服務器液冷的未來發(fā)展趨勢

　　《中國液冷數(shù)據(jù)中心發(fā)展白皮書》

　　隨著新基建大潮洶涌而來，數(shù)據(jù)中心新建和擴容的步伐逐步加快。超大型數(shù)據(jù)中心飛速發(fā)展和空間載體不足將加快單機柜功率密度的迅猛提升，預計2025年平均功率可達25kW?！栋灼氛{查顯示，截至2019年底，全國在用數(shù)據(jù)中心同比增長28.6\%，在建數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長30\%，特別是北上廣深等一線城市增速明顯。

　　“雙碳”政策部署

　　雖然時至今日國內(nèi)大部分服務器或數(shù)據(jù)中心普遍還是采用傳統(tǒng)的風冷散熱，但隨著國家“雙碳”政策的部署落實，嚴格的PUE值限定，使得大部分風冷服務器應用的數(shù)據(jù)中心面臨散熱技術升級改造或全面的技術替代，液冷技術已成為服務器散熱的必然趨勢。

　　什么是液冷數(shù)據(jù)中心

　　液冷數(shù)據(jù)中心是指應用液冷技術和液冷服務器等設備的數(shù)據(jù)中心，與傳統(tǒng)風冷服務器相比，液冷服務器的熱量導出方式不同。液冷是指使用液體取代空氣作為冷媒，為發(fā)熱部件進行換熱，帶走熱量的技術。液冷服務器是指將液體注入服務器，通過冷熱交換帶走服務器熱量的一種服務器。一般來說，行業(yè)將液冷分為直接冷卻和間接冷卻。目前直接冷卻以浸沒式液冷技術為主，同時可分為相變和非相變兩種，間接冷卻以冷板式液冷技術為主。浸沒式液冷技術是一種以液體作為傳熱介質，發(fā)熱器件浸沒于液體中，通過直接接觸進行熱交換的冷卻技術。

　　液冷數(shù)據(jù)中心有哪些優(yōu)勢?

　　優(yōu)勢一:液冷技術的高效制冷可有效提升服務器的使用效率和穩(wěn)定性。

　　液體傳導熱能效果更好，是空氣的25倍，溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，能夠實現(xiàn)IT設備高效制冷。

　　同時，由于液體的比熱容大，在吸收大量熱量后自身溫度不會產(chǎn)生明顯的變化，故而能夠定CPU溫度。即使服務器遇到突發(fā)操作，運行功率激增也不會引起CPU內(nèi)部溫度大幅升高，保障CPU在一定范圍內(nèi)進行超頻工作不會出現(xiàn)過熱故障。

　　優(yōu)勢二:應用液冷技術有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能、降噪。

　　首先，液冷數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)風冷數(shù)據(jù)中心相比，去掉了空調系統(tǒng)以及對應的風冷基礎設施，增加了循環(huán)泵，能夠節(jié)約建設成本。

　　其次，與風冷系統(tǒng)相比，液冷數(shù)據(jù)中心能節(jié)省約30\%的能源，有效降低能源消耗比，可以將PUE(數(shù)據(jù)中心能源效率的指標)降到1.05，滿足綠色數(shù)據(jù)中心的要求。

　　最后，在相同散熱條件下，液冷系統(tǒng)所使用的泵和冷卻液系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)相比噪聲更小，可達到“靜音機房”的效果。

　　優(yōu)勢三:應用液冷技術有助于提高數(shù)據(jù)中心單位空間的服務器密度，大幅提升數(shù)據(jù)中心的運算效率。

　　液冷數(shù)據(jù)中心雖然增加了泵和冷卻液系統(tǒng)，但是省卻了空調系統(tǒng)和相應基礎設施的建設，節(jié)省了大量空間，可以容納更多的服務器。

　　同時，液冷技術冷卻能力優(yōu)良，足以應對高功率密度數(shù)據(jù)中心的冷卻工作，因此液冷數(shù)據(jù)中心可以配置高密度的服務器，從而得到更高的運算效率。

　　優(yōu)勢四:液體冷卻服務器能夠無視海拔和地域等環(huán)境影響。

　　數(shù)據(jù)中心是一個電子設備密集型的場所，影響數(shù)據(jù)中心正常運行的因素有很多，其中海拔高度是很少被提及，但對數(shù)據(jù)中心影響很大的因素。

　　海拔越高的地區(qū)，大氣壓或空氣密度越低，導致空氣介質冷卻效應降低，空氣散熱能力下降。對于風冷數(shù)據(jù)中心，由于散熱能力下降，溫升增高，因此，為了保證數(shù)據(jù)中心的散熱效率，空調系統(tǒng)的溫度需要調低，而將造成更多能量的損耗。

　　相比空氣而言，液體比熱容不受海拔與氣壓的影響，因此高海拔地區(qū)液冷數(shù)據(jù)中心的散熱效率與低海拔地區(qū)相比無差距，仍可以保持較高的散熱效率，保證數(shù)據(jù)中心在高海拔地區(qū)的運行效率和性能。

　　優(yōu)勢五:液冷數(shù)據(jù)中心余熱可以創(chuàng)造經(jīng)濟價值。數(shù)據(jù)中心IT設備24小時不間斷運行并散發(fā)巨大的熱能。

　　若這些熱量直接排放到大氣中，對環(huán)境而言是一種能源浪費。液冷數(shù)據(jù)中心熱量是以液體為載體，可以直接通過熱交換接入樓宇采暖系統(tǒng)和供水系統(tǒng)，滿足附近居民的供暖、溫水供應等需求。不僅節(jié)省了能源，也為數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造了附加價值。浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心把計算、存儲及網(wǎng)絡設備基于液冷環(huán)境進行完全重構，將IT設備浸沒在絕緣無腐蝕性的冷卻液中，熱量被冷卻液吸收后直接通過冷卻系統(tǒng)高效地傳導到外界，打破風冷散熱瓶頸且實現(xiàn)PUE逼近1.0，同時密封的箱體保障IT設備不受潮濕、有害氣體、振動影響，提升設備可靠性達50\%以上。

　　服務器液冷的解決方案

　　間接液冷服務器原理(圖片來源于網(wǎng)上，侵刪)

　　當前數(shù)據(jù)中心高密服務器的液冷解決方案主要分兩大類，間接液冷技術與直接液冷技術，這種分類主要是基于液冷方案的室內(nèi)末端形式劃分的。

　　間接液冷技術是指服務器熱源與液冷劑之間沒有直接接觸的換熱過程，主要分類有冷板式與熱管式。

　　其中冷板式根據(jù)載冷劑在換熱過程中是否發(fā)生相變分為“單相冷板式”與“相變冷板式”，熱管式根據(jù)冷凝端的散熱形式分為“兩級熱管式”、“熱管+水冷式”。目前應用最多的是單相冷板式液冷解決方案。

　　直接液冷服務器原理(圖片來源于網(wǎng)上，侵刪)

　　快速連接器作為液冷系統(tǒng)內(nèi)的熱插拔組件，柜內(nèi)部署，泄漏影響大。

　　因此，可靠、安全、易維護的流體連接器對整個液冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關重要，必須確保液體不會泄漏而導致電子元件損壞。關于液冷連接器方案設計

　　冷板式液冷結構部署(侵刪)

　　冷板式設計有關要求使用軟管連接，一般不存在連接應力問題，但是需要保證連接的可靠性，一般會采用“寶塔”接頭，可通過過盈連接或者增加卡箍的方式保證連接可靠性。

　　使用硬管連接，連接可靠性較好，但是容易出現(xiàn)連接應力問題，需設計緩沖區(qū)來加以解決。

　　冷板的設計需要考慮可維護性，對于內(nèi)存等易維護部件，建議做到免工具維護冷板的對外管路接頭為快速接頭，不同的液冷系統(tǒng)，可選擇盲插接頭和非盲插接頭。冷板指標要求見下圖：

　　冷板的指標要求

　　快速連接器：五大重要特性

　　液冷應用中選擇正確的快速連接器時要考慮以下五個特性：①需滿足免工具維護的需求，可以免工具進行快速接頭的斷開和接合;②需滿足連接與斷開中冷卻液的泄漏不影響維護過程以及對服務器和機柜不會造成不良影響;③需滿足和冷卻液的材料兼容要求;④需滿足發(fā)生故障并需要更換時，能方便更換的要求;⑤需滿足液冷系統(tǒng)的阻抗要求，在指定流量范圍內(nèi)，阻抗應盡可能低，有利于降低液冷系統(tǒng)的能耗。

　　(冷板、管路推薦材料)

　　快速接頭指標要求

　　目前，液冷服務器技術在我國仍處于應用初期，產(chǎn)業(yè)鏈尚不完備、設備采購成本偏高、采購渠道少、電子元器件的兼容性低、液冷服務器專用冷卻液成本高等問題是液冷服務器尚未大規(guī)模推廣的重要原因。但總體來看，隨著IT云建設規(guī)模、建設密度的繼續(xù)攀升，以及液冷產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的逐步成熟，對服務器計算性能、延遲、吞吐、制冷、定制化、分布式部署等方面都提出了更高要求。未來，GPU服務器、定制化整機柜服務器、液冷服務器等新興服務器技術將快速迭代，也將為液冷連接器及相關解決方案的發(fā)展和演進帶來新的思路和選擇。

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