據中心應用領域呈現快速增長,進一步推高了數據中心IT設備的功率密度。

  “機柜的功率密度正在提升,Uptime追蹤監測的大部分數據中心的機柜功率密度現在達到了10kW,甚至部分機柜的功率密度達到了30KW,并且這不是在高性能計算應用領域”Uptime Institute的Andy Lawrence如是說“液冷系統特別是浸沒式液冷系統非常適合解決CPUs和GPUs的散熱問題”。

  3 進一步降低數據中心的運行成本

  數據中心制冷系統的運行成本是昂貴的,盡管業界不停的創新風冷系統,從傳統的機房空調到直接風側自然冷卻的AHU和間接風側自然冷卻的AHU,但是由于空氣的載熱能力遠遠低于液體,因此采用液體冷卻液的液冷技術可大幅降低數據中心的能源利用率,已公布的浸沒式液冷數據中心的PUE值達到1.05甚至更低。對照于風冷系統數據中心的PUE值=1.3-1.5,其能效成果非常顯著。

  4 邊緣計算

  并不是所有的邊緣計算數據中心都會采用液冷的方式,據估算,將有超過20%的邊緣計算數據中心會采用液冷技術。液冷技術由于其高效,部署對建筑物依賴度低以及靜音安全等特點,可滿足場地電力容量不足的條件下部署更高密度。

  5 數據中心部署液冷技術的主要阻礙有哪些?

  既然液冷技術具有風冷技術無法比擬的優點,并且市場的驅動力使得液冷技術的大規模應用具備了堅實的基礎,那是不是在數據中心部署液冷技術就沒有任何阻礙了呢?顯然事情并不是如此簡單:

  ①缺乏相應的標準支持

  目前液冷技術,尤其是浸沒式液冷技術在數據中心還缺乏大規模應用案例,并且缺乏相應的國家或者行業標準對于這一技術進行有效的規范。

  ②數據中心的空間利用率

  目前的數據中心物理基礎設施的設計是基于目前的風冷系統架構,一個簡單的例子,樓體的承重,機房的層高等,浸沒式液冷基于液體容器的設計,以及人員維護的便利性,必然造成空間利用率降低。

  ③制冷架構顆粒度過低,造成運行與維護變得復雜

  液冷的顆粒度是機柜(箱體)級,服務器級甚至是芯片級的,比目前主流的風冷系統顆粒度過低,系統復雜而且維護也相對困難。

  ④腐蝕

  在前文提到的三種常見類型的冷卻液,其本身都是沒有腐蝕性的,例如水,但水中的其它物質卻具有腐蝕性,因此在冷板式液冷中通常采用去離子的純水。此外,礦物油和氟化物本身也不具備腐蝕性,但由于與空氣接觸并被空氣中的其它物質污染而具有潛在腐蝕IT設備的風險,需要預處理來避免這種情況的發生,也推高了液冷技術部署的成本。液冷技術對于現有的數據中心的制冷架構是一個巨大的挑戰,同時也是巨大的機遇,隨著液冷技術的不斷完善,必將在數據中心制冷領域占據重要的地位。

  作者簡介

  李進,施耐德電氣IT事業部業務發展經理。具有數據中心制冷領域多年從業經驗,歷任系統工程師,產品經理和業務發展經理,致力于數據中心客戶制冷需求以及前沿技術的研究,多次參與《數據中心機房空調系統技術白皮書》的編寫。

  責任編輯:DJ編輯

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