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服務器液冷技術的三種形式介紹與浸沒式液冷技術的優勢

合明科技 ?? 4201 Tags:冷板式液冷浸沒式液冷噴淋式液冷

一、根據目前技術進程的研究成果及冷卻原理,將液冷技術分為冷板、浸沒和噴淋3種主要形式。


1 冷板式液冷


冷板式液冷系統是在常規風冷服務器基礎上,將 CPU 等高密度散熱元件一側緊貼板式換熱器,元件熱量通過熱傳導至板內絕緣介質或可相變的熱管的系統。冷板式液冷方案中冷卻液不與發熱設備直接接觸,該種技術可實現對 CPU 和內存等部件進行精確制冷。值得注意的是,冷板式液冷系統不是純粹的液冷,而是通過冷板進行熱傳導,系統中的低熱流密度元件仍采用風冷散熱方式。

冷板式液冷系統在設計時主要分為2種類型,一 類是在機柜外部部署冷卻液分配單元(CDU),另一類是無冷卻 液分配單元形式。數據中心最常見的液體冷卻實施形式是使用 CDU 將設施冷卻系統與機柜冷卻系統分開安裝處理。由于液體的高比熱,相較于傳統風冷散熱模式,冷板式散熱效率有了很大提升。實際的數據中心制冷方式中,一 般將冷板式液冷與風冷系統結合來進行制冷,既可以有效減少總體擁有成本,也顯著提高了數據中心的能源利用效率。冷板式液冷系統的安裝維護與常規風冷系統基本一致,所以該種液冷技術的運維難度基本與傳統空調一致。因 此,冷板式液冷系統是目前使用最為廣泛的液冷系統。


2 浸沒式液冷


浸沒式液冷系統是指冷卻液與電子發熱設備直接接 觸,將IT設備直接浸沒在絕緣冷卻液中,依靠冷卻液帶走 發熱元件產生的熱量,然后通過水循環將熱量傳遞到室外 散熱裝置。根據冷卻液是否發生相變,浸沒式液冷分為單 相浸沒式液冷和相變浸沒式液冷。單相浸沒式液冷系統設計簡單,冷卻液容納更易實現,材料兼容性更強,流體中污染物顧慮更少,其系統原理如圖2所示。

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兩相浸沒式液冷系統指IT設備產生的熱量直接有效地傳遞給絕緣冷卻液,依靠冷卻液的沸騰/凝結相變過程及流動循環將處理器等設備運行產生的熱量帶走,其原理如圖3所示。

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相較冷板式液冷系統,浸沒式液冷具有更低的對流熱阻和傳熱系數;與此同時,相較于冷板進行熱傳導,與散熱件直接接觸的冷卻液具有更高的熱導率和比熱容,運行溫度變化率更小,制冷效率更高。浸沒式液冷系統無風冷散熱系統特點,使得整體耗電降低10%以上,時效性更加突出。該液冷技術適用于對熱流密度、綠色節能需求較高的大型數據中心、超級計算、工業及其他計算領域和科研機構,特別是應用于地理環境或安裝空間苛刻的數據中心具有明顯的優勢。


3 噴淋式液冷


與浸沒式液冷系統相同,噴淋式液冷的冷卻液與散熱設備直接接觸,噴管將冷卻液噴淋到發熱元件,冷卻液將熱量吸收后再排出系統,排出的廢熱由換器熱與外部環境直 接或間接進行換熱,最終將來自散熱元件的熱量排走。噴淋液冷系統具有器件集成度高、散熱效率強、高效節能和靜音等特點,是解決大功耗數據中心散熱問題的有效手段之一。但噴淋式液冷系統中存在噴淋板流量不均勻問題, 因此噴淋裝置對流體力學計算要求較高,無法應對實際發熱過程中隨處理器運行效率的變化發熱量也不斷變化的制冷需求。

二、浸沒式液冷技術的優勢


作為助推下一代大數據中心全新發展的引擎,浸沒式液冷技術的優勢主要體現在以下幾個方面:


1)更高的能源利用率
浸沒式液冷使用冷卻液作為熱傳輸媒介,液體具有更高的導熱率和比熱容,因此可以更快地傳導以及更有效地吸收熱量。同時,因為減少了風扇和空調的使用,采用浸沒式液冷技術的數據中心具有更低的PUE。根據Uptime Institute的調查數據,2021年全球大型數據中心平均PUE為1.57,其中采用傳統風冷技術的數據中心PUE一般在1.8左右,而采用液冷技術的數據中心,無論項目的規模大小、所處的維度及氣候區,幾乎都可以將PUE控制在1.1以內。
2)更高的功率密度
浸沒式液冷可以大幅提高數據中心單位空間的服務器密度,從而更好地支持高密度計算。傳統數據中心采用空氣冷卻系統,可冷卻的機架功率密度通常為10kW、15kW,而浸沒式液冷可以將單機架功率提升到100kW甚至200kW以上,因此完全可以滿足高密度計算場景對散熱的需求。


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3)更高的設備可靠性


美國空軍航空電子整體研究項目(US Air Force Avionics Integrity Program)認為,溫度、振動、濕度和粉塵是造成電子設備故障的主要因素。
浸沒式液冷可使IT設備始終工作在適宜的溫度,浸沒環境有效避免了濕度(空氣中的水會造成元器件的銹蝕,而冷卻液可以保護設備)、灰塵等對設備的不良影響。此外,因服務器和機房不再需要風扇,從而有效解決了噪音和振動問題。
4)更高的空間利用率
浸沒式液冷優異的散熱性能使服務器可以緊密排列,無需隔開距離,同時無需配置風扇,機房內也不需要空調和冷凍機組,無需安裝冷熱通道封閉設施,更不需要架空地板,因此浸沒式液冷比傳統冷卻方案具有更高的空間利用率。
5)更節省用水
一項關于數據中心用水量的研究指出,全美數據中心每天的用水量高達17億升,而這其中55%為可飲用水。巨大的用水量不僅增加了運營成本,在對水資源使用量有限制的地區還將面臨監管壓力。傳統的空氣冷卻技術通常需要使用大量的水進行蒸發降溫。浸沒式液冷技術的冷卻液可以在較高溫度下工作(可達45℃),即使在較熱的氣候條件下,仍可有效利用自然冷卻,減少了對主動排熱設備的需求,因此更節水。




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