浸没式液冷数据中心技术发展浅析

  市场背景

  2021年7月，工信部印发的《新型数据中心发展三年行动计划(2021—2023年)》中，提出到2021年底新建大型及以上数据中心PUE降低到1.35以下;到2023年底，新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下。在政策推动下，液冷数据中心正成新的热点。近年来国内外许多头部IT企业也开始布局液冷技术，根据相关的数据显示，液冷数据中心每年至少可以节省30%用电量。同时，市场权威分析机构预计，到2026年，液冷数据中心市场的初始估值从2018年的14.3亿美元增至1205亿美元，年化复合增长率达30.45%，液冷数据中心的正处在快速增长的战略机遇期。

  浸没式液冷技术定义与原理

  所谓的液冷，并不是单纯指的水。指的是把高比热容的液体作为传输介质，将IT设备或者服务器产生的热量带走，使之冷却。目前液冷技术主要有三种部署方式，分别是浸没、冷板、喷淋三类方式。本文将主要探讨浸没式液冷技术。浸没式液冷技术是一种以液体作为传热介质,发热器件浸没于液体中,通过直接接触进行热交换的冷却技术。根据介质是否存在相变化分为单相浸没和二相浸没二种类型。

图1，浸没式液冷技术分类(原图来自于3M)

  单相浸没式液冷原理：在单相浸没式液冷中，电子氟化液保持液相。电子部件直接浸没在电介质特性的氟化液中，而液体置于密封但便于操作的机柜里，热量从电子部件传递到液体，一般再使用循环泵将经过加热的电子氟化液循环到热交换器。在热交换器中冷却并回到机柜中。

  两相浸没式液冷原理：在两相浸没式液冷中，通过电子氟化液的沸腾及冷凝过程，指数级地提高液体的传热效率。电子部件直接浸没在机柜中的电介质液体中，该机柜密封但易于操作。在机柜内，热量从电子部件传递到氟化液中，并引起液体沸腾产生蒸汽。蒸汽在机柜内的热交换器(冷凝器)上冷凝，将热量传递给在数据中心中循环流动的设施冷却用水。

  以下以一个二相浸没式冷却的模型为例，采用的是3M公司的氟化液，沸点温度。冷却液机柜Tank内置冷却液盘管，与电子元器件吸热沸腾汽化后，气态氟化液在冷却液盘管壁面冷凝成液体，实现热量从电子元器到冷却液的转移，冷却液在冷去液分配单元CDU内与外循环的冷却水通过板式换热器换热后，热量最终通过室外的冷却塔散到环境中去。

图2，二相浸没式液冷工作原理

  浸没式液冷技术特点与优势：

  浸没式液冷与传统的风冷相比，浸没式液体冷却系统提供了更大的散热能力——同体积液体带走热量是同体积空气的近3000倍，液体导热能力是空气的25倍——为数据中心大功率地部署提供了多种机会。同样的数据中心空间，当数据中心的功率密度增加10倍，比如一个机架达到50KW或100KW，显然浸没式液体冷却可以提供显著的空间和能源节约。浸没式液冷的总体优势可以从以下几点得到体现：

  第一，应用浸没式液冷技术有助于实现数据中心节能。首先浸没式液冷数据中心与传统风冷数据中心相比，去掉了空调系统以及对应的风冷基础设施，增加了循环泵，能够节约建设成本。其次，与风冷系统相比，液冷数据中心能节省约30%的能源，有效降低能源消耗比，可以将PUE降到1.05，满足绿色数据中心的要求。

  第二，浸没式液冷技术的高效制冷可有效提升IT设备的使用效率和稳定性。液体传导温度传递效果更快、更优，能够实现IT设备高效制冷。同时，由于液体的比热容大，在吸收大量热量后自身温度不会产生明显的变化，故而能够稳定IT设备温度。即使IT设备突发处于高峰状态，浸没式液冷也能保障服务器不会出现过热故障。

  第三，浸没式液冷技术有助于实现数据中心降噪，达到静音效果。在相同散热条件下，液冷系统所使用的泵和冷却液系统，没有产生大量噪音的风扇，与传统的空调系统相比噪声更小，通常浸没式液冷数据中主的的噪音可以控制在50dB以下，可以达到“静音机房”的效果。

  第四，浸没式液冷技术有助于提高数据中心单位空间的服务器密度，大幅提升数据中心的运算效率。液冷数据中心省却了空调系统和相应基础设施的建设，节省了大量空间，可以容纳更多的服务器。同时，液冷技术可以应对高功率密度数据中心的冷却工作，如单机柜配电量达到50KW以上甚至未来达到150KW，液冷数据中心可以配置高密度的服务器从而使单位空间达到相较传统机房高几倍甚至几十倍的运算效率。如下图参考多冷却方式的效率与机柜功率密度。

上图来源 “Immersion Cooling for Green Computing”(Fangzhi, Director at Alibaba)

  结束语：

  浸没式液冷数据中心的发展不仅会纵向渗透到不同行业,也会横向与人工智能、边缘计算和5G等技术相结合,支持其他技术落地的同时,也在实际应用中取得更好的发展，促进全行业数字化转型与落地。随着社会各个行业的数字化转型的加速，为推动绿色节能与可持续发展，浸没式液冷技术基于多项技术优势与发展潜力，将迎来快速发展的机遇期。当然浸没式液冷技术是对数据中心基础设施的一种大胆的创新，数据中心是一个整体的系统，浸没式液冷的应用也会对其他的子系统产生重大影响，比如数据中心的综合布线系统，在浸没式液冷的应用中会促使许多新的技术革新