隨著計算能力和性能需求的提高，AI人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和機器學習等技術進步，數(shù)據(jù)中心基礎設施和IT設備的溫度不斷上升。更多的計算意味著更多的能量，更多的能量意味著更多的熱量，更多的熱量意味著需要更多的冷卻，而冷卻又消耗更多的能量，如此循環(huán)往復。

鑒于傳統(tǒng)空氣冷卻系統(tǒng)的低效率，以及注重可持續(xù)性的設計目標、國家政策管控、不斷上升的電力成本以及冷卻CPU和GPU的技術需求，對更高效、更低功耗的冷卻系統(tǒng)的需求是顯而易見的。

有專家預測液冷解決方案將是高性能計算散熱的未來。預計到2026年全球浸沒式液冷市場將從今年的2.43億美元增長至7億美元。這是由于越來越多的數(shù)據(jù)中心的建設以及對經(jīng)濟高效和環(huán)保的冷卻解決方案的需求不斷增長。

液體冷卻是計算機冷卻中的新興技術，具有可以處理更大的功率密度、運行干凈，安靜、成本遠低于傳統(tǒng)的空氣冷卻等優(yōu)勢。研究表明，高性能計算領域在浸沒式液冷市場中占據(jù)了第二大份額。

液冷散熱的方式有哪些？

傳統(tǒng)服務器利用空氣帶走機箱內(nèi)發(fā)熱元件發(fā)出的熱量，冷卻能耗高、噪音大、設備密度低。風冷所不能解決的高能耗、低性能的問題，液冷技術可以得到顯著的改善。

冷板式液冷散熱

即利用工作流體作為中間熱量傳輸?shù)拿浇椋瑢崃坑蔁釁^(qū)傳遞到遠處再進行冷卻。在該技術中，工作液體與被冷卻對象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過液冷板等高效熱傳導部件將被冷卻對象的熱量傳遞到冷媒中，因此冷板式液冷技術又稱為間接液冷技術。該技術將冷卻劑直接導向熱源，同時由于液體比空氣的比熱大，散熱速度遠遠大于空氣，因此制冷效率遠高于風冷散熱，每單位體積所傳輸?shù)臒崃考瓷嵝矢哌_1000倍，可有效解決高密度服務器的散熱問題，降低冷卻系統(tǒng)能耗及聲噪。

藍海大腦液冷服務器 HD210 H系列突破傳統(tǒng)風冷散熱模式，采用風冷和液冷混合散熱模式——服務器內(nèi)主要熱源 CPU 利用液冷冷板進行冷卻，其余熱源仍采用風冷方式進行冷卻。通過這種混合制冷方式，可大幅提升服務器散熱效率，同時，降低主要熱源 CPU 散熱所耗電能，并增強服務器可靠性。經(jīng)檢測，采用液冷服務器配套基礎設施解決方案的數(shù)據(jù)中心年均 PUE 值可降低至 1.2 以下。

冷板式液冷服務器特點：

節(jié)能性更優(yōu)：整體機房空調(diào)系統(tǒng)能耗降低70%；服務器風扇功耗降低70%~80%；液冷系統(tǒng)可實現(xiàn)全年自然冷卻，PUE<1.1，整體機房風液混合冷卻系統(tǒng)PUE<1.2

器件可靠性更高：CPU滿載運行核溫約40-50℃，比風冷降低約 30℃；服務器系統(tǒng)溫度比風冷降低約 20℃

性能更優(yōu)：CPU和內(nèi)存工作溫度大幅降低，可實現(xiàn)超頻運行，計算機集群性能可提高5%

噪聲更低：液冷散熱部分水循環(huán)噪音極低，風冷部分風扇轉(zhuǎn)速降低，噪音減小，降低約30dB，滿載運行噪音<60dB。

功率密度提升：單機柜功率密度可達25KW以上，相比風冷散熱方式大幅提升。

浸沒式液冷散熱

浸沒式相變液冷服務器，在浸沒式液體相變冷卻系統(tǒng)中，將服務器主板、CPU、內(nèi)存等發(fā)熱量大的元器件完全浸沒在冷媒中，在工作狀態(tài)下，各發(fā)熱部件會產(chǎn)生熱量，引起冷媒溫度上升。當冷媒溫度升高到系統(tǒng)壓力所對應的沸點，冷媒工質(zhì)發(fā)生相變，從液態(tài)變化為氣態(tài)，通過汽化熱吸收熱量實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，這種通過冷媒吸收熱量冷卻的技術即相變液冷技術。浸沒式相變液冷技術利用液體相變將熱量直接帶走，減少了傳熱過程的熱阻，相比冷板式液冷，浸沒式液冷技術具有更高的傳熱效率，是液冷之中最節(jié)能、最高效的新興制冷模式。

熱虹吸散熱

由密度、高度差產(chǎn)生介質(zhì)循環(huán)流動動力，通過介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝實現(xiàn)熱流的傳輸與轉(zhuǎn)換。

技術特點

傳熱效率高，利用介質(zhì)的相變，通過工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝傳遞熱流，不需外加動力

等溫性能優(yōu)

結構簡單適應性好，可進行分離式結構設計，進行遠距離熱傳輸

性能測試，不同風量下的熱阻測試，便于不同服務器的節(jié)能優(yōu)化設計

關鍵技術

蒸發(fā)器強化換熱結構設計

介質(zhì)選用及灌裝

焊接密封

液體冷卻的優(yōu)點

將液體冷卻用于各個領域的原因各不相同，如支持更高的功率密度；降低數(shù)據(jù)中心的成本；提高能源效率等。

可擴展電源范圍

在數(shù)據(jù)經(jīng)濟中，IT資源往往超出可用能力，浸沒式液冷降低功耗并提高計算能力。液體冷卻裝置使用更少的功率，并且可以使服務器本身更有效地運行，同時還可以容納更多的計算機，減少構建數(shù)據(jù)中心的需求。

減少資本支出

構建傳統(tǒng)風冷數(shù)據(jù)中心的前期成本很高：從建筑設計到空氣處理器和冷水機組的安裝，高架地板以及其他要求可能會使新的數(shù)據(jù)中心構建困難。通過消除對傳統(tǒng)風冷數(shù)據(jù)中心的所有空氣處理基礎設施的需求，液體冷卻可以將資本支出減少一半。同時由于占地面積更小，還可以減少構建數(shù)據(jù)中心本身的資本支出。

更高的能源效率

能源效率是數(shù)據(jù)中心功能的最終決定因素，使用液體冷卻比使用空氣要高得多。現(xiàn)在，許多正在獲得動力的服務器應用程序都是GPU密集型的，超出了可用功率的限制。浸沒式液冷技術可以將能耗減少一半，大大提高了數(shù)據(jù)中心的效率，開辟了新的可能性途徑。更高效地利用電源可以節(jié)省資金，增加服務器密度，并保護環(huán)境中的稀缺資源。

液體冷卻的誤區(qū)

公眾對浸沒式冷卻的看法尚未趕上該技術本身的發(fā)展。圍繞這項技術的誤區(qū)有很多，這些誤區(qū)影響著關于部署哪種冷卻解決方案的決策。

液體冷卻比傳統(tǒng)冷卻更昂貴

事實恰恰相反。液體浸泡實際上比傳統(tǒng)冷卻便宜得多。研究表明使用液體解決方案在數(shù)據(jù)中心和能源上節(jié)省了數(shù)百萬美元的部署費用。

通過浸沒式液冷，即使是服務器本身的運行成本也更低。它們沐浴在冷卻液中，不需要低效的風扇。除了從基礎架構中節(jié)省的資金外，這還將運行服務器的成本降低了約五分之一。節(jié)省的成本從安裝開始，初始要求較低，然后在整個冷卻系統(tǒng)的運行過程中繼續(xù)累積。資本支出和運營支出在流動性方面都明顯較低。冷卻成本比空氣低95%。

一種復雜的解決方案

雖然浸沒式液冷與傳統(tǒng)的空氣系統(tǒng)不同，但它在機械上要簡單得多，而不是更復雜。如，GRC的浸沒式液冷系統(tǒng)幾乎沒有移動部件，與高磨損空氣冷卻相比，這極大地簡化了維護手段。

此外，浸沒式液冷的優(yōu)雅設計使技術人員能夠輕松訪問服務器以進行熱插拔等。它還使整個數(shù)據(jù)中心更簡單，無需冷熱通道，高架地板，冷水機組，濕度控制，空氣處理器以及空氣冷卻所需的大部分電氣設備。

使用的冷卻液非常昂貴

液體冷卻雖然冷卻能力是空氣的1200倍，但不需要更多的成本。相反，整個系統(tǒng)的成本遠遠低于空氣冷卻。

很難與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心集成

液體冷卻在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的效果非常好。使用其現(xiàn)有基礎架構升級較舊的數(shù)據(jù)中心，甚至可以在運行中的風冷設施中加入一個高性能液冷服務器區(qū)域。液體冷卻系統(tǒng)的安裝非常簡單，可以根據(jù)需要將其安裝到傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。

液冷散熱的應用

液體冷卻已經(jīng)廣泛應用于傳統(tǒng)風冷很難充分冷卻，并涉及到高密度計算各個領域，已經(jīng)巧妙地展示其價值。

超級計算

高性能計算(HPC)對處理器本身以及冷卻都需要大量的能量。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心噪音通常大到需要保護聽力，液體冷卻在可以無聲地運行的同時還節(jié)省了大約一半的基礎設施成本。

人工智能和機器學習

由于人工智能使用強大的處理器需要進行大量并行計算，大量使用電力設備并產(chǎn)生熱量，耗電量是平均水平的幾倍。因此，AI數(shù)據(jù)中心需要變得更大以適應這些需求。AI的實時處理將處理器推向極限，液體冷卻超出了這些限制，從而實現(xiàn)更快、更智能的計算。

區(qū)塊鏈和加密貨幣

區(qū)塊鏈正在迅速擴展到加密貨幣以外的領域。如用于驗證數(shù)據(jù)的擴展網(wǎng)絡需要大量的計算；復雜的數(shù)學計算產(chǎn)生的熱量通過液體冷卻更有效地消散。為了產(chǎn)生利潤，區(qū)塊鏈應用程序需要最大限度地減少其運行位置的功耗。

總結

空氣冷卻與液體冷卻

雖然空氣冷卻和浸沒式冷卻都使用介質(zhì)（空氣或液體）將熱量從組件中帶走，但在機械功能，成本效益以及可以支持的計算能力方面存在巨大差異。

空氣冷卻通過一系列設備從外部推動空氣，包括空氣處理器和機房空調(diào)（CRAC）。冷卻的空氣通過高架地板進入冷通道，然后通過服務器，在那里它吸走熱量，然后進入熱通道。從那里，空氣返回空氣處理機以重新開始其旅程。

相比之下，浸沒式液冷需要直接將服務器浸入流體中，這種流體的熱量傳遞效率是空氣的一千倍以上。這種液體通過冷卻分配單元（CDU）循環(huán)，該單元通過熱交換器散熱，使液體返回到啟動狀態(tài)。

空氣冷卻通過復雜的機制推動熱量，這些機制在金錢和空間上花費很多。這與浸泡在非蒸發(fā)液體中形成鮮明對比。由于液體冷卻系統(tǒng)中的熱量由設施的冷卻劑處理，因此廢熱甚至可以重復使用來加熱建筑物的水和空氣。

液體浸入方法具有更簡單的機制，只需要三個活動部件。這極大地幫助了運行數(shù)據(jù)中心的各個方面。構建液體冷卻數(shù)據(jù)中心更容易，成本更低，設備故障頻率更低，并支持更高的計算密度。

性能

在性能方面，空氣冷卻的最高功率約為每機架30千瓦，效率損失約為其一半。相比之下，液體冷卻可以處理每個機架超過100千瓦的功率，在某些情況下是其兩倍。數(shù)據(jù)中心越來越多地運行能源密集型負載，如人工智能和加密。這些通常采用功耗成倍增加的專用處理器。

位置

空氣冷卻將數(shù)據(jù)中心限制在空氣過濾和其他基礎設施適合的某些位置，而液體冷卻的要求較少，可以安裝在任何地方。

防止環(huán)境危害

服務器設備通常會經(jīng)歷環(huán)境磨損，從而逐漸降低可靠性。暴露于這些元素的數(shù)據(jù)中心，如邊緣計算站點，面臨著額外的壓力?？諝庵泻兴趾托☆w粒，會干擾系統(tǒng)的完整性。浸沒式冷卻液將電子設備裝在“盔甲”中，以應對這些威脅。浸入式冷卻器中的油可作為防塵、氧化、腐蝕、振動和許多其他風險的保護外殼。計算機設備保持安全，冷卻液連續(xù)作用以保持較低的工作溫度。

相比之下，空氣冷卻會引入含有污染物的空氣，這些污染物可以中和IT設備。由于缺乏保護液，傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均故障間隔時間（MTBF）變短。昂貴的濕度控制系統(tǒng)、維護和其他資源只能提供有限的覆蓋范圍?？諝饫鋮s使服務器面臨影響穩(wěn)定性的風險，而液體冷卻則提供環(huán)境保護。

總結

空氣冷卻無法跟上不斷增長的數(shù)據(jù)中心需求。液冷正在流入以修復事物。不僅解決了空氣的所有關鍵問題，而且遠遠超出了范圍。液冷散熱處理更高的服務器密度，同時減少噪音和功耗。除了其卓越的冷卻能力外，液體冷卻還具有其他幾個優(yōu)點，如位置獨立性和低成本?？偠灾?，液體冷卻比空氣冷卻具有足夠的優(yōu)勢，使其成為一種不平衡的比較。

審核編輯：湯梓紅