液冷散熱的方式有哪些 液體冷卻的優(yōu)點(diǎn)與誤區(qū)

隨著計(jì)算能力和性能需求的提高，AI人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施和IT設(shè)備的溫度不斷上升。更多的計(jì)算意味著更多的能量，更多的能量意味著更多的熱量，更多的熱量意味著需要更多的冷卻，而冷卻又消耗更多的能量，如此循環(huán)往復(fù)。

鑒于傳統(tǒng)空氣冷卻系統(tǒng)的低效率，以及注重可持續(xù)性的設(shè)計(jì)目標(biāo)、國家政策管控、不斷上升的電力成本以及冷卻CPU和GPU的技術(shù)需求，對(duì)更高效、更低功耗的冷卻系統(tǒng)的需求是顯而易見的。

有專家預(yù)測液冷解決方案將是高性能計(jì)算散熱的未來。預(yù)計(jì)到2026年全球浸沒式液冷市場將從今年的2.43億美元增長至7億美元。這是由于越來越多的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)以及對(duì)經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)保的冷卻解決方案的需求不斷增長。

液體冷卻是計(jì)算機(jī)冷卻中的新興技術(shù)，具有可以處理更大的功率密度、運(yùn)行干凈，安靜、成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的空氣冷卻等優(yōu)勢。研究表明，高性能計(jì)算領(lǐng)域在浸沒式液冷市場中占據(jù)了第二大份額。

液冷散熱的方式有哪些？

傳統(tǒng)服務(wù)器利用空氣帶走機(jī)箱內(nèi)發(fā)熱元件發(fā)出的熱量，冷卻能耗高、噪音大、設(shè)備密度低。風(fēng)冷所不能解決的高能耗、低性能的問題，液冷技術(shù)可以得到顯著的改善。

冷板式液冷散熱

即利用工作流體作為中間熱量傳輸?shù)拿浇椋瑢崃坑蔁釁^(qū)傳遞到遠(yuǎn)處再進(jìn)行冷卻。在該技術(shù)中，工作液體與被冷卻對(duì)象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過液冷板等高效熱傳導(dǎo)部件將被冷卻對(duì)象的熱量傳遞到冷媒中，因此冷板式液冷技術(shù)又稱為間接液冷技術(shù)。該技術(shù)將冷卻劑直接導(dǎo)向熱源，同時(shí)由于液體比空氣的比熱大，散熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，因此制冷效率遠(yuǎn)高于風(fēng)冷散熱，每單位體積所傳輸?shù)臒崃考瓷嵝矢哌_(dá)1000倍，可有效解決高密度服務(wù)器的散熱問題，降低冷卻系統(tǒng)能耗及聲噪。

藍(lán)海大腦液冷服務(wù)器 HD210 H系列突破傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱模式，采用風(fēng)冷和液冷混合散熱模式——服務(wù)器內(nèi)主要熱源 CPU 利用液冷冷板進(jìn)行冷卻，其余熱源仍采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻。通過這種混合制冷方式，可大幅提升服務(wù)器散熱效率，同時(shí)，降低主要熱源 CPU 散熱所耗電能，并增強(qiáng)服務(wù)器可靠性。經(jīng)檢測，采用液冷服務(wù)器配套基礎(chǔ)設(shè)施解決方案的數(shù)據(jù)中心年均 PUE 值可降低至 1.2 以下。

冷板式液冷服務(wù)器特點(diǎn)：

節(jié)能性更優(yōu)：整體機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗降低70%；服務(wù)器風(fēng)扇功耗降低70%~80%；液冷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全年自然冷卻，PUE<1.1，整體機(jī)房風(fēng)液混合冷卻系統(tǒng)PUE<1.2

器件可靠性更高：CPU滿載運(yùn)行核溫約40-50℃，比風(fēng)冷降低約 30℃；服務(wù)器系統(tǒng)溫度比風(fēng)冷降低約 20℃

性能更優(yōu)：CPU和內(nèi)存工作溫度大幅降低，可實(shí)現(xiàn)超頻運(yùn)行，計(jì)算機(jī)集群性能可提高5%

噪聲更低：液冷散熱部分水循環(huán)噪音極低，風(fēng)冷部分風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，噪音減小，降低約30dB，滿載運(yùn)行噪音<60dB。

功率密度提升：單機(jī)柜功率密度可達(dá)25KW以上，相比風(fēng)冷散熱方式大幅提升。

浸沒式液冷散熱

浸沒式相變液冷服務(wù)器，在浸沒式液體相變冷卻系統(tǒng)中，將服務(wù)器主板、CPU、內(nèi)存等發(fā)熱量大的元器件完全浸沒在冷媒中，在工作狀態(tài)下，各發(fā)熱部件會(huì)產(chǎn)生熱量，引起冷媒溫度上升。當(dāng)冷媒溫度升高到系統(tǒng)壓力所對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)，冷媒工質(zhì)發(fā)生相變，從液態(tài)變化為氣態(tài)，通過汽化熱吸收熱量實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，這種通過冷媒吸收熱量冷卻的技術(shù)即相變液冷技術(shù)。浸沒式相變液冷技術(shù)利用液體相變將熱量直接帶走，減少了傳熱過程的熱阻，相比冷板式液冷，浸沒式液冷技術(shù)具有更高的傳熱效率，是液冷之中最節(jié)能、最高效的新興制冷模式。

熱虹吸散熱

由密度、高度差產(chǎn)生介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)動(dòng)力，通過介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝實(shí)現(xiàn)熱流的傳輸與轉(zhuǎn)換。

技術(shù)特點(diǎn)

傳熱效率高，利用介質(zhì)的相變，通過工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝傳遞熱流，不需外加動(dòng)力

等溫性能優(yōu)

結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)性好，可進(jìn)行分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱傳輸

性能測試，不同風(fēng)量下的熱阻測試，便于不同服務(wù)器的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵技術(shù)

蒸發(fā)器強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

介質(zhì)選用及灌裝

焊接密封

液體冷卻的優(yōu)點(diǎn)

將液體冷卻用于各個(gè)領(lǐng)域的原因各不相同，如支持更高的功率密度；降低數(shù)據(jù)中心的成本；提高能源效率等。

可擴(kuò)展電源范圍

在數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)中，IT資源往往超出可用能力，浸沒式液冷降低功耗并提高計(jì)算能力。液體冷卻裝置使用更少的功率，并且可以使服務(wù)器本身更有效地運(yùn)行，同時(shí)還可以容納更多的計(jì)算機(jī)，減少構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的需求。

減少資本支出

構(gòu)建傳統(tǒng)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心的前期成本很高：從建筑設(shè)計(jì)到空氣處理器和冷水機(jī)組的安裝，高架地板以及其他要求可能會(huì)使新的數(shù)據(jù)中心構(gòu)建困難。通過消除對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心的所有空氣處理基礎(chǔ)設(shè)施的需求，液體冷卻可以將資本支出減少一半。同時(shí)由于占地面積更小，還可以減少構(gòu)建數(shù)據(jù)中心本身的資本支出。

更高的能源效率

能源效率是數(shù)據(jù)中心功能的最終決定因素，使用液體冷卻比使用空氣要高得多?，F(xiàn)在，許多正在獲得動(dòng)力的服務(wù)器應(yīng)用程序都是GPU密集型的，超出了可用功率的限制。浸沒式液冷技術(shù)可以將能耗減少一半，大大提高了數(shù)據(jù)中心的效率，開辟了新的可能性途徑。更高效地利用電源可以節(jié)省資金，增加服務(wù)器密度，并保護(hù)環(huán)境中的稀缺資源。

液體冷卻的誤區(qū)

公眾對(duì)浸沒式冷卻的看法尚未趕上該技術(shù)本身的發(fā)展。圍繞這項(xiàng)技術(shù)的誤區(qū)有很多，這些誤區(qū)影響著關(guān)于部署哪種冷卻解決方案的決策。

液體冷卻比傳統(tǒng)冷卻更昂貴

事實(shí)恰恰相反。液體浸泡實(shí)際上比傳統(tǒng)冷卻便宜得多。研究表明使用液體解決方案在數(shù)據(jù)中心和能源上節(jié)省了數(shù)百萬美元的部署費(fèi)用。

通過浸沒式液冷，即使是服務(wù)器本身的運(yùn)行成本也更低。它們沐浴在冷卻液中，不需要低效的風(fēng)扇。除了從基礎(chǔ)架構(gòu)中節(jié)省的資金外，這還將運(yùn)行服務(wù)器的成本降低了約五分之一。節(jié)省的成本從安裝開始，初始要求較低，然后在整個(gè)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行過程中繼續(xù)累積。資本支出和運(yùn)營支出在流動(dòng)性方面都明顯較低。冷卻成本比空氣低95%。

一種復(fù)雜的解決方案

雖然浸沒式液冷與傳統(tǒng)的空氣系統(tǒng)不同，但它在機(jī)械上要簡單得多，而不是更復(fù)雜。如，GRC的浸沒式液冷系統(tǒng)幾乎沒有移動(dòng)部件，與高磨損空氣冷卻相比，這極大地簡化了維護(hù)手段。

此外，浸沒式液冷的優(yōu)雅設(shè)計(jì)使技術(shù)人員能夠輕松訪問服務(wù)器以進(jìn)行熱插拔等。它還使整個(gè)數(shù)據(jù)中心更簡單，無需冷熱通道，高架地板，冷水機(jī)組，濕度控制，空氣處理器以及空氣冷卻所需的大部分電氣設(shè)備。

使用的冷卻液非常昂貴

液體冷卻雖然冷卻能力是空氣的1200倍，但不需要更多的成本。相反，整個(gè)系統(tǒng)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣冷卻。

很難與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心集成

液體冷卻在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的效果非常好。使用其現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)升級(jí)較舊的數(shù)據(jù)中心，甚至可以在運(yùn)行中的風(fēng)冷設(shè)施中加入一個(gè)高性能液冷服務(wù)器區(qū)域。液體冷卻系統(tǒng)的安裝非常簡單，可以根據(jù)需要將其安裝到傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。

液冷散熱的應(yīng)用

液體冷卻已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)風(fēng)冷很難充分冷卻，并涉及到高密度計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)巧妙地展示其價(jià)值。

超級(jí)計(jì)算

高性能計(jì)算(HPC)對(duì)處理器本身以及冷卻都需要大量的能量。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心噪音通常大到需要保護(hù)聽力，液體冷卻在可以無聲地運(yùn)行的同時(shí)還節(jié)省了大約一半的基礎(chǔ)設(shè)施成本。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

由于人工智能使用強(qiáng)大的處理器需要進(jìn)行大量并行計(jì)算，大量使用電力設(shè)備并產(chǎn)生熱量，耗電量是平均水平的幾倍。因此，AI數(shù)據(jù)中心需要變得更大以適應(yīng)這些需求。AI的實(shí)時(shí)處理將處理器推向極限，液體冷卻超出了這些限制，從而實(shí)現(xiàn)更快、更智能的計(jì)算。

區(qū)塊鏈和加密貨幣

區(qū)塊鏈正在迅速擴(kuò)展到加密貨幣以外的領(lǐng)域。如用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)需要大量的計(jì)算；復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算產(chǎn)生的熱量通過液體冷卻更有效地消散。為了產(chǎn)生利潤，區(qū)塊鏈應(yīng)用程序需要最大限度地減少其運(yùn)行位置的功耗。

總結(jié)

空氣冷卻與液體冷卻

雖然空氣冷卻和浸沒式冷卻都使用介質(zhì)（空氣或液體）將熱量從組件中帶走，但在機(jī)械功能，成本效益以及可以支持的計(jì)算能力方面存在巨大差異。

空氣冷卻通過一系列設(shè)備從外部推動(dòng)空氣，包括空氣處理器和機(jī)房空調(diào)（CRAC）。冷卻的空氣通過高架地板進(jìn)入冷通道，然后通過服務(wù)器，在那里它吸走熱量，然后進(jìn)入熱通道。從那里，空氣返回空氣處理機(jī)以重新開始其旅程。

相比之下，浸沒式液冷需要直接將服務(wù)器浸入流體中，這種流體的熱量傳遞效率是空氣的一千倍以上。這種液體通過冷卻分配單元（CDU）循環(huán)，該單元通過熱交換器散熱，使液體返回到啟動(dòng)狀態(tài)。

空氣冷卻通過復(fù)雜的機(jī)制推動(dòng)熱量，這些機(jī)制在金錢和空間上花費(fèi)很多。這與浸泡在非蒸發(fā)液體中形成鮮明對(duì)比。由于液體冷卻系統(tǒng)中的熱量由設(shè)施的冷卻劑處理，因此廢熱甚至可以重復(fù)使用來加熱建筑物的水和空氣。

液體浸入方法具有更簡單的機(jī)制，只需要三個(gè)活動(dòng)部件。這極大地幫助了運(yùn)行數(shù)據(jù)中心的各個(gè)方面。構(gòu)建液體冷卻數(shù)據(jù)中心更容易，成本更低，設(shè)備故障頻率更低，并支持更高的計(jì)算密度。

性能

在性能方面，空氣冷卻的最高功率約為每機(jī)架30千瓦，效率損失約為其一半。相比之下，液體冷卻可以處理每個(gè)機(jī)架超過100千瓦的功率，在某些情況下是其兩倍。數(shù)據(jù)中心越來越多地運(yùn)行能源密集型負(fù)載，如人工智能和加密。這些通常采用功耗成倍增加的專用處理器。

位置

空氣冷卻將數(shù)據(jù)中心限制在空氣過濾和其他基礎(chǔ)設(shè)施適合的某些位置，而液體冷卻的要求較少，可以安裝在任何地方。

防止環(huán)境危害

服務(wù)器設(shè)備通常會(huì)經(jīng)歷環(huán)境磨損，從而逐漸降低可靠性。暴露于這些元素的數(shù)據(jù)中心，如邊緣計(jì)算站點(diǎn)，面臨著額外的壓力?？諝庵泻兴趾托☆w粒，會(huì)干擾系統(tǒng)的完整性。浸沒式冷卻液將電子設(shè)備裝在“盔甲”中，以應(yīng)對(duì)這些威脅。浸入式冷卻器中的油可作為防塵、氧化、腐蝕、振動(dòng)和許多其他風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)外殼。計(jì)算機(jī)設(shè)備保持安全，冷卻液連續(xù)作用以保持較低的工作溫度。

相比之下，空氣冷卻會(huì)引入含有污染物的空氣，這些污染物可以中和IT設(shè)備。由于缺乏保護(hù)液，傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）變短。昂貴的濕度控制系統(tǒng)、維護(hù)和其他資源只能提供有限的覆蓋范圍?？諝饫鋮s使服務(wù)器面臨影響穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)，而液體冷卻則提供環(huán)境保護(hù)。

總結(jié)

空氣冷卻無法跟上不斷增長的數(shù)據(jù)中心需求。液冷正在流入以修復(fù)事物。不僅解決了空氣的所有關(guān)鍵問題，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了范圍。液冷散熱處理更高的服務(wù)器密度，同時(shí)減少噪音和功耗。除了其卓越的冷卻能力外，液體冷卻還具有其他幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如位置獨(dú)立性和低成本?？偠灾?，液體冷卻比空氣冷卻具有足夠的優(yōu)勢，使其成為一種不平衡的比較。

審核編輯：湯梓紅