华体汇注册:适用于数据中心和边际运用的液冷技能

　　运用的呈现，都在推进对液冷技能的爱好和安置。在本白皮书中，咱们将介绍液冷的根本原理，讨论其与传统风冷比较的优势，并胪陈冷板式液冷和浸没式液冷的五大办法。为了协助辅导针对特定需求挑选恰当的液冷办法，咱们将解说有必要考虑的要害特性。

　　IT设备技能的改动一向是基础设备中制冷处理计划研制的首要驱动力。虽然液冷已在大型主机和高功能核算（HPC）中安置多年，但当今对云、物联网、人工智能和边际运用的需求再次引发IT技能的改动，这迫使人们从头审视液冷及新技能的研制。对数据中心能效和可继续性的重视日益添加，也使数据中心职业所面对的压力不断添加，要求其开发和选用液冷体系等高效的制冷基础设备。

　　这儿，咱们将回答上述问题，并供给怎么挑选适宜您运用的液冷办法的相关辅导。

　　IT设备散热的首要办法是将气流流经设备机箱。关于惯例的服务器，70%-80%的热量由CPU发生，其他热量则来自外围设备，例如内存、电源、机械硬盘、固态硬盘（SSD）等。跟着图形处理器（GPU）的运用日益添加，IT机箱内部发生的热量也在进一步添加。一块GPU芯片的功率能够超越400瓦，和英特尔最新一代的至强处理器这样的多核CPU的400瓦功率根本相等。

　　在相同单位体积下，液体吸收热量的才干更高。因而液冷技能能够更高效地散热，以及让芯片能够更高效地作业（例如，进步时钟频率）。此外，热量能够通过干冷器，或许通过冷却塔（在温度较高的环境中）散发到大气中。有时，热量能够搬运到其他地方（例如区域供热）循环运用。咱们在附录中供给了水和空气之间传热才干的具体比较。

　　液冷关于数据中心运用来说并非新鲜事物。液冷的开始运用能够追溯到上世纪60年代，其时在IBM大型主机中用于处理固态设备的散热难题，这些固态设备包装紧凑且容许的作业温度较低。不过，在上世纪90年代初，跟着互补金属氧化物半导体（CMOS）技能的呈现，替代了双极型半导体技能，功耗也随之下降。成果，气流对流冷却再次成为IT设备默许的制冷办法。

　　现在，气流对流冷却在数据中心中仍占主导地位，可是液冷在电竞游戏、区块链挖矿和高功能核算（HPC）运用等需求选用更高算力的特别服务器的场合中，得到了更广泛的选用。液冷尚未在整个数据中心职业得到更广泛的选用，首要原因在于通过添加逻辑中心数量来坚持合理的功率极限，已能够满意核算需求。此外，数据中心职业遍及较为保存，新技能和架构的遍及缓慢。

　　液冷首要分为两类：芯片级液冷（有时称为导热或冷板）和浸没式液冷。如图1所示（橙色框），这两个类别共包含五种首要的液冷办法。在本节中，咱们将胪陈每种办法。

　　芯片级液冷是在服务器内部通过芯片顶部的冷板将冷却液直接流经温度较高的服务器芯片（CPU或GPU）。IT设备的电子元器件不会与冷却液直接物理触摸（参见图2）。部分规划还会为内存模块也设备散热冷板。运用这种办法的时分，依然需求选用电扇供给穿过服务器的气流，以带走剩下的热量。这意味着传统的风冷基础设备能够削减，但依然需求。

　　能够运用水或绝缘液作为流经冷板的冷却液。假如运用水，呈现走漏时有宕机危险，可是比如防漏体系（LPS）之类的处理计划可将水回路坚持在微真空状况，以下降IT设备内的走漏危险。

　　设备在机柜反面的分液器将流体配送至IT设备，相似于机架式PDU供电。服务器和分液器之间的接口一般是通过防走漏和防滴漏接头完结，以保证设备的清洁和安全。单相意味着流体在散热时不会改动其形状。关于芯片级液冷，首要运用单形状的水基冷却剂，但某些规划运用人工绝缘液。

　　此办法相似于上述办法，不同之处在于流体会有两种形状，也便是说流体在散热时会从一种形状变为另一种形状，例如从液态变为气态，然后带走热量。在散热方面，两相优于单相，但需求额定的体系控制用于保证正常运转。关于两相芯片级液冷，会运用人工绝缘液。这有助于消除IT设备进水的危险。绝缘液蒸气能够输送到室外的冷凝器，也能够将其热量排到楼宇水回路中。图3为此办法的图解。

　　选用浸没式液冷时，冷却液与IT电子元器件直接物理触摸。服务器彻底或部分浸入绝缘冷却液中，使其掩盖主板和元器件，以保证一切热源的热量都被搬运。此办法运用单相绝缘液。凭借浸没式液冷，服务器内能够无需运用任何电扇，并将一切电子设备置于受外部温度影响较慢，而且不受湿度和污染物影响的环境中。由于无需运用电扇，因而这种冷却办法可完结近乎无噪音运转。

　　图4为IT机箱单相浸没式液冷办法。服务器封装于密封机箱中，可作为一般机架式IT设备或独立设备。电子元器件由绝缘液进行冷却，可通过传导和天然对流被迫降温，或许通过服务器内的循环泵（强制对流）降温，或两者结合运用。换热器和泵可置于服务器内部，也能够设备在旁边面，在这儿，热量将从绝缘液传递到水回路。

　　运用水池办法（也称为开放式水箱）时，IT设备彻底浸没在流体中。在传统的IT机柜中，服务器从机柜的底部到顶部水平堆叠。可是，这种办法运用的是水池，因而就像将传统服务器机架横放相同。浸没在水池中的服务器是通过笔直办法进行插拔，而不像一般机架是水平办法插拔。图5所示为此办法的示意图（橙色箭头显现将服务器在水池中插拔的方向）。这种办法大都选用集中式供电，一起向水池内的一切服务器供电。运用泵或天然对流，通过换热器将绝缘液中的热量传递至水回路。此办法一般运用油基绝缘液作为流体。留意，换热器能够设备在水池的内部或外部。

　　和单相水池办法相同，将IT设备彻底浸没在流体中。这种办法的不同之处在于选用两相绝缘液冷却剂。这也意味着流体在散热时会从一种形状变为另一种形状，例如从液态变为气态，然后带走热量。图6为这种体系结构的图解。由于需求相变，因而有必要为人工合成流体。

　　了解五种首要液冷办法的优缺点，能够协助数据中心业主为其数据中心挑选适宜的处理计划。在本节中，咱们将胪陈在针对特定事务需求确认最佳液冷办法时需考虑的11个重要特性。

　　在评价液冷时，有必要考虑全体设备和IT体系的本钱。假如是新建的设备，能够针对液冷进行优化，并运用温水并通过流体冷却器直接散热，与风冷比较，则能够节约出资本钱。假如想要在已有的风冷设备中安置液冷IT设备，改造本钱或许更高。可是，在数据中心具有停滞的供电和空间容量时（当制冷体系到达100%负载但UPS负载远低于100%且空间运用率也低于100%时，就存在停滞的电源容量和可被运用的空间。），液冷能够充分运用这些被停滞的供电和空间。

　　•芯片级液冷：50%-80%IT设备的热量可通过液冷捕获。将水引进每个机柜并将其分配到每个服务器会使本钱添加，但这部分本钱能够通过削减传统冷水机组、精细空调及变压器和开关柜等辅佐供电体系设备的运用而得到抵消。

　　•浸没式：超越95%的热量通过液体散热，然后有助于大幅削减传统制冷体系的运用。IT设备会由于运用流体，特别是人工合成的流体而导致本钱添加，因而，有必要依据安置的浸没式技能来了解这一权衡计划。

　　与风冷比较，液冷一向都以可供给杰出能效而著称。超大规模数据中心运营人员现已能够让风冷数据中心取得超卓的电源运用功率（PUE），但一般是在杰出的气候条件及水资源丰厚的情况下才干做到这一点。液冷的另一个考虑要素是下降IT电扇能耗。这能够节约4%-15%的能耗，但有或许会使PUE更差，但总电费会削减。与芯片级液冷比较，浸没式液冷略有优势，由于后者无需运用任何IT设备电扇。此外，选用浸没式液冷时，所需求的风冷将削减，因而精细空调的电扇也削减。液冷能够运用45°C/113°F的水进行冷却，在很多气候条件下，一年中的大部分时刻都能够运用无需压缩机的制冷办法。关于一般运用风冷DX体系的边际运用，液冷的节能效果更为明显。

　　风冷体系的运用已有数十载，因而数据中心运营人员对此体系极端了解，可是液冷关于大大都运营人员而言仍是新事物。虽然设备人员能够从削减电源和制冷设备修理和保护中获益，可是IT人员有必要施行新的流程来对IT设备进行保护。

　　•芯片级液冷：它与风冷服务器相似，由于大大都组件都能以相同办法进行保护。让这些组件易于保护的要害是选用防滴漏连接器，以保证服务器能够像传统的风冷服务器相同从机柜中抽出进行保护。

　　•浸没式液冷：这需求新的流程，有时需求新的设备。选用油槽时处理难度较高，原因在于拆开和保护IT设备时很难铲除上面的油。人工合成液体的处理难度小于油，但由于液体本钱较高，因而有必要留意保证液体清洁并尽或许削减丢失/蒸腾。

　　根据机箱的浸没式冷却处理计划旨在以了解的外形尺度和服务流程（如与规范风冷技能合作运用的尺度和流程）来供给液冷。当液体仍在机箱中时，也能够完结简略的保护使命。首要保护作业需求抽暇液体。本白皮书的首要重视点是关于IT设备的安置、操作和保护的简易程度。留意，由于浸没式液冷为IT组件供给更温文的环境，因而运用此办法能够进步IT设备的可靠性。

　　风冷能够支撑机柜均匀功率密度到达20kW/机柜以上，但要完结这样的水平需求很多的人工和本钱开销。芯片级液冷和浸没式液冷均可轻松处理20kW/机柜的密度，而且有才干支撑超越100kW/机柜的密度。浸没式液冷能够完结更高的密度，由于不需求考虑IT设备内部空气活动的问题。

　　芯片级液冷和浸没式液冷均可供给优于风冷的明显可压缩性效果。芯片级液冷和根据机箱的浸没式液冷能够选用与传统的机柜相同的笔直服务器设备方式。

　　许多风冷数据中心依托配有冷却塔的蒸腾冷却体系来完结低PUE。但这会耗费很多的水。在国际许多地方，这现已成为问题。由于液冷能够运用温度为45°C/113°F乃至更高温度的温水，因而能够消除或大幅削减蒸腾冷却，一起仍能到达较高的功率。由于浸没式液冷比较芯片级液冷能够带走更多的热量，因而该办法能够让数据中心大幅削减耗水量。

　　浸没式液冷不需求任何气流，且与外部环境阻隔，它简直可安置于任何地址。与风冷比较，这是一个优势，而且有或许推进在环境恶劣边际地址中运用浸没式液冷IT设备。

　　任何在运转中的数据中心内作业的人员都对IT设备和精细空调的噪音不生疏。关于部分IT运用（如有人运用的办公室或无尘室），坚持安静的环境和避免空气活动都是十分重要的要素。芯片级液冷仅需求少数气流，然后大幅下降IT设备和精细空调电扇的转速，然后下降噪音。浸没式液冷无需电扇，因而，除了用于绝缘液的循环泵，即可在室内完结近乎无噪音运转。

　　由于浸没式液冷不需求气流流经IT设备，因而它为数据中心白区以及边际区域带来更大的灵活性。不再需求安置冷热通道。可选用背对背机柜行布局。这样能够将IT设备置于风冷或许无法运用的方位。这在空间有限的设备中或许是一个较大的优势。

　　由于芯片级液冷IT设备依然需求运用电扇，因而仍需求选用传统布局。此外，任何运用机箱方式的外观特征，能够轻松与现有数据中心布局相匹配，这在某些情况下或许是一个优势。

　　从制作视点来看，对出产液冷服务器感爱好的IT制作商需承担不同程度的规划作业。芯片级液冷是对现有风冷服务器改造为液冷的抱负之选。需求对IT设备进行小幅改动。此举能够让现有的供应链简直坚持不变，仅需添加冷板和管路即可。而另一方面，浸没式液冷服务器需求从头开始规划，要执行时刻更长的产品开发项目。虽然如此，这种办法为IT设备规划人员供给了更大的自由度，由于它们不受风冷组件的约束。从现场改造的视点来看，浸没式液冷需求为IT设备装备水槽或新的机箱，因而改造本钱更高。假如将根据机箱的浸没式制冷技能引进现有的数据中心，则能够十分轻松地与芯片级液冷及风冷体系合作运转。浸没式液冷IT设备尚不适宜许多装备。

　　芯片级液冷和根据IT机箱的浸没式液冷均能够以较小的增量完结扩展。根据水槽的浸没式液冷需求安置全体水池和流体，虽然IT设备能够在水槽内逐渐安置。另一个需求考虑的要素是了解全体规划中的单点毛病。

　　在液冷办法中运用的流体类型是确认其安置适用性时需求考虑的重要要素。这些是直接冷却IT设备热量的流体。三大类别如下：

　　这三种流体的特征各不相同，包含传热功能、本钱、安全、资料兼容性、运用寿命、可保护性和可继续性。表1供给了哪些流体适宜本白皮书所述的5种液冷办法。

　　资料兼容性：在任何运用水的体系中，削减腐蚀并坚持水质是十分重要的考虑要素。某些资料不兼容，或许导致前期毛病。现在冷凝水体系现现已过数十年的规划和运转，现已成为众所周知的散热体系。关于芯片级液冷，过滤十分重要，由于许多冷板都是选用毛细管道，假如水质较差简略发生阻塞。关于浸没式液冷，与IT组件的兼容性至关重要。主板上纸标签掉落，以及增塑剂从电缆中渗出一向是某些油和人工合成流体存在的问题。

　　本钱：关于绝缘液，油的本钱远较比人工合成流体低价。所需的绝缘液体积因技能供给商而异。

　　运用寿命：与人工合成流体比较，油的运用寿命往往更短。流体的替换频率将对整体具有本钱发生影响。

　　安全：闪点、着火点、自燃点和毒性是重要的考虑要素，尤其是在考虑设备的投保性时。例如，矿物油易燃，需求安全预防措施以避免起火。

　　环境：臭氧耗费潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）是需求考虑的两大要素。这些数值不能孤立来看，而是跟着运用办法和气化的速率会影响向环境的开释。密闭式vs.开放式体系、可回收性等均起到必定效果。

　　虽然当下的数据中心和边际环境仍以风冷为主，但咱们看到对选用液冷的爱好和价值正日益添加。云、物联网、人工智能和边际技能的运用正推进芯片和机柜功率密度的不断进步。职业也继续重视能效和本钱。关于许多运用而言，液冷是最佳的制冷处理计划。芯片级液冷和浸没式液冷是液冷的两大类别，与风冷比较，它们对数据中心一切者而言更具优势。在本白皮书中，咱们解说了这些办法之间的差异。

　　关于改造机房，根据机柜的处理计划（例如芯片级液冷和根据机箱浸没式液冷）供给最简略的改造。关于新建机房以及处于恶劣环境中的机房，浸没式液冷是更优的处理计划，由于它能够带走一切热量，并将IT设备与周围空气阻隔。

　　如若让液冷在数据中心职业得到更广泛的运用，还需求进一步的尽力，可是咱们信任，未来几年这项技能将在数据中心和边际运用中占有一席之地。

　　与比如水之类的液体比较，空气的导热才干远远不如液体。实际上，在非对流环境中，空气是杰出的隔热体。水有着更高的密度和每单位体积的热容量。表A1供给了空气和水之间的热导率和热容量的比较，成果显现水的热导率是空气的23倍以上，而且其能够吸收的热量远远大于空气，按单位体积核算约为3,243倍。

　　非纯水具有导电性，因而不能用于直接冷却IT组件。相反，选用绝缘液（例如矿物油和人工合成的绝缘液冷却剂），能够与运转中的电气组件直触摸摸，然后发挥其杰出的散热才干。一个现已运用多年的比如，便是变压器中运用的油，能够有效地将内部线圈和机芯的热量传递到外壳。以下传热公式描绘了怎么将热量从物体搬运，好像CPU或GPU的外表：

　　ℎ：为传热系数；A：为可用的散热外表积；Ts：为散热外表温度；T冷却液是用于冷却的冷却剂温度。

　　依据此公式，散热器的意图是添加散热面积。空气在强制对流下的传热系数约为100W/(m2·K)，而水的传热系数约为3,000，这意味着与空气比较，水的传热系数高出空气30倍。咱们还知道，水的比热容远高于空气，这也意味着当咱们从IT设备传递相同量的热量时，液体所需的流速要远低于空气，然后节约很多动力。