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IDC機房溫控：數(shù)據(jù)中心浸沒式液冷技術(shù)研究
發(fā)布時間：2025-09-15
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1引言
隨著人工智能?物聯(lián)網(wǎng)?加密貨幣?AR/VR等計算密集型應用的快速發(fā)展,日益增長的計算需求使數(shù)據(jù)中心逐漸向“高性能?高密度?高能耗”發(fā)展?國家能源局數(shù)據(jù)顯示,2020年我國數(shù)據(jù)中心耗電量突破2000億千瓦時,占全國總用電量的2.7%?數(shù)據(jù)中心的能耗大致由通信及網(wǎng)絡設備?供電配電系統(tǒng)?照明及輔助設備和冷卻系統(tǒng)組成,其中冷卻部分的能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右?提高數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)效率,降低能耗對實現(xiàn)“雙碳”目標至關重要?
海悟集團小編表示常見的液體冷卻方式包括冷板式?噴淋式和浸沒式三種?其中,浸沒式液冷傳熱效率最高且能避免局部熱點,是目前最有可能解決高性能計算環(huán)境中散熱系統(tǒng)所面臨各種問題的技術(shù)手段?本文將圍繞浸沒式液冷技術(shù),對該技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢?實現(xiàn)方案?商業(yè)化進展和應用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)進行介紹?
2浸沒式液冷技術(shù)的優(yōu)勢
作為助推下一代大數(shù)據(jù)中心全新發(fā)展的引擎,浸沒式液冷技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
2.1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(diào)的使用,采用浸沒式液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心具有更低的PUE?根據(jù)UptimeInstitute的調(diào)查數(shù)據(jù),2021年全球大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.57,其中采用傳統(tǒng)風冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心PUE一般在1.8左右,而采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心,無論項目的規(guī)模大小?所處的維度及氣候區(qū),幾乎都可以將PUE控制在1.1以內(nèi)?
2.2更高的功率密度
浸沒式液冷可以大幅提高數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用空氣冷卻系統(tǒng),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?
2.3更高的設備可靠性
美國空軍航空電子整體研究項目(USAirForceAvionicsIntegrityProgram)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?

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浸沒式液冷可使IT設備始終工作在適宜的溫度,浸沒環(huán)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?
2.4更高的空間利用率
浸沒式液冷優(yōu)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(nèi)也不需要空調(diào)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(tǒng)冷卻方案具有更高的空間利用率?
2.5更節(jié)省用水
一項關于數(shù)據(jù)中心用水量的研究指出,全美數(shù)據(jù)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(qū)還將面臨監(jiān)管壓力?傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)通常需要使用大量的水進行蒸發(fā)降溫?浸沒式液冷技術(shù)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(jié)水?
3浸沒式液冷的實現(xiàn)方案
浸沒式液冷將IT設備直接浸泡在冷卻液中,依靠冷卻液吸收設備產(chǎn)生的熱量?按照冷卻液在循環(huán)散熱過程中是否發(fā)生相變,可以分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷?
3.1單相浸沒式液冷
在單相浸沒式液冷系統(tǒng)中,IT設備所有的發(fā)熱組件都完全浸沒在循環(huán)的不導電的冷卻液中,設備發(fā)出的熱量直接傳遞給冷卻液?單相浸沒式液冷的冷卻液通常具有較高的沸點,冷卻液吸熱后并不會發(fā)生相變,始終維持在液態(tài)?
單相浸沒式液冷通過自然對流或泵驅(qū)動冷卻液的循環(huán)?自然對流驅(qū)動的循環(huán)散熱過程,利用了液體受熱后體積膨脹密度減小的特點,較熱的冷卻液會自然上浮,之后被連接到外部冷卻回路的熱交換器冷卻?冷卻后的液體在重力的作用下自然下沉,完成循環(huán)散熱?
與自然對流相比,用泵驅(qū)動循環(huán)冷卻液的方式可以更有效的提高冷卻能力?由泵?熱交換器?傳感器?過濾器組成的裝置被稱為冷卻液分配單元(CDU,),利用CDU可以更加精確地控制冷卻液的溫度和流速?較冷的冷卻液在泵的驅(qū)動下流經(jīng)發(fā)熱元件,將熱量帶走?被加熱的冷卻液在泵的驅(qū)動下進入熱交換器被降溫,之后在泵的作用下繼續(xù)循環(huán)?熱交換器一般用水作為冷卻介質(zhì),熱量最終通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排出?
單相浸沒式液冷的工作原理如圖所示?

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單相浸沒式液冷通常選擇沸點較高的冷卻液,以確保冷卻液在循環(huán)散熱過程中始終保持液態(tài)?氟碳化合物和碳氫化合物(例如礦物油?合成油?天然油)均可用于單相浸沒式液冷?目前3M和Shell等企業(yè)都在生產(chǎn)用于單相浸沒式液冷技術(shù)的冷卻液,不同的是3M的冷卻液為氟化液,而Shell的冷卻液為天然氣制成的合成油,屬于碳氫化合物?
部分適用于單相浸沒式液冷的冷卻液主要參數(shù)如表1所示?

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單相浸沒式液冷的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面,一是冷卻液價格相對更低,部署成本更低;二是冷卻液無相變,無需擔心冷卻液蒸發(fā)溢出或人員吸入的健康風險,更有利于維護?
3.2雙相浸沒式液冷
在雙相浸沒式液冷中,冷卻液在循環(huán)散熱過程中不斷經(jīng)歷從液態(tài)到氣態(tài)再從氣態(tài)回到液態(tài)的相變過程?IT設備完全浸沒在裝有低沸點冷卻液的密閉罐體中,設備發(fā)出的熱量被冷卻液吸收,冷卻液吸熱后溫度升高,達到沸點后開始沸騰,由液態(tài)相變?yōu)闅鈶B(tài),同時產(chǎn)生大量的蒸汽?蒸汽從液體中升起逃逸至液面上方,在液冷罐體內(nèi)形成氣相區(qū)?氣相區(qū)的冷卻液蒸汽與水冷冷凝器接觸,熱量被冷凝器吸收,冷卻液凝結(jié)成液體以液滴的形式落回容器中再次循環(huán),而冷凝器中被加熱的冷卻水則通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)完成排熱?
雙相浸沒式液冷的工作原理如圖3所示:

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為了能有效利用冷卻液的相變過程,并控制IT設備的溫度,用于雙相浸沒式液冷的冷卻液不僅要有良好的熱物理性能?化學及熱穩(wěn)定性?無腐蝕性,還需要合適的沸點?比較窄的沸程范圍以及較高的汽化潛熱?硅酸酯類?芳香族物質(zhì)?有機硅?脂肪族化合物及氟碳化合物等都被嘗試應用于雙相浸沒式液冷?其中,氟碳類化合物綜合性能最好,因此較為常用?目前,3M公司是全球生產(chǎn)浸沒式電子氟化液的領先企業(yè),其生產(chǎn)的Fluorinert™電子氟化液與Novec™電子工程液均有不同型號可以用于雙相浸沒式液冷?兩者均有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性?無味?不可燃?非油基?低毒性?無腐蝕性,可為數(shù)據(jù)中心提供可信賴且可持續(xù)的解決方案?
部分適用于雙相浸沒式液冷的冷卻液主要參數(shù)如表2所示?

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雙相浸沒式液冷充分利用了冷卻液的蒸發(fā)潛熱,可以滿足高功率發(fā)熱元件對散熱的極端要求,使IT設備可以保持滿功率運行?但相變的存在也使得雙相浸沒式液冷系統(tǒng)必須保持密閉,以防止蒸汽外溢流失,同時必須考慮相變過程導致的氣壓變化,以及系統(tǒng)維護時維護人員吸入氣體的健康風險?
4商業(yè)化和應用案例
近年來,浸沒式液冷相關技術(shù)日趨成熟,國內(nèi)外已有多家企業(yè)開始面向客戶提供針對不同散熱需求下的浸沒式液冷技術(shù)解決方案,一些科技公司也已開始將基于浸沒式液冷的散熱系統(tǒng)實際部署在他們的數(shù)據(jù)中心?
阿里云作為國內(nèi)市場占有率第一的云服務提供商,是最早探索和實踐大規(guī)模液冷方案的科技公司之一?2020年1月,阿里云宣布向全社會開放“浸沒液冷數(shù)據(jù)中心技術(shù)規(guī)范”,2020年9月,仁和數(shù)據(jù)中心開服,PUE設計值1.09,相比傳統(tǒng)風冷數(shù)據(jù)中心每年可節(jié)省3000萬度電;2021年12月,阿里云發(fā)布盤久系列液冷一體機ImmersionDC1000,整體能耗可下降34.6%?
與阿里云采用單相浸沒式液冷技術(shù)路線不同,微軟對雙相浸沒式液冷技術(shù)進行了測試?2021年4月,微軟發(fā)布消息稱其使用自研的冷卻液,在位于華盛頓州昆西市的Azure數(shù)據(jù)中心采用了雙相浸沒式冷卻技術(shù),據(jù)微軟發(fā)布的消息,雙相浸沒式液冷可以將服務器的功耗降低5%到15%?
在浸沒式液冷解決方案的供給端,國內(nèi)外均有企業(yè)在積極布局?例如,總部位于美國的GreenRevolutionCooling主要提供數(shù)據(jù)中心單相浸沒式液冷解決方案,面向高性能計算?邊緣數(shù)據(jù)中心?區(qū)塊鏈和加密貨幣等場景提供具有完整冷卻和電力基礎設施的一站式模塊化數(shù)據(jù)中心;總部位于荷蘭的Asperitas采用自然對流驅(qū)動的單相浸沒式液冷技術(shù),其HPCzone系列產(chǎn)品可為各種高性能計算場景提供一站式解決方案?在國內(nèi),浪潮信息于2018年推出了小型可移動的浸沒式液冷超算TS4220LC;中科曙光旗下的曙光數(shù)創(chuàng)推出了相變浸沒式液冷配套解決方案C8000,聲稱能夠?qū)UE值降到1.05以下?
5面臨的問題與挑戰(zhàn)
根據(jù)MordorIntelligence的報告,2020年全球數(shù)據(jù)中心浸沒式液冷市場的整體規(guī)模為2.97億美元,預計到2026年將達到7.03億美元,期間復合年增長率為15.27%?盡管預期增速較快,但現(xiàn)階段在推動數(shù)據(jù)中心快速擁抱浸沒式液冷技術(shù)的進程中,仍面臨不少阻礙和挑戰(zhàn)?包括:
5.1應用場景限制
UptimeInstitute的調(diào)查顯示,2020年全球數(shù)據(jù)中心的平均功率密度僅為8.4kW/r,其中只有3%的數(shù)據(jù)中心的功率密度超過50kW/r?因此,盡管浸沒式液冷技術(shù)的散熱性能極佳,但除了加密數(shù)字貨幣挖礦等特定場景外,常規(guī)數(shù)據(jù)中心將傳統(tǒng)散熱方案升級為浸沒式液冷的需求并不強烈?此外,浸沒式液冷的能效水平在低負載場景下可能會被削弱,嚴遜等人搭建了浸沒式液冷實驗臺,利用假負載測試得到不同室外溫度?不同負載功率下的pPUE(局部PUE)在1.05-1.28之間,同時發(fā)現(xiàn)pPUE隨著負載上升而降低?
5.2設備供應商支持
因為浸沒式液冷技術(shù)使用液體散熱,為了能夠與冷卻液相容,硬件設備通常需要適當調(diào)整以適應浸沒式冷卻?雖然當前部分OEM已支持適用于浸沒式液冷的設備,但仍有不少設備制造商尚未針對浸沒式液冷進行設計或測試?這些OEM可能會取消或停止按照以往服務協(xié)議對這些應用于浸沒式的設備提供質(zhì)保和長期維護服務?
5.3部署和改造成本
在計算浸沒式液冷系統(tǒng)的部署成本時,需要綜合考慮所有實際支出?不僅包含液冷設備罐體和冷卻液的價格以及后續(xù)的維護成本,還包括泵?換熱器?過濾器?傳感器等一系列用來滿足液冷系統(tǒng)設計實踐的其它設施的改造和維護成本?尤其是對于那些已按照風冷系統(tǒng)建設完成的數(shù)據(jù)中心來說,改造成本往往是巨大的?
上述問題能否以及以何種方式解決,將成為決定未來浸沒式液冷技術(shù)能否快速和規(guī)?；渴鸬年P鍵?
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