液冷服务器在数据中心的应用研究 (液冷服务器原理)

文章编号：34212 / 分类：行业资讯 / 更新时间：2024-12-11 02:27:27 / 浏览：次

当前，数字化转型推动下，我国数字经济迅速发展，算力成为驱动经济社会增长的新动力。

随着算力需求的增加，全国数据中心规模显著扩大，截至2023年底，机架总规模超过810万标准机架，算力总规模达230EFLOPS，位居世界第二。

然而，算力规模的扩大也导致数据中心能耗剧增，预计到2025年，全国数据中心用电量将达1.2×1011kW•h，二氧化碳排放量预计达到万吨，占全国排放总量的1.23%。

为实现“碳达峰、碳中和”目标，国家已发布多项政策，推动数据中心节能减碳，PUE指标要求加速向1.3、1.25以下演进，传统制冷技术已难以满足需求。

同时，芯片算力密度持续增长，风冷散热技术面临瓶颈，AI服务器等高功耗设备的涌现加剧了机柜空间的紧张。

在国家双碳政策与芯片算力密度双重要求下，液冷技术的应用变得迫切。

液冷技术优势

相比传统风冷技术，液冷技术显著提高散热效率与业务稳定性，同时具备良好的环境适应性与土地使用效率。具体优势如下：

(1) 节能减碳: 数字经济时代，算力需求与5G应用推动信息基础设施快速发展，数据中心能耗与碳排放显著增加。

采用液冷技术，数据中心PUE可降至1.1～1.2左右，有效降低能耗与碳排放。

以100个20kW液冷机柜为例，PUE从1.45降低至1.15，每年可节省用电超过1×107 kW•h，电费节省逾700万元，减碳量达6000吨。

此外，液冷环境能减少或去除风扇，进一步降低服务器能耗。

(2) 延长设备寿命: 根据10℃法则，温度每提高10℃，元器件寿命约缩短50%。

液冷方式可有效降低CPU结温10℃以上，延长服务器使用寿命。

与传统风冷相比，浸没式液冷能移除风扇，降低噪音与灰尘影响，热故障率降低约50%。

服务器故障率的降低与寿命的延长，有效提升业务稳定性和运维效率。

(3) 环境适应性与高密度部署: 传统风冷机柜对环境要求较高，受外部环境与温度影响较大。

液冷机柜适应性更强，在较大温差区域部署仍能保持稳定PUE。

液冷机柜装机密度更高，约为传统风冷机柜的3～4倍，相同算力下节省机房面积达75%。

液冷机房无需部署空调，减少冷水机组，节省空间。

液冷技术路线

液冷服务器使用工质水或氟化液作为散热介质，高效制冷能力显著提升服务器装机密度，减少对机架与机房空间的占用。

液冷技术根据冷却液与发热源的接触方式分为非接触式液冷与接触式液冷两大类。

非接触式液冷: 包括冷板式液冷与热管式液冷。

冷板式液冷通过液体在冷板内流动带走发热元件热量，不直接接触发热源。

热管式液冷将热量转移到服务器外，通过循环水带走热量。

非接触式液冷可大幅降低能耗，数据中心PUE值降至1.2左右，但服务器仍需少量风扇与空调散热。

接触式液冷: 分为浸没式液冷与喷淋式液冷。

浸没式液冷将服务器完全浸没在冷却液中，实现所有发热元件的液冷散热。

喷淋式液冷通过冷却液与散热器接触进行对流换热。

接触式液冷散热能力强，节能效果好，PUE值可降至1.1及以下。

液冷技术对比: 冷板式与单相浸没式液冷在成本、维护性、PUE效果与产业成熟度方面具有优势，是当前业界主流解决方案。

冷板式液冷可实现从传统风冷的平滑过渡，应用广泛。

冷板式液冷主要部件: 包括冷却液、快接头与CDU等。

冷却液需添加缓蚀剂与杀菌剂，快接头确保水路快速连通与截断，CDU提供冷却液分配与物理隔离功能。

液冷服务器与机柜技术要求: 需满足特定设计要求，包括服务器技术要求与机柜技术要求，以确保液冷系统的高效稳定运行。

数据中心引入液冷带来的变化: 包括机房配套、运维与交付模式的变革。

液冷引入需调整机房设计、优化运维流程，并考虑不同交付模式的适应性。

结束语: 引入液冷服务器可显著降低数据中心能耗与碳排放，提升设备稳定性和业务可用性，增加服务器装机密度，减少土地占用。

面对不断增长的算力需求与芯片算力密度提升，液冷技术成为数据中心制冷的关键解决方案。

然而，液冷技术仍面临标准化程度低的挑战，需逐步实现接口标准化，提升液冷系统的易用性与兼容性，充分发挥其在双碳目标中的作用。

英特尔G-Flow可满足千瓦芯片的散热需求，成本可忽略

数据中心算力需求激增，面临功耗和散热挑战。

英特尔推出的G-Flow浸没式液冷技术，为千瓦级芯片提供高效散热方案，成本极低。

相比风冷，液冷在降低PUE、提高散热效率方面优势明显。

风冷通过提高风扇转速实现散热，但能耗增加、噪音和震动影响服务器可靠性，而液冷通过直接带走热量，实现更佳散热效果。

随着技术发展，更高TDP处理器和AI加速器的出现，数据中心散热需求日益增长，转向液冷成为趋势。

业内预测，液冷市场将在2023年进入技术验证阶段，新建数据中心将大量采用液冷技术。

数据中心液冷技术主要包括浸没式和冷板式，每种又分为单相和双相。

浸没式液冷可采用合成油或氟碳化合物，双相浸没式仅使用氟碳化合物。

冷板式则以水为导热介质，单相方案环境友好，双相方案散热能力更强，但技术更复杂。

英特尔支持环保，倾向于使用合成油，避免氟化液的使用。

合成油冷却液在性能、安全性和成本效益方面有显著优势。

单相浸没式液冷技术因其简单、可靠和成本低而受到欢迎。

但散热能力有限，提高液体流量效果不明显。

G-Flow浸没式液冷技术通过建立连通管道，利用重力或泵的吸力加速流体通过散热器，显著提高流速，进而提高散热效率。

该技术改动小，易于部署，适用于现有冷板散热方案的服务器和机柜。

英特尔联合服务器合作伙伴、液冷技术提供商和液冷产品解决方案供应商进行验证工作，与新华三、中兴通讯等服务器厂商合作改造服务器，与埃克森美孚等液冷解决方案供应商合作，确保冷却液兼容性。

与绿色云图和立讯技术等合作伙伴共同解决实践中遇到的问题。

首台样机在实验室运行两个多月，测试结果符合预期。

G-Flow技术将基于合成油的单相浸没式液冷散热能力提高1-2倍，满足千瓦级芯片散热需求。

漫谈数据中心液冷利弊

随着大数据与AI技术的迅猛发展，数据中心的运行状态面临严峻考验，尤其是高密度、高电力需求的数据中心，散热问题变得日益突出。

传统的空气冷却系统开始显得力不从心，液冷技术因其高效能与低能耗特性，逐渐成为关注焦点。

液冷技术实质上是采用高比热容的液体作为传热媒介，将IT设备或服务器产生的热量带走，以达到冷却目的。

早在上世纪60年代，IBM便开始尝试使用液冷技术，如水冷，以降低其大型计算机的温度。

当前，液冷技术主要在高性能计算领域得到应用。

液冷技术大致分为两种类型：直接接触型液冷和间接接触型液冷。

前者包括冷板式液冷，通过将设备固定在冷板上，使液体在板上流动带走热量。

后者通常用于服务器内部的硬盘、电源等部件，无法直接接触液体，需借助风扇散热，此类服务器也被称为气液双通道服务器。

这种冷板式液冷的优点在于对数据中心架构影响较小，噪音低，能效高且成本可控，适合高热密度数据中心的散热需求。

另一种直接接触型液冷方式为浸没式液冷，将服务器等设备完全浸入冷却液中，依靠液体循环带走热量。

这种方式在冷却效率、降低噪音等方面表现出色，适用于对场地、电力要求较高的数据中心。

典型代表如曙光的硅立方。

液冷技术的冷却介质包括水、矿物油与氟化液。

水是最直接且成本低廉的冷却介质，但需注意安全防护，防止泄漏对设备造成损害。

矿物油作为替代选择，成本较低，不易挥发，但在设备表面易形成残留，存在燃烧风险。

氟化液以其绝缘性与不燃特性，成为当前应用最广泛的介质，但高昂的价格限制了其广泛应用。

液冷技术在数据中心领域的应用，尤其对于高性能计算与高密高电数据中心，展现出明显优势。

相较于传统风冷技术，液冷系统能显著降低能源消耗，降低PUE值。

在场地、电力要求较高场景，液冷技术的应用前景广阔。

边缘计算数据中心的兴起，预计未来将有约20%采用液冷技术。

尽管液冷技术展现出巨大潜力，但在标准化支持、改建成本与腐蚀风险等方面仍存在挑战。

缺乏大规模应用案例与技术规范的现状限制了其普及。

改建数据中心以适应液冷技术，需考虑空间利用率、人员维护与再建设成本。

冷却液与空气接触时可能产生的腐蚀风险，也需采取相应措施来降低潜在成本。

总体而言，液冷技术在解决数据中心散热问题、降低能源消耗、提高能效与安全性方面展现出明显优势。

尽管面临挑战，随着技术进步与市场需求的推动，液冷技术在数据中心建设中的应用前景仍然广阔。