關(guān)于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)應用現(xiàn)狀和趨勢研究

摘要：在當前數(shù)據(jù)中心建設中，液冷技術(shù)因為具有節(jié)能減排、高散熱密度等技術(shù)優(yōu)勢而得到廣泛推廣，對于實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能生產(chǎn)的意義重大。在本次研究中，本文針對數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的應用現(xiàn)狀展開分析，包括間接液體冷卻與直接液體冷卻兩個部分，之后對該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行展望，提出了相關(guān)技術(shù)應用中存在的問題以及促進技術(shù)革新的發(fā)展方向，希望以此能夠為推動技術(shù)變革提供支持。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;液冷技術(shù);節(jié)能效率

根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，截至2020年，全球信息與通信技術(shù)行業(yè)的溫室氣體排放量占溫室氣體總量的6%左右，且預計到2030年，可能達到全球溫室氣體排放的20%。當前，溫室氣體對地球環(huán)境造成的負面影響已不容忽視，所以為了能夠更好地解決這一問題，需要尋找一種可以進一步降低行業(yè)溫室氣體排放的方法，而液冷技術(shù)的出現(xiàn)則充分滿足了上述要求。因此為了進一步發(fā)揮液冷技術(shù)的優(yōu)勢，則應該了解該技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，這也是本文研究的主要目的。

一、數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)應用現(xiàn)狀

（一）背景概述

隨著各種高性能芯片的發(fā)展，導致數(shù)據(jù)中心熱流密度明顯升高，而溫度的提升本身可能對電子器件的正常運行產(chǎn)生影響，而電子器件失效的主要原因就是溫度過高，尤其是當溫度超過85℃時，將會造成芯片等部件破壞[1]。目前數(shù)據(jù)中心在運行過程中，通常按照《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》當中關(guān)于環(huán)境規(guī)范的相關(guān)標準，期間為維持整個數(shù)據(jù)中心的平穩(wěn)運行，則需要嚴格控制溫度、濕度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并且因為功能的特殊性，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)必須要時刻關(guān)注內(nèi)部的溫度變化情況，通過全天候運行來嚴格控制溫度與濕度。目前各地區(qū)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)建成了功能完整的CRAC（機房空調(diào)），并通過該裝置控制空間中的溫濕度變化。但是因為功能的特殊性，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)一直存在功耗大的問題，在采用機械蒸汽壓縮冷卻的技術(shù)后，空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題為得到有效解決。而隨著數(shù)據(jù)中心業(yè)務量不斷增加，導致冷負荷密度提升，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)也面臨散熱不足、能耗嚴重的問題，主要表現(xiàn)為以下幾方面：1.冷卻系統(tǒng)的能耗高。在傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中使用壓縮機械冷卻的方法，該方法雖然運行穩(wěn)定，但是運行過程中所產(chǎn)生的能耗不容忽視，尤其在低緯度地區(qū)，更是PUE過高的主要根因，已經(jīng)不符合《關(guān)于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設指導意見》中的相關(guān)標準。2.空氣換熱系數(shù)偏低，當前空調(diào)系統(tǒng)的散熱能力不足，導致在某些運行頻率較高的設備運行中出現(xiàn)了散熱效果不佳的情況。3.冷源與熱源的距離遠，因此為確保冷卻效果則需要增設更多的送風通道，所以隨著相關(guān)設備數(shù)量的增加，導致制冷系統(tǒng)過于復雜，這也增加了系統(tǒng)運行負擔。因此針對傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的不足，相關(guān)學者開始對空調(diào)技術(shù)模式進行探索與創(chuàng)新，并通過一系列冷風替代技術(shù)來解決高能耗問題，液冷技術(shù)則是其中的代表，從技術(shù)特性來看，該技術(shù)可以專門針對散熱部位做冷卻，確?？焖俳禍氐耐瑫r也能減少系統(tǒng)能耗，具有優(yōu)勢。同時冷卻液的技術(shù)手段也在不斷完善與發(fā)展之中，例如相關(guān)學者所研發(fā)的浸沒式冷卻技術(shù)則可以顯著提升冷卻效果，實現(xiàn)了冷卻技術(shù)的變革，根據(jù)其技術(shù)特征，可將其劃分為直接液體冷卻和間接液體冷卻兩種。

（二）間接液體冷卻技術(shù)

1.技術(shù)特征

間接冷卻技術(shù)的主要特征是采用一系列間接接觸的方法實現(xiàn)冷卻，通過液冷散熱器來實現(xiàn)溫控目標;在具體實施階段，可通過微通道散熱器來強化簡介散熱器的性能，在進行改進后整個系統(tǒng)的傳熱性能滿意，技術(shù)優(yōu)勢顯著[2]。為實現(xiàn)有效散熱的目標，簡介液體冷卻技術(shù)主要是依托其物理性能實現(xiàn)散熱目標，所以在該系統(tǒng)運行中能夠通過調(diào)整空氣流速以及冷卻劑的溫度來實現(xiàn)降溫，減少損耗。同時因為機柜、服務器級管道系統(tǒng)的存在，整個空調(diào)系統(tǒng)的通用性下降，所以針對該問題，液冷技術(shù)冷卻系統(tǒng)也能按照相應的設備布設方法與服務器運行要求做出調(diào)整。

2.冷板冷卻技術(shù)

根據(jù)冷卻的發(fā)生可將該技術(shù)細分為單向冷板冷卻與兩相冷板冷。從技術(shù)應用來看，冷板技術(shù)的應用時間較早，具有成熟。而近些年快速興起的兩相冷卻冷板技術(shù)則是在技術(shù)手段上進行創(chuàng)新，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)可依托低沸點冷卻劑，在經(jīng)過一系列物理反應后可以吸收服務器運行過程中所產(chǎn)生的熱量，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該技術(shù)具有更大的傳熱速率，且加熱表面與冷卻液之間的溫度梯度水平下降，冷卻液在相變之后可以改變傳統(tǒng)的散熱熱流密度，最終達到降溫效果。但是該方法也存在一定的不足，包括冷卻液流動的不穩(wěn)定性、運行過程中可能造成的流動逆轉(zhuǎn)等問題，而上述故障的出現(xiàn)可能造成受熱表面溫度快速提升而引發(fā)燒毀現(xiàn)象。所以為了解決該問題，相關(guān)學者在冷卻板冷卻技術(shù)優(yōu)化過程中重點開發(fā)了強化散熱技術(shù)，可以為芯片級設計高效多孔介質(zhì)和微通道散熱器，在改進后數(shù)據(jù)中心的PUE僅為1.17-1.30，符合相關(guān)標準[3]。

3.熱管冷卻技術(shù)

熱管冷卻技術(shù)的關(guān)鍵點是在不需要外部能量的情況下，持續(xù)以較小的溫度差傳遞熱量，所以與其他技術(shù)相比，熱管冷卻技術(shù)的能源利用效率更高，且基本不會影響室內(nèi)環(huán)境，尤其是滿足空調(diào)系統(tǒng)壓縮集成的技術(shù)要求。目前熱管化熱器普遍具有良好的控溫特性，可以在不進行外部能量傳遞的情況下維持較低溫差導熱，所以該技術(shù)可以通過天然冷卻控制溫度。從技術(shù)應用現(xiàn)狀來看，相關(guān)學者將該技術(shù)用于GPU、CPU等高溫熱點器件的冷卻處理中，并且因為該系統(tǒng)中幾乎不需要添加運動部件，所以可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

（三）直接液體冷卻技術(shù)

1.噴霧冷卻技術(shù)

噴霧冷卻技術(shù)具有控溫響應速度快、散熱能力強等優(yōu)點，從應用現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的換熱系數(shù)范圍更高。目前該技術(shù)的冷卻過程包括：準備液體之后，經(jīng)通道進入噴嘴，在噴嘴的分割下可實現(xiàn)快速霧化進而分解成無數(shù)微小的液滴，之后經(jīng)噴嘴噴出液滴之后可以均勻分布在發(fā)熱表面上，在這個過程中液滴所產(chǎn)生的擊打作用以及蒸發(fā)等物理作用可以將發(fā)熱面的熱量帶走。現(xiàn)階段較為常見的噴霧冷卻技術(shù)普遍采用了傾斜氣體輔助噴嘴，在運行期間可以根據(jù)服務器區(qū)域的面積妥善布設數(shù)量不等的噴嘴。該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被應用于超級計算機的冷卻上，且在數(shù)據(jù)中心中也有廣闊的應用前景。

2.噴淋冷卻技術(shù)

通過該技術(shù)能夠打造一個溫度邊界層，該邊界層不僅能夠隔離受熱表面與環(huán)境，也能不斷吸收表面發(fā)散的熱度;并且因為該邊界層中的水流速度較快，因此可以快速帶走熱量。從技術(shù)原理來看，噴淋冷卻技術(shù)與噴霧冷卻技術(shù)類似，但在應用過程中相關(guān)人員還需要重點考慮到密封蒸汽室、兩相冷卻劑流動等方面的要求。如廣州某企業(yè)在采用噴淋冷卻技術(shù)之后，其PUE被控制在1.05-1.10之間，證明該技術(shù)具有可行性。

3.單相浸沒式冷卻技術(shù)

該技術(shù)的關(guān)鍵點就是可以將服務器直接放置在冷卻液體中進行冷卻，利用冷卻液直接吸收熱量，具有溫控效果好的優(yōu)點。所以在應用該冷卻方法時，應重點考慮到雜質(zhì)對降溫效果的影響，針對雜質(zhì)進行處置之后才能用于裝置的冷卻處理中。在該技術(shù)的末端系統(tǒng)建設期間，通常會增設干冷塔或者水冷塔等裝置，通過上述裝置可以實現(xiàn)溫水的自然冷卻，并且將數(shù)據(jù)中心所產(chǎn)生的熱量快速發(fā)散到空氣中，所以具有理想的散熱效果。同時該技術(shù)也支持熱量加工與循環(huán)利用的要求，例如通過搭設余熱利用回收系統(tǒng)可以回收冷卻溫水中的熱量。從技術(shù)應用現(xiàn)狀來看，該技術(shù)常見的冷卻液包括白油、合成介質(zhì)冷卻劑等，并且相關(guān)人員可以根據(jù)溫控要求選擇開放式的冷卻系統(tǒng)與密閉式的冷卻系統(tǒng)等。而根據(jù)相關(guān)學者的研究可知，在單相浸沒式冷卻技術(shù)中，通過將服務器完全浸泡在冷卻液中，相關(guān)人員可以根據(jù)具體要求改進服務器的架設密度、系統(tǒng)的冷卻能力等，在技術(shù)上具有很強的適用性。同時從成本管理的角度來看，因為該系統(tǒng)不需要布設冷水機組、活動地板等裝置，所以有助于進一步控制總成本。從應用經(jīng)驗來看，某超級計算機采用了單相浸沒式冷卻系統(tǒng)之后，在溫控過程中約節(jié)省了50%的總能源成本，因此該系統(tǒng)預計運行3年的時間即可完全收回單相浸沒式冷卻技術(shù)的投入成本;同時在該液冷技術(shù)投入使用之后，數(shù)據(jù)中心的PUE最高值為1.08，各項指標符合技術(shù)要求。

4.兩相浸沒式冷卻技術(shù)

浸沒式冷卻技術(shù)的另一常見方式就是采用兩相浸沒式冷卻技術(shù)，該技術(shù)主要利用浸沒冷卻沸點低時所出現(xiàn)的一系列物理現(xiàn)象而達到溫控目的，如沸騰相變之后的沸騰過程會通過潛熱吸收熱量，進而快速降低數(shù)據(jù)中心的溫度。該技術(shù)中液體會隨著溫度的升高快速吸熱最終沸騰，所以該技術(shù)中涉及重力驅(qū)動、潛熱傳遞等一系列的物理變化過程。從技術(shù)應用來看，該技術(shù)的顯著優(yōu)點就是無須設置冷卻服務管道系統(tǒng)、連接器等裝置，因此整個系統(tǒng)的維修難度小，方便后期運營維護。同時因為該系統(tǒng)不需要設置專門的芯片級冷卻泵，因此整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性會有顯著提升。同時，兩相浸沒式冷卻技術(shù)的最終冷卻效果與熱源表面的粗糙度、冷卻液的各項性能參數(shù)等因素有關(guān)，例如常用的熱源表面結(jié)構(gòu)復雜，包括多孔結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)、納米顆粒結(jié)構(gòu)、翅片列陣結(jié)構(gòu)等，在采用兩相浸沒式冷卻技術(shù)時，該技術(shù)所使用的低沸點氟化液可在較低溫度下發(fā)生沸騰，促進熱量排除。應用效果顯示，在采用兩相浸沒式冷卻技術(shù)之后，數(shù)據(jù)中心的PUE為1.05左右，且節(jié)能結(jié)果更理想。

二、數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的發(fā)展趨勢研究

（一）數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國數(shù)據(jù)中心的耗電量處于較高水平，2020年全年的用電規(guī)模已經(jīng)突破700億千瓦時，并且呈現(xiàn)快速增長的趨勢，若在未來能夠全面推廣液冷技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心更加節(jié)能的運行，對于我國如期實現(xiàn)2030年碳達峰、2060年碳中和的戰(zhàn)略目標具有重大的意義。從現(xiàn)狀來看，我國大范圍推廣液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心占比較低，造成這一現(xiàn)象的原因主要包括：1.高昂的成本。數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的不同技術(shù)路線之間存在較大的數(shù)據(jù)差異，再加之我國液冷技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展水平較低，導致整個行業(yè)并未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，單個零部件的生產(chǎn)與采購成本偏高，導致相關(guān)企業(yè)只能花費更多的資金進行采購，這無疑會影響液冷技術(shù)的推廣效果。2.設計成本偏高。目前我國并未完全制定數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的相關(guān)技術(shù)標準與規(guī)范，因此用戶在建設具備液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心時，只能全面委托液冷技術(shù)專業(yè)團隊進行數(shù)據(jù)中心的設計與建設，這種現(xiàn)象無疑會增加總成本。3.通用性不足。液冷服務器本身需要特殊定制，且各生產(chǎn)廠商之間目前存在一些排他性，因此用戶在實際使用過程中，普遍存在一定的適應性問題。因此通過上述相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，當前液冷技術(shù)的高成本問題成為限制其進一步推廣的重要原因，所以該技術(shù)更多只能以定制化的形式在數(shù)據(jù)中心進行小范圍、小規(guī)模的應用，這是未來發(fā)展中不容忽視的問題。

（二）發(fā)展趨勢分析

1.液冷技術(shù)應用規(guī)模擴大

為了能夠更好地適應數(shù)據(jù)中心發(fā)展，并且落實國家雙碳戰(zhàn)略，有關(guān)液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范將會陸續(xù)出臺，這對于下游的廠家而言，隨著相關(guān)規(guī)章制度的不斷完善，可以破除制約整個行業(yè)發(fā)展的枷鎖，可以更好地參與到市場競爭中并為更多的數(shù)據(jù)中心提供針對性的液冷技術(shù)支持方案。同時，隨著整個行業(yè)服務模式的變革，在一對多液冷技術(shù)服務模式下，能夠進一步解決相關(guān)技術(shù)方案的推廣效率偏低問題，有助于企業(yè)快速開拓市場，具有深遠影響。同時在行業(yè)內(nèi)部而言，隨著企業(yè)參與市場競爭的經(jīng)驗增加，會促進各種行業(yè)標準與技術(shù)規(guī)范的出臺，促使企業(yè)能夠從自身積累的經(jīng)驗入手，進一步總結(jié)成功經(jīng)驗，進而更好的保證液冷技術(shù)的應用路徑。

2.能夠促進行業(yè)的良性競爭

伴隨著相關(guān)液冷技術(shù)的發(fā)展與完善，在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)聚集了國內(nèi)外發(fā)展相對成熟的液冷技術(shù)解決方案。所以從整個行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢來看，未來相關(guān)廠家可以在編制行業(yè)標準的過程中形成相互借鑒、相互合作的良好機會，在堅持互利合作的基礎(chǔ)上，重點解決容易混淆的概念、解決方案的稱謂等方面問題，通過理順相關(guān)邏輯，獲取其他解決方案廠家的認可，推動形成一個相對有序的市場環(huán)境、形成共同發(fā)展的局面，最終引導整個行業(yè)的技術(shù)變革，這對于推動數(shù)據(jù)中心發(fā)展將會產(chǎn)生有益的促進作用。

3.技術(shù)措施會更加完善

因為液冷技術(shù)的運維模式與傳統(tǒng)風冷技術(shù)相比存在較大差異，所以在運用該技術(shù)之后可能會進一步增加整個項目的運維成本。所以為了能夠有效解決這一問題，需要各個配件生產(chǎn)廠家能夠做好合作與技術(shù)控制，在為各個廠家提供必要的技術(shù)支持與調(diào)試規(guī)范說明之后，堅持從標準化生產(chǎn)作業(yè)流程入手開展工作。

同時相關(guān)人員也要做好液冷技術(shù)的驗證管理，在確保技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上，能夠聯(lián)合服務商、設備商、企業(yè)等各方能力，堅持從設備可行性、節(jié)能可靠性等相關(guān)角度入手展開評估，堅持根據(jù)試點工程項目的實踐經(jīng)驗判斷液冷技術(shù)的實施效果，最終能夠在保證技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上順應未來數(shù)據(jù)中心推廣要求。

4.技術(shù)的進一步探索

為了能夠確保液冷技術(shù)的可操作性以及總成本控制，未來需要從技術(shù)應用需求角度入手來吸引更多企業(yè)參與到產(chǎn)業(yè)鏈中，最終降低液冷技術(shù)的總運行成本，推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成熟，并將其作為促進技術(shù)發(fā)展的增長點。同時在技術(shù)發(fā)展中需要工作人員能夠加快構(gòu)建各設備與部件的統(tǒng)一技術(shù)標準，在堅持加快產(chǎn)業(yè)鏈融合的基礎(chǔ)上，確定行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的邊界以及技術(shù)要求，最終實現(xiàn)液冷技術(shù)行業(yè)的經(jīng)濟效益與社會效益、環(huán)境效益的統(tǒng)一。

三、結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的出現(xiàn)可以顯著降低數(shù)據(jù)中心運行中出現(xiàn)的能源消耗，在技術(shù)上具有可行性，并且技術(shù)的應用結(jié)果也證實，該技術(shù)的出現(xiàn)能夠降低能耗，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，其優(yōu)勢明顯，例如液冷冷卻可以強化余熱再利用等，相關(guān)技術(shù)進一步降低能耗和減少二氧化碳排放。因此對于工作人員而言，在未來工作中必須要深入了解液冷技術(shù)的技術(shù)要點與操作方法，這樣才能順應整個行業(yè)發(fā)展要求，值得關(guān)注。

參? 考? 文? 獻

[1]楊辰，李俊山.基于模塊化數(shù)據(jù)中心的低碳化技術(shù)分析[J].信息技術(shù)與標準化，2021（12）：55-58.

[2]莊澤巖，孫聰，張琦，等.冷板式液冷技術(shù)與應用現(xiàn)狀分析[J].通信管理與技術(shù)，2021（03）：27-30.

[3]馮帥，王國巖，何嘉俊，等.浸沒式交換機液冷技術(shù)仿真與實驗[J].制冷學報，2021，42（03）：135-144.

[4]韓冰冰.數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].智能建筑，2020（08）：73-76.

作者單位：李云飛? ?中國電信股份有限公司深圳分公司

李云飛（1988.05-），男，漢族，安徽蚌埠，研究生，通信工程師（中級），研究方向：數(shù)據(jù)中心，云計算。