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产品应用 半导体与数据中心冷却液 数据中心液冷简介

数据中心液冷简介

2022-03-28 49

近年来,国家政策对数据中心PUE值(电能使用效率)限制的不断缩紧,PUE是国内外数据中心普遍接受和采用的一种衡量数据中心基础设施能效的指标。PUE=数据中心总耗电/IT设备耗电,用于计算在提供给数据中心的总电能中,有多少电能是真正应用到IT设备上,通常来说,PUE值越接近1越节能,PUE值越大,表明制冷和供电等配套基础设施所消耗的电能越大。

绿色双碳背景下,政策已经不是第一次对高PUE值IDC进行限制。随着多地数据中心陆续完成接入用能监测,数据中心低碳运营方向愈发确定。暖通设备对能耗至关重要,先进制冷投资机遇凸显。

现代化的数据中心承担了大量数据计算和存储,这对系统性能稳定度的要求与日俱增。为了提供更高能效来满足业务发展的需要,服务器乃至机房的散热就成为关键。而对解决“高热密度数据中心散热”问题方面,比起传统空调系统来说,更具备优势的,就是当前业界最流行的液冷技术,它不仅降温快、能耗低,并且还是最环保的。

机房空调产生的能耗占数据中心总能耗的40%,从制冷端着手是降能耗的最有效方式,以间接蒸发制冷、液冷、海水冷却等为代表的先进技术能大幅降低PUE水平,展望未来5年将迎来较大机遇。

液冷技术作为降低PUE值的公认利器,已成行业焦点技术。虽然很多数据中心仍使用制冷机组和风扇的传统方式来冷却电脑硬件,但相比风冷,液冷技术优势明显,包括:

热量带走更多:同体积液体带走热量是同体积空气3000倍;

温度传递更快:液体导热能力是空气25倍;

噪音品质更好:同等散热水平时,液冷系统噪音比风冷噪音降低10~15dBA;

耗电节能更省:液冷系统约比风冷系统节电30%。

液冷主要分为以下三种。

(1)间接接触型:冷却液体不直接与发热器件接触,主要发热器件固定在冷板上,依靠流经冷板的液体在设计好的液冷散热器内流动,通过循环将热量带走的冷却方式。按照有无相变又分为:单相间接液冷;两相间接液冷。

(2)直接接触式:将散热部件(单板&芯片)直接浸没在不导电液体中,利用液体蒸发将散热部件释放热量带走的一种散热方式。

这最主要的就是浸没式液冷,顾名思义是将发热元件浸没在冷却液中,依靠液体的流动循环带走IT设备运行产生的热量。浸没式液冷是典型的直接接触型液冷,目前比较流行的方式是将服务器浸没在特殊设计的箱体中。浸没式液冷系统结构分为两部分,沸腾池和冷却塔。

其中,沸腾池属于整个系统的关键,由被散热部件(服务器)、沸腾箱、氟化液、冷凝器组成。蒸发器,散热风扇,冷却泵以及控制系统组成。主要作用为将系统热量最终释放到自然环境中。

将电子设备浸没在“达到一定温度可发生相变”的氟化液箱体中,氟化液受热沸腾变为蒸汽,蒸汽上升遇到机箱上部冷凝器而冷凝变成液体,冷凝器外接液冷源进行换热,将热量传递到外界,反复循环。通过氟化液在机箱内循环和冷凝器内乙二醇水溶液的外循环(双循环系统),对服务器、芯片散热冷却实现温度管控,保证服务器运行稳定性和寿命。

(3)喷淋冷却:其主要特点是无腐蚀性的冷却液直接通过服务器机箱上的喷淋板,喷射到发热设备表面或与其接触的延伸表面。吸收的热量被转移并与大型冷却源的外部环境交换,从而达到控制系统的目标温度。

发改委、工信部等四部门印发的最新文件要求到2025年,大型、超大型数据中心PUE值降到1.3以下,而液冷可将PUE值降低至1.1左右,完全能够达到政策要求。此外,液冷可以解决高密度散热问题,节约建设成本,同时还具备静音低噪、易于选址的优势,更能适应未来的发展趋势。

据国外调研机构ResearchAndMarkets数据显示,到2023年,全球液冷数据中心市场规模将达45.5亿美元,年复合增长率将达27.7%。据 Uptime Institute 发布的《2020 全球数据中心调查报告》统计,全球 71%的数据中心平均功率密度低于 10 kW /机架,只有 16%的数据中心平均功率密度高于 20 kW/机架。目前,液冷数据中心主要受限于成本,而根据测算,单机柜密度达到20kw时,液冷与风冷建设成本可持平。随着未来数据中心功率密度的上升,液冷数据中心有望得到更大规模推广。