數據中心冷板液冷技術

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什么是冷板式液冷？

冷板式液冷技術是通過冷板（通常是銅、鋁等高導熱金屬構成的封閉腔體）將發熱元器件的熱量間接傳遞給封閉在循環管路中的冷卻液體，通過冷卻液體將熱量帶走的一種實現方式。

冷板式液冷的技術原理即利用工作流體作為中間熱量傳輸的媒介,將熱量由熱區傳遞到遠端后再進行冷卻。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卻液中，因此冷板式液冷技術又稱為間接液冷技術。冷板式液冷技術原理如圖所示。

圖1 冷板式液冷技術原理

比熱容（Specific Heat Capacity，SHC）符號為 c，簡稱比熱，也稱比熱容量,是熱力學中常用的一個物理量。它指在沒有相變化和化學變化時，單位質量的某種物質升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量，其國際單位制中的單位是[J/（kgK ）]，即1kg 的物質的溫度上升 1K（℃）所需的能量。一個物體的比熱容越大，物體的吸熱或散熱能力越強。

冷板式液冷技術用冷卻液替代空氣成為換熱介質，將冷卻液直接導向發熱芯片模塊，通過間接接觸換熱，將發熱芯片產熱導出，降低芯片模塊的溫度，提高其計算性能。由于液體比空氣的比熱大，單位溫度變化所需吸收/放出的熱量遠遠大于空氣。以水為例，其每單位體積所傳輸的熱量即散熱效率較空氣高 3500 倍，可有效解決日漸升高的高密度服務器的散熱

問題；由液冷代替風冷，去除了風機的應用，降低了整個冷卻系統的設備運行能耗，并可有效降低噪聲，為實現“0 噪音機房”提供了可能。

與直接將主板和芯片模塊跟冷卻液接觸的直接式液冷技術(浸沒)相比,冷板式液冷技術具有以下優勢。

第一，冷板式液冷技術的冷卻液在冷板管路中流動，并不與主板和芯片模塊直接接觸，其材料兼容性更好。在冷卻液的選擇上，可以只考慮冷卻液與循環管路和冷板之間的兼容性。

第二，冷板式液冷技術可以通過保留現有服務器主板的原始形態改裝實現，這種方式拆卸簡單、安裝方便且技術成熟度高，產業化和規模化生產更可行。

但是，相比直接式液冷技術，冷板式液冷技術的冷卻液和發熱芯片的間接接觸，增加了傳熱過程的熱阻，使其換熱效果弱于直接式冷卻。

目前，大多數的冷板式液冷系統在數據中心還無法完全獨立運行。也就是說，除了大部分關鍵發熱器件的熱量采用微通道冷板液冷散熱外，仍然有一部分元器件采用傳統的風冷輔助散熱,“液冷占比”就是一個重要的衡量指標。

簡單來說,“液冷占比”就是將所有液冷覆蓋的發熱部件由液冷帶走的熱功率除以所有發熱部件的總功耗。如果液冷占比越少，風冷占比越多，也就意味著冷卻效率越低。所以，盡可能地提升液冷對熱負荷的散熱占比,是所有液冷探索和研究的目標。

這就好比一輛混合動力汽車，即便采用了氫能、太陽能等清潔能源，但如果這些清潔能源僅能保證很短的續航里程，耗盡后剩下的大量里程還是需要傳統的不可再生能源驅動，那么這樣的嘗試所具有的先進性和實用性就是有限的。

為了實現從“使用了液冷進行散熱”到“完全用液冷進行散熱”，極致液冷占比的終極目標便是“無風扇設計”。而對于工程師而言，首先面臨的挑戰就是如何使冷板和管道覆蓋大部分的重點發熱部件。

從只覆蓋發熱量大的 CPU、GPU 組件到將絕大多數組件納入回水通路,需要將各個部件重新優化布局，設計合適且簡單的串并聯管路，保證后端組件的冷卻品質不會下降，同時還要考慮對泵系統進行冗余設計，每個環節都是考驗。高液冷占比冷板式液冷系統架構如圖2 所示。

圖2 高液冷占比冷板式液冷系統架構

對熱端部件進行大量覆蓋后，提高冷板與發熱部件之間的傳熱效率,也是瓶頸所在。增強換熱一般有兩個手段：一是增加溫差；二是減小熱阻。但增加溫差，也就意味著降低回水溫度，對能效會有負面的影響。所以為了榨干液冷有限的能力，只能選擇第二種方式。

液冷系統的冷板采用了微通道技術，從工藝層面提高了制造精度。這種微通道結構具有良好的流阻性能，內部傳熱面積也大幅提高，最終能夠實現泵在較低功率下實現較高傳熱效率的目標。

冷板式液冷術語及定義

液冷

一種采用液體帶走發熱器件熱量的數據中心制冷方式，適用于需提高計算能力、能源效率、部署密度等應用場合。

冷板式液冷

通過冷板（通常為銅鋁等導熱金屬構成的封閉腔體）將發熱器件的熱量間接傳遞給封閉在循環管路中的冷卻液體，通過冷卻液體將熱量帶走的一種形式。

液冷機柜

提供冷卻液體進出，針對電子設備進行冷卻的裝置。

CDU

英文全稱為Coolant Distribution Unit，即冷量分配單元，是指用于進行液冷電子設備間的冷卻液體分配的系統，提供二次側流量分配、壓力控制、物理隔離、防凝露等功能。

冷源裝置

用于將液體回路的熱量帶出到室外大氣中的裝置，一般放置在建筑物的室外。

一次側循環系統

連接室外冷源裝置的循環回路系統，也稱CWS Loop，屬于液冷系統一次側。

專用冷卻液系統

連接冷量分配單元（CDU）和冷卻設備之間的專用冷卻液循環系統，也稱TCSLoop，屬于液冷系統二次側。

集水器（Manifold）

用于連接各路加熱管供回水的配、集水裝置，按進、回水方式不同分為分水器和集水裝置，按進、回水方式不同分為分水器和集水器。

快速接頭

用于液冷系統中的一種不需要工具就能實現管路連通或斷開的接頭。

縮略語

CDU　Coolant Distribution Unit　　冷量分配單元

UPS　Uninterruptible Power System　　不間斷電源

MTBF　Mean Time Between Failure　　平均故障間隔時間

MTTR　Mean Time To Restoration　　平均修復時間

關于浸沒式液冷，你一定要知道這些（上）

你還在用傳統風冷為數據中心電子硬件降溫嗎？3M率先進行數據中心液體冷卻技術變革，提供能源環保型解決方案，一篇文章為你科普浸沒式液冷的常見小知識！

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Q1什么是浸沒式液冷？

浸沒式液冷是一種通過直接將硬件浸入絕緣性液體（例如3M? Fluorinert?或3M? Novec?電子氟化液）中，以此冷卻數據中心IT硬件的方法。電子部件產生的熱量直接有效地傳遞給浸沒液體。這就降低了對于傳統冷卻方法中常見的熱界面材料、散熱器、風扇、屏蔽罩、鈑金和其他部件的需求。

Q2 與空氣冷卻相比，浸沒式液冷有什么好處？

與傳統空氣冷卻相比，使用3M氟化液進行浸沒式液冷具有提升熱效率（即PUE更低）、數據中心的性能和可靠性等諸多優勢。

浸沒式液冷還避免了復雜的氣流管理。經過優化的浸沒式液冷數據中心可以減少投資和運營支出，縮短施工時間，降低施工復雜度。浸沒式液冷提高了計算密度，可以實現更為靈活的數據中心布局，清除了場地成本較高或區域空間受限等數據中心的選址障礙。

最后，使用3M氟化液進行浸沒式液冷可以消除對冷水機組（帶節水器）和空氣冷卻中所用復雜控件的需求，從而有助于消除因用水、能效和成本而導致的性能受限。同時，通過利用多種氣候下的自然水溫實現全天候冷卻，無需蒸發設施，這就有助于降低冷卻數據中心的用水需求。

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Q3 浸沒式液冷和冷板式液冷之間有什么區別？

浸沒式液冷包括將IT硬件直接浸入充滿絕緣性冷卻液的密閉容器中：電子組件產生的熱量直接傳導至氟化液。相反，冷板式液冷技術則完全阻隔了冷卻液與電子器件之間的直接接觸：使用泵和管道將冷卻液送至與電子部件接觸的冷板上來傳遞熱量，其傳熱效率和均勻性較浸沒式液冷偏低。

浸沒式液冷和冷板式液冷均可使用3M氟化液，通過單相和相變方法實現。

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Q4 浸沒式液冷常見實現方式有哪些？

常見的浸沒式液冷的實現方法有兩種：浸沒腔式和機殼式。

浸沒腔式浸沒液冷使用密封但可打開維護的腔體盛放冷卻液和IT設備。這就消除了對單獨密封連接器、壓力容器、密封件和機殼的需求。但服務器必須垂直安裝在浸沒腔內。

在機殼設計中，服務器電子器件被密封在單個服務器機殼內。氟化液只在服務器密封殼體中循環，從電子部件上帶走熱量。機殼設計通常可以和傳統結構類似，將服務器機殼橫向插入常規機架來進行部署。

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Q5 在單相浸沒式液冷和相變浸沒式液冷之間進行選擇時，有哪些注意事項？

單相浸沒式冷卻

相變浸沒式冷卻

在單相浸沒式液冷和相變浸沒式液冷之間進行選擇時，需考慮幾項關鍵因素。

單相浸沒式液冷系統的浸沒機柜設計更為簡單，氟化液更易操作、維護。與相變浸沒式液冷相比，單相浸沒式液冷在材料兼容性和循環中污染物上的隱患也更少。

與單相浸沒式液冷相比，采用被動相變浸沒式液冷系統時，可以通過沸騰過程（通過液相到氣相的變化），實現更高的傳熱效率，從而通過相變浸沒式液冷，實現更大的功率密度（高達250至500千瓦/浸沒腔）。此外，支持相變浸沒式液冷所需的冷卻基礎設施通常膠簡單，如果使用干式冷卻器作為一次側冷卻，無需冷卻水塔等蒸發降溫設施。

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Q6 哪些類型的電子氟化液可以用于單相浸沒式液冷？

含氟化合物（或碳氟化合物）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。其中必須使用高沸點（高于系統最高溫度）冷卻液體，確保液體在應用中始終處于液體狀態。

確定各種含氟化合物和碳氫化合物時的考慮因素包括：傳熱性能（長期穩定性和可靠性等）、IT硬件維護便利性、液體清潔和替換需求、材料對器件材料的兼容性、電氣性能、易燃性或可燃性、環境影響、安全相關問題等，以及單個浸沒腔或數據中心在使用年限內的總液體（維護）成本。

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Q7 哪些類型的電子氟化液可以用于相變浸沒式液冷？

通常情況下，沸點較低的含氟液體主要用于相變浸沒式液冷。碳氫化合物通常不用于相變浸沒式液冷系統，因為絕大多數碳氫化合物均具有可燃或易燃特性。

確定各種含氟化合物的考慮因素包括：對于IT性能的影響(一致性、可靠性等)、IT硬件維護便利性、液體清潔和替換需求、液體對材料的兼容性、電氣性能、易燃性或可燃性、環境影響、安全相關問題，以及單個浸沒腔或數據中心使用年限內的總液體（維護）成本。

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與傳統冷卻技術相比，浸沒式液冷不僅提升了熱效率、數據中心的性能和可靠性，還減少了投資和運營支出，縮短施工時間，降低施工復雜度，是數據中心冷卻電子部件的好幫手！但同時，浸沒式液冷作為新技術，也被許多困惑和謬論所圍繞，下期我們將解答浸沒式冷卻中的常見誤解，敬請期待！

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