1引言
隨著人工智能?物聯(lián)網(wǎng)?加密貨幣?AR/VR等計算密集型應(yīng)用的快速發(fā)展,日益增長的計算需求使數(shù)據(jù)中心逐漸向“高性能?高密度?高能耗”發(fā)展?國家能源局數(shù)據(jù)顯示,2020年我國數(shù)據(jù)中心耗電量突破2000億千瓦時,占全國總用電量的2.7%?數(shù)據(jù)中心的能耗大致由通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?供電配電系統(tǒng)?照明及輔助設(shè)備和冷卻系統(tǒng)組成,其中冷卻部分的能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右?提高數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)效率,降低能耗對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要?
常見的液體冷卻方式包括冷板式?噴淋式和浸沒式三種?其中,浸沒式液冷傳熱效率最高且能避免局部熱點,是目前最有可能解決高性能計算環(huán)境中散熱系統(tǒng)所面臨各種問題的技術(shù)手段?本文將圍繞浸沒式液冷技術(shù),對該技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢?實現(xiàn)方案?商業(yè)化進展和應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)進行介紹?
2浸沒式液冷技術(shù)的優(yōu)勢
作為助推下一代大數(shù)據(jù)中心全新發(fā)展的引擎,浸沒式液冷技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
2.1更高的能源利用率
浸沒式液冷使用冷卻液作為熱傳輸媒介,液體具有更高的導(dǎo)熱率和比熱容,因此可以更快地傳導(dǎo)以及更有效地吸收熱量?同時,因為減少了風(fēng)扇和空調(diào)的使用,采用浸沒式液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心具有更低的PUE?根據(jù)UptimeInstitute的調(diào)查數(shù)據(jù),2021年全球大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.57,其中采用傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心PUE一般在1.8左右,而采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心,無論項目的規(guī)模大小?所處的維度及氣候區(qū),幾乎都可以將PUE控制在1.1以內(nèi)?
2.2更高的功率密度
浸沒式液冷可以大幅提高數(shù)據(jù)中心單位空間的服務(wù)器密度,從而更好地支持高密度計算?傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用空氣冷卻系統(tǒng),可冷卻的機架功率密度通常為10kW-15kW,而浸沒式液冷可以將單機架功率提升到100kW甚至200kW以上,因此完全可以滿足高密度計算場景對散熱的需求?
2.3更高的設(shè)備可靠性
美國空軍航空電子整體研究項目(USAirForceAvionicsIntegrityProgram)認為,溫度?振動?濕度和粉塵是造成電子設(shè)備故障的主要因素?
浸沒式液冷可使IT設(shè)備始終工作在適宜的溫度,浸沒環(huán)境有效避免了濕度(空氣中的水會造成元器件的銹蝕,而冷卻液可以保護設(shè)備)?灰塵等對設(shè)備的不良影響?此外,因服務(wù)器和機房不再需要風(fēng)扇,從而有效解決了噪音和振動問題?
2.4更高的空間利用率
浸沒式液冷優(yōu)異的散熱性能使服務(wù)器可以緊密排列,無需隔開距離,同時無需配置風(fēng)扇,機房內(nèi)也不需要空調(diào)和冷凍機組,無需安裝冷熱通道封閉設(shè)施,更不需要架空地板,因此浸沒式液冷比傳統(tǒng)冷卻方案具有更高的空間利用率?
2.5更節(jié)省用水
一項關(guān)于數(shù)據(jù)中心用水量的研究指出,全美數(shù)據(jù)中心每天的用水量高達17億升,而這其中55%為可飲用水?巨大的用水量不僅增加了運營成本,在對水資源使用量有限制的地區(qū)還將面臨監(jiān)管壓力?傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)通常需要使用大量的水進行蒸發(fā)降溫?浸沒式液冷技術(shù)的冷卻液可以在較高溫度下工作(可達45℃),即使在較熱的氣候條件下,仍可有效利用自然冷卻,減少了對主動排熱設(shè)備的需求,因此更節(jié)水?
3浸沒式液冷的實現(xiàn)方案
浸沒式液冷將IT設(shè)備直接浸泡在冷卻液中,依靠冷卻液吸收設(shè)備產(chǎn)生的熱量?按照冷卻液在循環(huán)散熱過程中是否發(fā)生相變,可以分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷?
3.1單相浸沒式液冷
在單相浸沒式液冷系統(tǒng)中,IT設(shè)備所有的發(fā)熱組件都完全浸沒在循環(huán)的不導(dǎo)電的冷卻液中,設(shè)備發(fā)出的熱量直接傳遞給冷卻液?單相浸沒式液冷的冷卻液通常具有較高的沸點,冷卻液吸熱后并不會發(fā)生相變,始終維持在液態(tài)?
單相浸沒式液冷通過自然對流或泵驅(qū)動冷卻液的循環(huán)?自然對流驅(qū)動的循環(huán)散熱過程,利用了液體受熱后體積膨脹密度減小的特點,較熱的冷卻液會自然上浮,之后被連接到外部冷卻回路的熱交換器冷卻?冷卻后的液體在重力的作用下自然下沉,完成循環(huán)散熱?
與自然對流相比,用泵驅(qū)動循環(huán)冷卻液的方式可以更有效的提高冷卻能力?由泵?熱交換器?傳感器?過濾器組成的裝置被稱為冷卻液分配單元(CDU,CoolantDistributionUnit),利用CDU可以更加精確地控制冷卻液的溫度和流速?較冷的冷卻液在泵的驅(qū)動下流經(jīng)發(fā)熱元件,將熱量帶走?被加熱的冷卻液在泵的驅(qū)動下進入熱交換器被降溫,之后在泵的作用下繼續(xù)循環(huán)?熱交換器一般用水作為冷卻介質(zhì),熱量最終通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排出?
單相浸沒式液冷的工作原理如圖所示?
單相浸沒式液冷通常選擇沸點較高的冷卻液,以確保冷卻液在循環(huán)散熱過程中始終保持液態(tài)?氟碳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?目前3M和Shell等企業(yè)都在生產(chǎn)用于單相浸沒式液冷技術(shù)的冷卻液,不同的是3M的冷卻液為氟化液,而Shell的冷卻液為天然氣制成的合成油,屬于碳氫化合物?
部分適用于單相浸沒式液冷的冷卻液主要參數(shù)如表1所示?
單相浸沒式液冷的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面,一是冷卻液價格相對更低,部署成本更低;二是冷卻液無相變,無需擔(dān)心冷卻液蒸發(fā)溢出或人員吸入的健康風(fēng)險,更有利于維護?
3.2雙相浸沒式液冷
在雙相浸沒式液冷中,冷卻液在循環(huán)散熱過程中不斷經(jīng)歷從液態(tài)到氣態(tài)再從氣態(tài)回到液態(tài)的相變過程?IT設(shè)備完全浸沒在裝有低沸點冷卻液的密閉罐體中,設(shè)備發(fā)出的熱量被冷卻液吸收,冷卻液吸熱后溫度升高,達到沸點后開始沸騰,由液態(tài)相變?yōu)闅鈶B(tài),同時產(chǎn)生大量的蒸汽?蒸汽從液體中升起逃逸至液面上方,在液冷罐體內(nèi)形成氣相區(qū)?氣相區(qū)的冷卻液蒸汽與水冷冷凝器接觸,熱量被冷凝器吸收,冷卻液凝結(jié)成液體以液滴的形式落回容器中再次循環(huán),而冷凝器中被加熱的冷卻水則通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)完成排熱?
雙相浸沒式液冷的工作原理如圖3所示:
為了能有效利用冷卻液的相變過程,并控制IT設(shè)備的溫度,用于雙相浸沒式液冷的冷卻液不僅要有良好的熱物理性能?化學(xué)及熱穩(wěn)定性?無腐蝕性,還需要合適的沸點?比較窄的沸程范圍以及較高的汽化潛熱?硅酸酯類?芳香族物質(zhì)?有機硅?脂肪族化合物及氟碳化合物等都被嘗試應(yīng)用于雙相浸沒式液冷?其中,氟碳類化合物綜合性能最好,因此較為常用?目前,3M公司是全球生產(chǎn)浸沒式電子氟化液的領(lǐng)先企業(yè),其生產(chǎn)的Fluorinert?電子氟化液與Novec?電子工程液均有不同型號可以用于雙相浸沒式液冷?兩者均有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性?無味?不可燃?非油基?低毒性?無腐蝕性,可為數(shù)據(jù)中心提供可信賴且可持續(xù)的解決方案?
部分適用于雙相浸沒式液冷的冷卻液主要參數(shù)如表2所示?
雙相浸沒式液冷充分利用了冷卻液的蒸發(fā)潛熱,可以滿足高功率發(fā)熱元件對散熱的極端要求,使IT設(shè)備可以保持滿功率運行?但相變的存在也使得雙相浸沒式液冷系統(tǒng)必須保持密閉,以防止蒸汽外溢流失,同時必須考慮相變過程導(dǎo)致的氣壓變化,以及系統(tǒng)維護時維護人員吸入氣體的健康風(fēng)險?
4商業(yè)化和應(yīng)用案例
近年來,浸沒式液冷相關(guān)技術(shù)日趨成熟,國內(nèi)外已有多家企業(yè)開始面向客戶提供針對不同散熱需求下的浸沒式液冷技術(shù)解決方案,一些科技公司也已開始將基于浸沒式液冷的散熱系統(tǒng)實際部署在他們的數(shù)據(jù)中心?
阿里云作為國內(nèi)市場占有率第一的云服務(wù)提供商,是最早探索和實踐大規(guī)模液冷方案的科技公司之一?2020年1月,阿里云宣布向全社會開放“浸沒液冷數(shù)據(jù)中心技術(shù)規(guī)范”,2020年9月,仁和數(shù)據(jù)中心開服,PUE設(shè)計值1.09,相比傳統(tǒng)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心每年可節(jié)省3000萬度電;2021年12月,阿里云發(fā)布磐久系列液冷一體機ImmersionDC1000,整體能耗可下降34.6%?
與阿里云采用單相浸沒式液冷技術(shù)路線不同,微軟對雙相浸沒式液冷技術(shù)進行了測試?2021年4月,微軟發(fā)布消息稱其使用自研的冷卻液,在位于華盛頓州昆西市的Azure數(shù)據(jù)中心采用了雙相浸沒式冷卻技術(shù),據(jù)微軟發(fā)布的消息,雙相浸沒式液冷可以將服務(wù)器的功耗降低5%到15%?
在浸沒式液冷解決方案的供給端,國內(nèi)外均有企業(yè)在積極布局?例如,總部位于美國的GreenRevolutionCooling主要提供數(shù)據(jù)中心單相浸沒式液冷解決方案,面向高性能計算?邊緣數(shù)據(jù)中心?區(qū)塊鏈和加密貨幣等場景提供具有完整冷卻和電力基礎(chǔ)設(shè)施的一站式模塊化數(shù)據(jù)中心;總部位于荷蘭的Asperitas采用自然對流驅(qū)動的單相浸沒式液冷技術(shù),其HPCzone系列產(chǎn)品可為各種高性能計算場景提供一站式解決方案?在國內(nèi),浪潮信息于2018年推出了小型可移動的浸沒式液冷超算TS4220LC;中科曙光旗下的曙光數(shù)創(chuàng)推出了相變浸沒式液冷配套解決方案C8000,聲稱能夠?qū)?/span>PUE值降到1.05以下?
5面臨的問題與挑戰(zhàn)
根據(jù)MordorIntelligence的報告,2020年全球數(shù)據(jù)中心浸沒式液冷市場的整體規(guī)模為2.97億美元,預(yù)計到2026年將達到7.03億美元,期間復(fù)合年增長率為15.27%?盡管預(yù)期增速較快,但現(xiàn)階段在推動數(shù)據(jù)中心快速擁抱浸沒式液冷技術(shù)的進程中,仍面臨不少阻礙和挑戰(zhàn)?包括:
5.1應(yīng)用場景限制
UptimeInstitute的調(diào)查顯示,2020年全球數(shù)據(jù)中心的平均功率密度僅為8.4kW/r,其中只有3%的數(shù)據(jù)中心的功率密度超過50kW/r?因此,盡管浸沒式液冷技術(shù)的散熱性能極佳,但除了加密數(shù)字貨幣挖礦等特定場景外,常規(guī)數(shù)據(jù)中心將傳統(tǒng)散熱方案升級為浸沒式液冷的需求并不強烈?此外,浸沒式液冷的能效水平在低負載場景下可能會被削弱,嚴遜等人搭建了浸沒式液冷實驗臺,利用假負載測試得到不同室外溫度?不同負載功率下的pPUE(局部PUE)在1.05-1.28之間,同時發(fā)現(xiàn)pPUE隨著負載上升而降低?
5.2設(shè)備供應(yīng)商支持
因為浸沒式液冷技術(shù)使用液體散熱,為了能夠與冷卻液相容,硬件設(shè)備通常需要適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)浸沒式冷卻?雖然當(dāng)前部分OEM已支持適用于浸沒式液冷的設(shè)備,但仍有不少設(shè)備制造商尚未針對浸沒式液冷進行設(shè)計或測試?這些OEM可能會取消或停止按照以往服務(wù)協(xié)議對這些應(yīng)用于浸沒式的設(shè)備提供質(zhì)保和長期維護服務(wù)?
5.3部署和改造成本
在計算浸沒式液冷系統(tǒng)的部署成本時,需要綜合考慮所有實際支出?不僅包含液冷設(shè)備罐體和冷卻液的價格以及后續(xù)的維護成本,還包括泵?換熱器?過濾器?傳感器等一系列用來滿足液冷系統(tǒng)設(shè)計實踐的其它設(shè)施的改造和維護成本?尤其是對于那些已按照風(fēng)冷系統(tǒng)建設(shè)完成的數(shù)據(jù)中心來說,改造成本往往是巨大的?
上述問題能否以及以何種方式解決,將成為決定未來浸沒式液冷技術(shù)能否快速和規(guī)模化部署的關(guān)鍵?
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