广电数据中心节能新技术研究

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摘要：当前，数据流量呈指数增长，设备功率密度与日俱增，数据中心服务器单机柜功率密度不断提高，传统“风冷”面临散热瓶颈问题，而用液体代替空气进行换热的“液冷”是很好的思路。本文对液冷技术做了剖析，展示了部分研究数据，结果显示，与风冷技术相比，液冷散热效率更高，PUE更低，可解决服务器高热密度、高功耗的问题，满足数据中心对节能环保的需求，也可降低数据中心的故障率。

关键词：浸没液冷PUE高热密度

1引言

在当下的日常工作和生活中，计算机网络系统提供了全方位的支撑，如人工智能、物联网、移动支付、导航、云计算、大数据、机器学习、高性能计算等，这对计算机数据中心的基础设施的性能提出了很高的要求，同时也大幅增加了能耗。高能耗增加了数据中心的成本，也过多地消耗了宝贵的电力资源。在此情况下，液冷技术不失为一种节能降耗的好方法。液体进入机房，颠覆了传统的认知。液冷是一项革命性的冷却技术，从“风冷”到“液冷”的变革，既突破了传统冷却技术的限制，也大幅提升了冷却系统的效率，同时实现了计算体系架构与基础设施系统的精确匹配。当前，数据处理速度越来越快，存储能力越来越强，计算机芯片的密度越来越高，要处理的计算工作也越来越复杂，由此导致热密度越来越大，机房的热负荷不断上升，只有液冷技术能很好地解决这些问题。此方案兼顾了高效计算和高效散热，是数据中心冷却技术的未来发展趋势。

2液冷技术发展的原因

随云计算、AI、超算等应用发展，数据中心机柜平均功率密度数将逐年提升，热密度会急剧增长。中国电子技术标准化研究院发布的《绿色数据中心白皮书》显示，我国目前的数据中心平均功率密度为8kW~10kW，未来，随着我国新建的数据中心向着大规模方向发展，单机柜功率密度将在15kW以上。因此，传统的制冷方案已经不能满足大功率的机柜散热需求，而液冷是很好的解决方法。传统数据中心空调系统能耗占比较大，即使采用节能方案，运营电费的占比依然较高。考虑到降低运营总成本，采用浸没式液冷系统是必然趋势。浸没式液冷系统是以液体作为冷源，以绝缘冷却液作为载冷剂，对服务器进行浸没式冷却的系统。此系统设计的核心思想是针对性地降低数据中心高热服务器的温度，热交换效率高，可获得理想的PUE（电能利用效率）值，并且能耗低，可节省费用。各制冷方法对比分析如下：IT机柜功率密度小于15kW时，传统的空调系统可解决散热问题；IT机柜功率密度在15kW~30kW时，风冷方案能效高，但成本也随着功率密度的增加而提高；IT机柜功率密度大于30kW时，风冷空调无法解决散热问题，液冷是最合适的方案，可考虑取消服务器风扇，能节约15%的功耗，减小配电系统容量。

3浸没式液冷系统架构

系统主要包括液冷机架（Tank）、液冷分配单元（CDU）、冷却液及连接管道等，如图1所示。服务器放置于Tank内，冷却液浸没热交换，高温冷却液通过CDU内的变频泵传输作用，然后进入CDU内的换热器进行热交换，降温后的低温冷却液再回到Tank，如此循环往复。在冷却侧部分，CDU换热器一端接冷却塔或低温冷却水，低温冷却水经过换热器换热后温度升高，温度升高后的冷却水再回到冷却塔或冷水主机进行热交换变成低温冷却水，低温冷却水经过水泵送至CDU换热器，同样循环往复。浸没式液体相变冷却系统工作流程具体如下：将服务器主板、中央处理器、内存等线路板和芯片元件浸没在冷却液中，服务器运行时，各电子部件会产生大量热量，引起冷却液升温，当冷却液的温度升高到“系统压力”所设计的沸点时，冷却液产生相变，从液态变为气态。在此过程中，液体汽化吸收周围热量，将热量直接带走，起到降低温度的效果。这种制冷方式具有很高的传热效率，是最节能、最高效的方法。此系统具备如下优点：无须添加空调机、加湿器的控制，无须架空地板，服务器无须风扇，对运行环境要求较低，也减少了服务器机房的噪声；兼容标准服务器所有硬件，冷却液不挥发，使用安全，无污染；散热效果很好；占地空间小，减小了设备体积；产品运行能耗小，可节约成本。此系统的冷却塔如图2所示，与风冷机组相比，其耗电量比风冷机组少得多，使用寿命长，投入成本低，维护方便。同时，由于系统是闭式循环，所以能够保证水质干净，无污染，可以很好地保障主设备高效运行，提升设备的使用寿命。此外，我们还可根据室外温度灵活设置冷却塔使用方式和工作模式，当外界气温较低时，可以停掉喷淋水系统，从而节省水资源，而冬季时喷淋水需要进行电伴热防冻处理。总体而言，冷却塔具有低PUE、节约成本、施工简单等优点。除上述优点，浸没式液冷系统同时还具有如下特点。一是高热密度。机架热密度增加，从原来单柜热密度3kW、5kW急剧攀升到10kW甚至20kW、30kW，部分大于50kW，传统的冷却方案无法满足散热要求，而液冷将是最佳解决方案。浸没式液冷适合单柜热密度大于20kW的运行环境。二是最佳PUE。能源成本是数据中心的最主要支出，因此，数据中心运营商一直致力于降低能耗投入。浸没式液冷能够将数据中心的能耗降低20%~30%，可实现PUE小于1.04。三是节省空间。目前，数据中心内的空间管理是数据中心管理员最关心的问题之一，节省数据中心占地是IT基础架构管理的重要目标。浸没式液冷系统不仅减少了服务器占地空间，也减少了传统冷却方式的冷却设备的占地空间，释放的原有占地可投入服务器使用中，大大增加了原有机房面积可用率。四是环境优化。随着数据中心的发展，风冷数据中心的设备在较恶劣的环境中使用，对服务器和冷却设备都具有较高的挑战。浸没式液冷系统可使设备免受恶劣环境的影响，并且该方案允许技术人员拆除服务器风机，可大大降低数据中心的运行噪声，减少噪声污染。根据实际测试，浸没式液冷数据中心运行噪声可低至50dB。

4冷媒

工作过程中的冷媒是专用的浸没冷却液，具有高绝缘性、低黏稠度、很好的化学惰性和稳定性，并且可以阻燃。因此，冷媒具有高可靠性，性能高且低噪声，无泄漏风险，节能高效。经过长期研究，我们对水、矿物油、氟化液等冷媒进行了对比分析，结果如下：水具有良好的比热容，是一种优秀的散热媒介，且价格低廉、无污染，但水并非绝缘体，所以只能应用于非直接接触型液冷技术中；矿物油是一种价格相对低廉的绝缘冷却液，单相矿物油无味、无毒、不易挥发，是一种环境友好型介质，但矿物油黏性较高，容易残留，部分品种在特定条件下有燃烧的风险；氟化液具有绝缘且不燃的惰性特点，不会对设备造成任何影响，是目前应用最广泛的浸没式冷却液，但价格较为昂贵。我们对A、B、C三种氟化液进行了对比测试，实验测试参数如表1所示，其中，C型号的氟化液密度小、导热率高，是很好的冷媒。针对C型号氟化液进行实验测试，具体情况如表2所示，用氟化液作为冷却液，化学结构稳定，性能优异。

5结语

综上所述，为了将电子设备安全浸泡在冷却液中，必须要保证冷却液是绝缘的，并且冷媒必须是100%防腐蚀的，这样可有效避免对电子元件和线路板产生腐蚀性损坏。冷媒必须不可燃、无毒、易清洁，并且无污染，可保持环境卫生、美观。浸没式液冷是直接将硬件浸入非导电液体中，用这种方法冷却计算机部件，线路板和芯片产生的热量可直接传递给冷媒液体，从而减少或免去了对传统冷却方法中散热器、散热风扇、导风挡板等各种金属散热部件的需求，导热高效，降温效果好，成本低，契合数据中心机房设备越来越紧凑、热密度越来越高、功率越来越大的发展趋势，有广泛的应用前景。

作者:许进 单位:江苏省广电有线信息网络股份有限公司