引言
伴隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，特別是人工智能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，承擔(dān)大量數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中心，需要更高效的冷卻方案來(lái)滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。在解決高熱密度數(shù)據(jù)中心的散熱問(wèn)題方面，液冷具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能耗更低。
一、什么是液冷？
液冷是指使用高比熱容的液體作為熱量傳輸工質(zhì)，滿足服務(wù)器等IT設(shè)備散熱需求的冷卻方式。液冷技術(shù)并非近年才出現(xiàn)——早在上世紀(jì)60年代，IBM的大型計(jì)算機(jī)就已采用水冷技術(shù)。目前液冷技術(shù)主要應(yīng)用于高性能計(jì)算領(lǐng)域。
二、液冷的主要類型
按照液體與發(fā)熱器件的接觸方式，液冷主要分為間接接觸型液冷和直接接觸型液冷兩大類。
1. 冷板式液冷（間接接觸型）
冷板式液冷將主要發(fā)熱器件固定在冷板上，依靠流經(jīng)冷板的液體將熱量帶走，是典型的間接接觸型液冷。由于硬盤、電源等其它發(fā)熱部件依然需要風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣散熱，因此采用冷板式液冷的服務(wù)器也稱為“氣液雙通道服務(wù)器”。
技術(shù)特點(diǎn)：
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經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，技術(shù)相對(duì)成熟
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BAT等互聯(lián)網(wǎng)巨頭在開(kāi)放數(shù)據(jù)中心峰會(huì)上均有方案展示
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對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心架構(gòu)影響較小
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具有低噪音、高能效、低總體擁有成本（TCO）的特點(diǎn)
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可有效解決較高熱密度數(shù)據(jù)中心的散熱問(wèn)題
2. 浸沒(méi)式液冷（直接接觸型）
浸沒(méi)式液冷將發(fā)熱元件直接浸沒(méi)在冷卻液中，依靠液體的流動(dòng)循環(huán)帶走IT設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，是典型的直接接觸型液冷。
技術(shù)演進(jìn)：
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早期方式：將服務(wù)器浸沒(méi)在特殊設(shè)計(jì)的箱體（TANK）中，但降低了數(shù)據(jù)中心建筑空間利用率
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改進(jìn)方式：部分廠商為服務(wù)器定制設(shè)計(jì)外殼，將每個(gè)服務(wù)器和冷卻液包裹起來(lái)，在不改變現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心部署架構(gòu)的前提下優(yōu)化空間利用率
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
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發(fā)熱元件與冷卻液直接接觸，散熱效率更高
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完全沒(méi)有風(fēng)扇，噪音更低
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可解決更高熱密度場(chǎng)景的散熱需求，更加節(jié)能
三、冷卻液的主要類型
1. 水
主要是去離子純凈水，廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中。
優(yōu)點(diǎn)：
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比熱容高，散熱性能良好
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價(jià)格低廉，環(huán)境友好無(wú)污染
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可與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容
缺點(diǎn)：
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非絕緣體，只能應(yīng)用于非直接接觸型液冷技術(shù)
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一旦發(fā)生泄漏會(huì)對(duì)IT設(shè)備造成致命損害
2. 礦物油
價(jià)格相對(duì)低廉的絕緣冷卻液。
優(yōu)點(diǎn)：
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單相礦物油無(wú)味無(wú)毒，不易揮發(fā)
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環(huán)境友好型介質(zhì)
缺點(diǎn)：
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粘性較高，容易殘留
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易分解，具有一定可燃性
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在某些特定條件下存在燃燒風(fēng)險(xiǎn)
3. 氟化液
最初作為線路板清潔液使用，因其絕緣且不燃的惰性特點(diǎn)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)。
優(yōu)點(diǎn)：
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絕緣性能好
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不燃，安全性高
缺點(diǎn)：
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是目前三種冷卻液中價(jià)格最為昂貴的
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部分氟化液存在環(huán)保爭(zhēng)議
四、浸沒(méi)式液冷：?jiǎn)蜗嘞到y(tǒng)與兩相系統(tǒng)對(duì)比
單相液冷
冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生相變，維持液態(tài)。
特點(diǎn)：
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要求冷卻液沸點(diǎn)高
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冷卻液揮發(fā)流失控制相對(duì)簡(jiǎn)單
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與IT設(shè)備的元器件兼容性高
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冷卻介質(zhì)受污染較小
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相對(duì)于兩相液冷，散熱效率較低
應(yīng)用現(xiàn)狀：目前公布的浸沒(méi)式液冷案例中，絕大部分采用單相液冷系統(tǒng)。
兩相液冷
冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中發(fā)生相變（液態(tài)→氣態(tài)→液態(tài)）。
特點(diǎn)：
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傳熱效率更高
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無(wú)需泵體驅(qū)動(dòng)流體循環(huán)（依靠相變自發(fā)完成）
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冷卻液揮發(fā)流失控制相對(duì)復(fù)雜
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密閉箱體雖可解決揮發(fā)問(wèn)題，但相變導(dǎo)致箱體壓力變化，需按壓力容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)
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冷卻液介質(zhì)易受污染，需要預(yù)處理和污染控制
五、液冷技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的主要驅(qū)動(dòng)力
傳統(tǒng)服務(wù)于高性能計(jì)算領(lǐng)域的液冷技術(shù)，如今正越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。需求驅(qū)動(dòng)使數(shù)據(jù)中心向更高密度演進(jìn)，并采用比風(fēng)冷技術(shù)更高效的制冷解決方案。主要驅(qū)動(dòng)力體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
1. 人工智能技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展
近年來(lái)，CPU功耗持續(xù)增長(zhǎng)，契合摩爾定律的演進(jìn)趨勢(shì)；同時(shí)GPU、FPGA、ASIC等在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，進(jìn)一步推高了數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的功率密度。
Uptime Institute的Andy Lawrence指出：“機(jī)柜的功率密度正在提升，Uptime追蹤監(jiān)測(cè)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心機(jī)柜功率密度現(xiàn)已達(dá)到10kW，甚至部分機(jī)柜達(dá)到30kW，且這并非局限于高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域。液冷系統(tǒng)特別是浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)，非常適合解決CPU和GPU的散熱問(wèn)題。”
2. 進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本
數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運(yùn)行成本十分昂貴。盡管業(yè)界不斷創(chuàng)新風(fēng)冷系統(tǒng)，從傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)到直接風(fēng)側(cè)自然冷卻的AHU、間接風(fēng)側(cè)自然冷卻的AHU，但由于空氣的載熱能力遠(yuǎn)低于液體，采用液體冷卻介質(zhì)的液冷技術(shù)可大幅降低數(shù)據(jù)中心的能源利用率。
已公布的浸沒(méi)式液冷數(shù)據(jù)中心PUE可達(dá)到1.05甚至更低。對(duì)照風(fēng)冷系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心PUE=1.3-1.5的水平，液冷的能效優(yōu)勢(shì)非常顯著。
3. 邊緣計(jì)算
并非所有邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心都會(huì)采用液冷方式，但據(jù)估算，將有超過(guò)20%的邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心會(huì)采用液冷技術(shù)。液冷技術(shù)因其高效、對(duì)建筑物依賴度低、靜音安全等特點(diǎn)，可在場(chǎng)地電力容量不足的條件下實(shí)現(xiàn)更高密度部署。
六、數(shù)據(jù)中心部署液冷技術(shù)的主要阻礙
盡管液冷技術(shù)具有風(fēng)冷無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，且市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力為大規(guī)模應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心部署仍面臨多重挑戰(zhàn)：
1. 缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)支持
目前液冷技術(shù)，尤其是浸沒(méi)式液冷，在數(shù)據(jù)中心仍缺乏大規(guī)模應(yīng)用案例，且缺乏相應(yīng)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)技術(shù)進(jìn)行有效規(guī)范。
2. 數(shù)據(jù)中心的空間利用率
現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)基于風(fēng)冷系統(tǒng)架構(gòu)，如樓體承重、機(jī)房層高等。浸沒(méi)式液冷基于液體容器的設(shè)計(jì)，以及人員維護(hù)的便利性考慮，必然造成空間利用率降低。
3. 制冷架構(gòu)顆粒度過(guò)低，運(yùn)行與維護(hù)復(fù)雜
液冷的控制顆粒度細(xì)化至機(jī)柜（箱體）級(jí)、服務(wù)器級(jí)甚至芯片級(jí)，比目前主流的風(fēng)冷系統(tǒng)顆粒度更細(xì)，系統(tǒng)更復(fù)雜，維護(hù)也相對(duì)困難。
4. 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)
前文提到的三種常見(jiàn)冷卻液，其本身均無(wú)腐蝕性。例如水本身無(wú)腐蝕性，但水中其他物質(zhì)可能具有腐蝕性，因此冷板式液冷中通常采用去離子純水。礦物油和氟化物本身也不具備腐蝕性，但與空氣接觸后可能被其他物質(zhì)污染，從而存在腐蝕IT設(shè)備的潛在風(fēng)險(xiǎn)。這需要進(jìn)行預(yù)處理來(lái)避免，也推高了液冷技術(shù)部署的成本。
七、結(jié)語(yǔ)
液冷技術(shù)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心制冷架構(gòu)而言，既是巨大的挑戰(zhàn)，也是重大的機(jī)遇。隨著液冷技術(shù)不斷完善、產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)成熟、應(yīng)用案例不斷積累，液冷技術(shù)必將在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域占據(jù)重要地位，為高密度計(jì)算時(shí)代提供堅(jiān)實(shí)的散熱支撐。
