概要
随着人工智能、区块链、云计算、大数据以及元宇宙等各种信息技术的快速发展，数据中心能耗的持续增长已经成为整个行业以及政府部门关注的热点。上篇文章《全球高温，电力吃紧。是时候关注新技术了！》提到，2021年数据中心的耗电量相较2020年增长了44%，高达2166亿千瓦时，占全国总用电量2.6%。2021年7月工信部印发了《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》的通知。要求到2023年底，新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下，严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。液冷技术凭借能耗低、散热性能好等特点进入人们的视野，并逐渐得到大家的重视。本文分析了浸没式、冷板式以及喷淋式三种液冷技术的特性以及优劣势，希望为人们进行数据中心建设提供一些参考。
液冷技术概述
液冷是指使用液体作为热量传导媒介，通过冷却液与服务器发热部件直接或间接接触的方式换热，将发热部件产生的热量带走的一种服务器散热技术。相比而言，传统的散热方式是使用空调为整个机房进行制冷以及采用风扇直吹服务器发热部件，通过空气将热量带走（传统的散热方式也称“风冷”）。由于液体的比热容高，所以液体的热传导效果大大高于空气的效果，是空气的25到1000倍，热传导效果更快、更优。
图1：传统风冷与液冷对比示意图
上一篇文章我们提到了液冷技术的5大优势，液冷技术专家王承顺还提到，“液冷方案下，服务器没有了隆隆的轰鸣声，大大降低了噪声污染。此外，由于液冷方案散热效果好，服务器性能可以在原来基础上提升20%到50%，为客户创造更高的效益。还有，通过液冷技术可以很好的将服务器余热回收利用，我们去年冬季通过服务器余热回收技术为居民供暖近100万平。”
液冷技术的分类1）液冷技术按照冷却液与服务器发热部件接触方式不同，分为直接接触式液冷和间接接触式液冷。
直接接触式液冷是指冷却液与发热部件直接接触，又分为浸没式液冷和喷淋式液冷；间接接触式液冷大部分采用冷板与服务器发热部件接触，冷却液通过冷板内部循环流动，所以我们一般称间接接触式液冷为冷板式液冷技术。
2）液冷技术根据冷却液是否发生相变也可分为单相式液冷和相变式液冷。
单相式液冷是指冷却液在为服务器散热过程中温度变化时不发生相变；相变式液冷是指冷却液经过给服务器散热后冷却液温度升高发生相变。相变式液冷的冷却液沸点低，一般40度左右就会发生相变。冷却液相变后，经过冷凝器液化回流，这种液冷方式一般用于浸没式液冷技术中。
液冷技术方案构成
液冷技术方案一般由三大模块组成，服务器液冷机柜、换热系统和冷却系统。
图2：液冷技术方案结构图
1）服务器液冷机柜用于放置服务器等IT设备。最小的机柜有做成一台服务器的箱体，大的机柜在业内有像格劳瑞做成可以容纳数百个机位的标准集装箱机柜；
2）换热系统将服务器液冷机柜中的冷却液热量换成水或直接为其他液体加热，一般由板式换热器构成；业内也有不采用板式换热器，直接通过冷却塔为冷却液降温的方案。但实践中，通过换热器加冷却塔循环水的方案制冷能力和效果为最佳；
3）冷却系统一般分为三种方式。第一种采用冷却塔+水箱的方式，这个和前两个模块组成一套系统；可以随时随地单独使用，迁移也相对方便；第二种将换热系统换出的热水用于供暖、生活热水、温泉或用于养热带鱼等等，目前在业内已有小规模应用；第三种是在水量充沛或恰好有合适的活水情况下，将热水直接排走，冷水直接进换热系统的回水口。据王承顺介绍，格劳瑞有一个客户做海水淡化项目，他们恰好需要40-50度的海水。这是一个比较典型的热水再利用项目。
浸没式液冷技术
浸没式液冷是指将服务器设备完全沉浸在冷却液里，通过冷却液与发热部件直接接触实现为服务器设备散热。这种方式下，服务器发热部件完全浸泡在冷却液中，发热部件与冷却液接触充分，发出的热量随时被循环的冷却液带走，从而达到为服务器散热的效果。
图3：浸没式液冷技术实践
由于冷却液与服务器设备完全接触，这对于冷却液的要求就非常高，在安全性、绝缘性、不易燃、热传导效果好等方面都有比较高的要求。目前业内常见的冷却液分为如下三种：
1）氟化液：氟化液最初是电路板清洁液，它的特性就是不导电且不易燃。氟化液是目前应用比较多的浸没式液冷冷却液，但是价格非常昂贵。
2）矿物油：矿物油是一种价格低廉的绝缘冷却液，无味无毒不易挥发，是一种环境友好型冷却液。但矿物油粘性相对较高，且其易分解，在特定条件下具有燃烧风险。
3）去离子水：水的比热容较高，是一种良好的冷却液，价格低廉环境友好无污染。但由于水本身并非绝缘体，应用不当的情况下容易还原成带离子而导电。只能应用于非直接接触型液冷技术中，一旦发生泄漏会对IT设备造成致命损害。
喷淋式液冷技术
喷淋式液冷系统是一种面向服务器发热部件精准喷淋、直接接触式的液冷技术，冷却液通过重力或系统压力直接喷淋至发热器件或与之连接的固体导热材料上，并与之进行热交换实现对服务器的散热。在热交换的工作过程中，服务器内冷却液的液面低于被冷却的发热部件或与之连接的固体导热材料，系统通过服务器外部的换热单元对冷却液换热并循环使用。
图4：喷淋式液冷技术实践
喷淋式液冷同浸没式液冷方案一样，也是与服务器发热部件直接接触，这就要求冷却液满足安全性、绝缘性、不易燃、大比热容等特点。
冷板式液冷技术
冷却液不直接与服务器发热部件接触，主要发热部件固定在冷板上，依靠流经冷板内部的冷却液在设计好的液冷散热装置内循环流动，将热量带走的冷却方式。为了提升换热能力，要尽可能增大换热面积，必须要尽可能将冷板平整地贴合在服务器发热部件表面，不规则的发热部件很难采用这种换热形式。只有形状比较规则的芯片才适合采用冷板散热。这也就造成了冷板式液冷方案的一大问题：服务器中其余的存储、内存、电源等占服务器近30%的热量，依然需要采用传统风冷方案去散热。这也导致冷板式液冷方案必须同时叠加两套散热系统，成本和实际系统PUE都会有所上升。
图5：冷板式液冷技术实践
冷板式液冷方案的冷却液与服务器发热部件不直接接触，对冷却液的要求就不像浸没式液冷的冷却液那么高。当然，对其高导热性，大比热容以及稳定性还是有要求的，冷却液也要具备安全、无腐蚀、无毒、不易燃等特点。
三种方案对比
截至目前，国内外使用浸没式液冷和冷板式液冷方案的厂商较多，接近一半一半的比例。喷淋式液冷技术采用的比较少。从下表可以看出，针对二手服务器改造而言，浸没式液冷改造成本低，安装成本低；对于新机而言，如果已经进行了液冷改造，冷板式液冷更有优势。
浸没式冷板式喷淋式建设成本冷却液用量大，与冷板式相比建设成本略高主要成本在换热系统和冷却系统，成本适中通过改造机柜，增加必须装置，成本较少服务器改造成本基本无需改造，新、老设备均可使用冷板需要定制，改造成本高服务器改动小，成本较少运营成本服务器故障需从液体捞出，运维成本高基本跟风冷没有太大差异，运维成本低服务器部件有冷却液，运维成本适中安装成本去除风扇、清灰，安装风扇模拟器，成本低改造冷板，基本维持风冷状态，成本低不改变服务器形态，安装便捷冷却液冷却液使用量大，对冷却液安全性要求高冷却液用量小，要求低冷却液用量适中，要求高服务器兼容性根据冷却液不同，需要进行兼容性测试根据服务器定制冷板，兼容所有机器根据冷却液不同，需要进行兼容性测试空间利用率最高较高中等
表1：三种液冷技术方案对比
小结
随着信息技术的快速发展，数据中心的能耗需求也在大幅提升，对企业发展和能源需求将带来更大的挑战。液冷技术在数据中心节能降耗方面的效果已经得到大家的一致认可和接受，特别是有部分厂商已经开始量产液冷服务器设备。当然，如果在所有数据中心推广，做到行业大规模应用，仍需提高技术的创新性和适用性，这也是一个逐步发展、逐步完善的过程，必须依托服务器厂商、数据中心运营商、服务器使用商等产业链各个角色的共同推进。液冷技术类似汽车电动化一样，给数据中心领域带来革命性的变化。期待更快的得到产业链上下游各类厂商的支持，更多的采用液冷技术，为人类节能降耗做出更大的贡献。
历史文章：
作者：格劳瑞。首发于微信公众号「清链学堂在线」，原文链接。转载请注明出处。 Markdown 版本