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浸沒(méi)式液冷淺析

作者:數(shù)字儲(chǔ)能網(wǎng)新聞中心 來(lái)源:全球IT微洞察 發(fā)布時(shí)間:2024-04-08 瀏覽:

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引言

  盡管冷板式液冷目前是全球數(shù)據(jù)中心的主流冷卻方式,且預(yù)計(jì)未來(lái)在中國(guó)將有約90%的數(shù)據(jù)中心采用此技術(shù),但浸沒(méi)式液冷(Immersion Cooling)作為另一種重要的冷卻方案,同樣備受矚目。

  根據(jù)Dell‘s Oro Group的預(yù)測(cè)報(bào)告顯示,全球數(shù)據(jù)中心液冷市場(chǎng)中浸沒(méi)式液冷的份額預(yù)計(jì)將逐漸上升。

來(lái)源:Dell‘s Oro Group

浸沒(méi)式液冷的定義、分類及工作原理

 1、定義

  浸沒(méi)式液冷是指將發(fā)熱的電子元器件(如CPU、GPU、內(nèi)存和硬盤(pán)等)整體或部分地直接浸沒(méi)在裝有非導(dǎo)電惰性流體介質(zhì)(即冷卻液,Coolant/Cooling Fluid)的機(jī)箱(如Tank、Tub或Pod)中,實(shí)現(xiàn)循環(huán)散熱的一種液冷方式。與直接芯片液冷(即冷板式液冷)類似,浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)也分為兩個(gè)循環(huán):一次側(cè)循環(huán)和二次側(cè)循環(huán)。

  在一次側(cè)循環(huán)中,室外冷卻設(shè)備如冷卻塔或冷水機(jī)組與熱交換單元(包括CDU、流體冷卻器、其他熱交換器等,為方便起見(jiàn),下文統(tǒng)一用CDU表示)進(jìn)行熱交換,從而帶走冷卻液中的熱量。

  而在二次側(cè)循環(huán)中,CDU則與液冷箱內(nèi)的IT設(shè)備進(jìn)行熱交換,將IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻液。這樣,通過(guò)兩個(gè)循環(huán)的協(xié)同作用,浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)能夠高效地將IT設(shè)備的熱量散發(fā)出去,確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

 2、分類及工作原理

  根據(jù)冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中是否發(fā)生相變,分為單相浸沒(méi)式液冷(Single-Phase Immersive Cooling)和雙相浸沒(méi)式液冷(Two-Phase Immersive Cooling)。

  2.1 單相浸沒(méi)式液冷(Single-Phase Immersive Cooling):液體通過(guò)液-液熱交換器傳遞熱量

  (1)單相浸沒(méi)式液冷采用具有高沸點(diǎn)的冷卻液,如碳?xì)浠衔铮òǖV物油、植物油等)、硅基油。這些冷卻液在吸收熱量后仍能保持穩(wěn)定的液態(tài),從而確保了在現(xiàn)有泵、管道和散熱設(shè)備(熱交換器、冷卻塔、冷水機(jī)組或干式冷卻器等)中的安全應(yīng)用。由于散熱過(guò)程中冷卻液幾乎不蒸發(fā),因此無(wú)需使用氣密密封容器。

  (2)根據(jù)冷卻液的循環(huán)方式,單相浸沒(méi)式液冷可分為泵驅(qū)動(dòng)和自然對(duì)流兩種類型,但以泵驅(qū)動(dòng)為主。

  泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心是CDU(Coolant Distribution Unit,冷卻液分配單元),該單元由泵、熱交換器、傳感器和過(guò)濾器組成,泵驅(qū)動(dòng)冷卻液在Tank內(nèi)部循環(huán)以吸收電子元器件的熱量。加熱后的冷卻液進(jìn)入CDU,并與室外冷卻設(shè)備的低溫液體進(jìn)行熱交換而得到冷卻,隨后低溫冷卻液返回冷池,完成整個(gè)循環(huán)散熱過(guò)程。

  自然對(duì)流則利用液體受熱后體積膨脹、密度減小的特性,實(shí)現(xiàn)較熱冷卻液的上浮和冷卻后的下沉,從而完成循環(huán)散熱。

  (3)從本質(zhì)上講,單相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)是一個(gè)倒置的、充滿了單相電介質(zhì)流體的機(jī)架——服務(wù)器不再是水平安裝,而是垂直安裝。

  (4)對(duì)于數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而言,CDU通常作為獨(dú)立組件安裝在Tank附近或數(shù)據(jù)中心周邊。然而,在某些情況下,集中式CDU也可能被采用以滿足特定的散熱需求。

單相浸沒(méi)式液冷循環(huán)

來(lái)源:GRC、Submer

  2.2 兩相浸沒(méi)式液冷(Two-Phase Immersive Cooling):在遇熱的情況下由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài),然后通過(guò)冷凝器將氣態(tài)冷卻液轉(zhuǎn)化回液態(tài)

  (1)兩相浸沒(méi)式冷卻與單相浸沒(méi)式冷卻在原理上基本一致,但存在一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別:兩相浸沒(méi)式冷卻液必須能夠在受熱時(shí)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。這一特性使得兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)能夠更有效地利用相變潛熱進(jìn)行散熱,從而提高散熱效率。

  (2)兩相浸沒(méi)式液冷的冷卻液以氟化液為主。

  (3)兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)中,冷卻液在吸收IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量后會(huì)經(jīng)歷氣液狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。具體來(lái)說(shuō),IT設(shè)備被完全浸沒(méi)在裝有低沸點(diǎn)冷卻液的密閉罐體中,設(shè)備產(chǎn)生的熱量被冷卻液吸收后,冷卻液的溫度會(huì)升高至沸騰點(diǎn),從而由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。形成的蒸汽會(huì)從液體中上升,在罐體內(nèi)形成氣相區(qū)。當(dāng)氣相區(qū)的冷卻液蒸汽與CDU接觸后,會(huì)凝結(jié)成液體并滴落回容器中,再次參與循環(huán)。同時(shí),CDU中被加熱的冷卻液則通過(guò)循環(huán)冷卻系統(tǒng)將熱量排出。

兩相浸沒(méi)式液冷循環(huán)

來(lái)源:GRC

  從全球來(lái)看,單相浸沒(méi)式液冷比兩相的應(yīng)用范圍更大,成熟度更高,主要是因?yàn)椋?

  單相浸沒(méi)式液冷冷卻液價(jià)格相對(duì)更低,部署成本更低;

  風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低:

  兩相液冷的冷卻液氟化液在健康方面面臨巨大質(zhì)疑,隨著3M的逐漸停產(chǎn),以微

  軟為代表的客戶暫停在兩相浸沒(méi)式液冷的布局,未來(lái)如何開(kāi)發(fā)出符合條件的兩相冷卻液將成為大家的關(guān)注點(diǎn)。

  在兩相交換的過(guò)程中存在許多潛在的風(fēng)險(xiǎn)。例如,相變的存在要求液冷系統(tǒng)必須保持密閉,以防止蒸汽外溢流失,在相變過(guò)程的氣壓變化可能會(huì)使系統(tǒng)中產(chǎn)生非常高的壓力,對(duì)系統(tǒng)的安全性提出了更高要求;大多數(shù)兩相冷卻系統(tǒng)需要將水直接引入數(shù)據(jù)中心以冷卻冷凝器并去除熱量,這增加了數(shù)據(jù)中心的故障風(fēng)險(xiǎn) 。

  相變過(guò)程中產(chǎn)生的微空化現(xiàn)象可能會(huì)侵蝕IT設(shè)備和冷卻系統(tǒng)的金屬部件,導(dǎo)致設(shè)備故障和金屬顆粒污染。

  需要的維護(hù)少,如果需要調(diào)整,更容易進(jìn)入和維修。

浸沒(méi)式液冷的關(guān)鍵零部件和供應(yīng)商

  浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)的核心組成部分為芯片和IT設(shè)備、機(jī)箱(Tank)、CDU和冷卻液。

  1、芯片和IT設(shè)備廠商

  Intel(美國(guó))、NVIDIA(美國(guó))、曙光(中國(guó))、Iceotope(英國(guó))、HPE(美國(guó))、Dell Technologies(美國(guó))、Super Micro(美國(guó))、iXsystems (美國(guó))、AMAX(美國(guó))、2CRSi(法國(guó)) 、IBM(美國(guó))、Quanta Computer(中國(guó)臺(tái)灣)、CISCO(美國(guó))、Penguin Computing(美國(guó))、GIGABYTE(中國(guó)臺(tái)灣)、LiquidCool Solutions(美國(guó))、Hypertec(加拿大)、Boston Limited(英國(guó))。

  2、機(jī)箱(Tank)

  典型廠商:Submer(西班牙)、GRC(美國(guó))、TMGcore(美國(guó))、Modine(美國(guó))、Firmus(澳大利亞)。

  3、冷卻液分配單元(CDU)

  浸沒(méi)式和冷板式CDU密封材質(zhì)和泵不一樣,功能設(shè)置也有差別,現(xiàn)在基本是定制的。

  典型廠商:國(guó)外CDU廠商主要有GRC(美國(guó))、Submer(西班牙)、Vertiv(美國(guó)),國(guó)內(nèi)有中航、高瀾等。

  4、冷卻液(Coolant/Cooling Fluid)

  考慮到短路和電化學(xué)腐蝕,在選擇冷卻液時(shí),主要考慮的是避免電氣短路的能力以及安全和健康問(wèn)題,無(wú)毒能力,良好的化學(xué)穩(wěn)定性和不可燃性,此外,全球變暖潛力(GMP值)也很重要。

  典型廠商:3M Novec(將于2025年停產(chǎn),美國(guó))、Shell (荷蘭)、Cargill(美國(guó))、ExxonMobil(美國(guó))、SK Enmove(韓國(guó))、Chemours(美國(guó))、Castrol(英國(guó))、ENEO(日本排名第一的潤(rùn)滑油公司)、Solvay(比利時(shí)),Honeywell(美國(guó))、Envirotech(美國(guó))、DXC Technology(美國(guó))、Engineered Fluids(美國(guó))、思康(中國(guó))、諾亞化工(中國(guó))。

 5、集成商

  典型廠商:Midas Green Technologies(美國(guó))、GRC(Green Revolution Cooling,美國(guó))、Submer(西班牙)、TAS(美國(guó))、MIVOLT(英國(guó))、THPC(意大利)、XComputing Technologies(印度)、Asperitas(荷蘭)、Zutacore(美國(guó))、LiquidStack(美國(guó))、綠色云圖。

  6、全球浸沒(méi)式液冷用戶(大部分處于試點(diǎn)階段)

  服務(wù)提供商:Microsoft(美國(guó))、Meta(美國(guó))、 阿里云、ResetData(澳大利亞云服務(wù)提供商)、STT GDC(新加坡)、OVHcloud(法國(guó))、NTT Data(日本)、Standard Power(美國(guó)俄亥俄州,加密挖礦數(shù)據(jù)中心公司)、OneAsia (香港)、Macquarie Data Centres(澳大利亞)、Bytesnet(荷蘭)、ZELEN DATACENTAR(塞爾維亞)、Infosys 、百度。

  教科研:Vienna Scientific Cluster(奧地利)、東京工業(yè)大學(xué)(日本)、德克薩斯州高級(jí)計(jì)算中心(美國(guó))、約翰·保羅大帝天主教大學(xué)(美國(guó))。

  通信:Telefónica(西班牙)、中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)。

  金融:Crédit Agricole(法國(guó)農(nóng)業(yè)信貸銀行)、中國(guó)銀聯(lián)。

  石油天然氣:CGG(法國(guó))、Down Under Geo Solutions(DUG)(澳大利亞)。

  政府:美國(guó)空軍、美國(guó)國(guó)家安全局物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)能源部、國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心深圳中心、合肥先進(jìn)計(jì)算中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算鄭州中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算成都中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算昆山中心。

  其他:CBT Nuggets

浸沒(méi)式液冷—全球產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

來(lái)源:編者整理

浸沒(méi)式液冷面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

  1、以3M為代表的氟化液被證明屬于PFAS化學(xué)品,被對(duì)人體健康具有長(zhǎng)久的危害,已被多個(gè)國(guó)家限制,未來(lái)研發(fā)符合政策要求的冷卻液將成為重點(diǎn)。

  以Fluorinert?和Novec?兩大系列為代表的3M 電子氟化液此前廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心液冷,其中3M? Fluorinert 電子氟化液主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心單相和兩相浸沒(méi)式液冷;而3M? Novec?電子氟化液體既可用于數(shù)據(jù)中心浸沒(méi)式液冷(單相和兩相),也可應(yīng)用于冷板式液冷(單相和兩相)。

  近年來(lái),各國(guó)政府和環(huán)保機(jī)構(gòu)對(duì)PFAS化學(xué)品所帶來(lái)的危害越來(lái)越關(guān)注。美國(guó)環(huán)保署署長(zhǎng)邁克爾·里根(Michael Regan)于2021年初成立了美國(guó)環(huán)保署PFAS委員會(huì),并于2022年3月公布了研究結(jié)果,表明PFAS可能會(huì)影響人類的生殖和發(fā)育,損害免疫系統(tǒng)并增加患某些癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。歐洲化學(xué)品管理局(ECHA)也發(fā)表了類似的發(fā)現(xiàn),歐盟表示希望到2025年限制所有PFAS化學(xué)品。包括加拿大、澳大利亞和亞洲在內(nèi)的其他地方的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也開(kāi)始注意到PFAS的風(fēng)險(xiǎn)。

  2022 年 12 月 20 日,3M 宣布計(jì)劃在 2025 年底前逐步淘汰其PFAS 化學(xué)品產(chǎn)品線,F(xiàn)luorinert和Novec冷卻液首當(dāng)其中:

  “3M今天宣布,計(jì)劃退出全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)(PFAS)的生產(chǎn),并努力在2025年底前停止在其產(chǎn)品組合中使用PFAS。這一投資組合決策基于對(duì)外部環(huán)境的仔細(xì)考慮和全面評(píng)估,包括多種因素,例如加速監(jiān)管趨勢(shì),重點(diǎn)是減少或消除環(huán)境中PFAS的存在,以及改變利益相關(guān)者的期望“。

來(lái)源:3M官網(wǎng)

  注:PFAS化學(xué)品,也稱為全氟烷基和多氟烷基物質(zhì),屬于人造化學(xué)品,在環(huán)境中具有高度持久性,不易分解,自 1940 年代以來(lái)被廣泛使用, 2023 年 5 月,美國(guó)環(huán)保署 提出了“PFAS”一詞的定義:至少包含以下三種結(jié)構(gòu)之一的化學(xué)物質(zhì):

  1. R–(CF2)–CF(R′)R“,其中 CF2CF部分是飽和碳

  2. R-CF2OCF公司2–R′,其中 R 和 R′ 可以是 F、O 或飽和碳

  3. 囊性纖維化3C(CF3)R′R“,其中R′和R”可以是F或飽和碳。

  由于以3M為代表的氟化液被歸類為PFAS化學(xué)品,對(duì)人體健康具有潛在危害并受到多國(guó)限制,未來(lái)浸沒(méi)式液冷技術(shù)將更加注重環(huán)保冷卻液的研發(fā)。未來(lái)的冷卻液不僅需要具備出色的熱傳導(dǎo)性能,還需滿足低毒性、易回收和生物可降解等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。此外,冷卻液的穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命也是研發(fā)的重點(diǎn),以減少頻繁更換和維護(hù)的成本。

  2、應(yīng)用解決方案有待成熟

  浸沒(méi)式液冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用需要一套完整且便捷的應(yīng)用解決方案作為支撐,涵蓋從設(shè)備的上下架、運(yùn)維管理、清洗操作到溶液處理等多個(gè)方面。然而,當(dāng)前市場(chǎng)上缺乏這樣成熟且完善的解決方案,這在一定程度上限制了技術(shù)的推廣和應(yīng)用。隨著眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的投入,解決方案逐步成熟,浸沒(méi)式液冷技術(shù)市場(chǎng)有望迎來(lái)全新的發(fā)展機(jī)遇。

  3、運(yùn)維難度大

  浸沒(méi)式液冷需要改變現(xiàn)有的維護(hù)流程,冷卻液需要特殊處理,且遭遇故障時(shí)需要將服務(wù)器從冷卻液中取出,對(duì)IT運(yùn)維人員提出了新的技能要求。未來(lái)AI與浸沒(méi)式冷卻的融合將成為重要發(fā)展方向。為確保浸沒(méi)式IT設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和性能優(yōu)化,冷卻液的持續(xù)監(jiān)測(cè)與分析至關(guān)重要。AI技術(shù)的引入,使得冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控流體狀態(tài),預(yù)測(cè)性能退化趨勢(shì),并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換。此外,基于AI的預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析,可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)的維護(hù)需求,從而顯著降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本,提高資源利用效率。

  4、成本高

  首先,數(shù)據(jù)中心采用浸沒(méi)式冷卻需要重新鋪設(shè)管道,為溫水回路鋪設(shè)冗余管道。其次,浸沒(méi)式液冷需要使用專用的冷卻液,且用量大,建設(shè)成本高。

  5、IT設(shè)備兼容性問(wèn)題

  浸沒(méi)式液冷技術(shù)需要根據(jù)IT設(shè)備定制冷板,不同型號(hào)的設(shè)備可能需要不同的冷板設(shè)計(jì),這增加了技術(shù)推廣的復(fù)雜性。

  為進(jìn)一步提高冷卻效率,以英特爾和英偉達(dá)等科技巨頭為代表的公司不斷探索浸沒(méi)式液冷技術(shù)。英特爾通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的散熱器結(jié)構(gòu)、涂層技術(shù)和封裝技術(shù),如珊瑚形散熱器、沸騰增強(qiáng)涂層和微型噴射器等,不斷提升其產(chǎn)品的冷卻效果。而英偉達(dá)則傾向于將直接到芯片液冷(DLC)與浸沒(méi)式液冷的優(yōu)勢(shì)結(jié)合,創(chuàng)造出一種全新的混合冷卻方案,這種方案傾向于保留大多數(shù)風(fēng)冷和直接液冷機(jī)箱中使用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝外形,將IT設(shè)備主板浸入冷卻液中,同時(shí)CPU和GPU采用直接液體冷卻,旨在完全消除風(fēng)扇的使用,同時(shí)保持IT設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝外形,從而為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)更高的能效和更低的噪音水平。預(yù)計(jì)2026 年將推出測(cè)試系統(tǒng),其主要合作伙伴包括BOYD Corp、 Durbin Group、Honeywell、Vertiv、賓厄姆頓大學(xué)、維拉諾瓦大學(xué)、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

英偉達(dá)結(jié)合DLC和浸沒(méi)式液冷的技術(shù)

來(lái)源:英偉達(dá)官網(wǎng)

總結(jié)

  (1)中國(guó)未來(lái)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還將以冷板式液冷為主,相比之下,全球在浸沒(méi)式液冷的布局和發(fā)展更快。

  (2)與兩相浸沒(méi)式液冷相比,單相液冷在成本、風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)維難度方向相對(duì)較低,應(yīng)用相對(duì)成熟。

  (3)盡管浸沒(méi)式液冷在技術(shù)上擁有一些優(yōu)勢(shì),但由于冷卻液的限制、解決方案的成熟度不高、運(yùn)維難度大、成本高以及IT設(shè)備兼容性等方面的限制,目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。


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關(guān)鍵字:液冷

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