关于数据中心液冷技术应用现状和趋势研究

摘要：在当前数据中心建设中，液冷技术因为具有节能减排、高散热密度等技术优势而得到广泛推广，对于实现数据中心绿色节能生产的意义重大。在本次研究中，本文针对数据中心液冷技术的应用现状展开分析，包括间接液体冷却与直接液体冷却两个部分，之后对该技术的未来发展趋势进行展望，提出了相关技术应用中存在的问题以及促进技术革新的发展方向，希望以此能够为推动技术变革提供支持。

关键词：数据中心；液冷技术；节能效率

根据相关调查显示，截至2020年，全球信息与通信技术行业的温室气体排放量占温室气体总量的6%左右，且预计到2030年，可能达到全球温室气体排放的20%。当前，温室气体对地球环境造成的负面影响已不容忽视，所以为了能够更好地解决这一问题，需要寻找一种可以进一步降低行业温室气体排放的方法，而液冷技术的出现则充分满足了上述要求。因此为了进一步发挥液冷技术的优势，则应该了解该技术的现状及未来发展趋势，这也是本文研究的主要目的。

1、背景概述

随着各种高性能芯片的发展，导致数据中心热流密度明显升高，而温度的提升本身可能对电子器件的正常运行产生影响，而电子器件失效的主要原因就是温度过高，尤其是当温度超过85℃时，将会造成芯片等部件破坏[1]。目前数据中心在运行过程中，通常按照《数据中心设计规范》当中关于环境规范的相关标准，期间为维持整个数据中心的平稳运行，则需要严格控制温度、湿度等关键数据，并且因为功能的特殊性，数据中心空调系统必须要时刻关注内部的温度变化情况，通过全天候运行来严格控制温度与湿度。目前各地区数据中心已经建成了功能完整的CRAC（机房空调），并通过该装置控制空间中的温湿度变化。但是因为功能的特殊性，传统的空调系统一直存在功耗大的问题，在采用机械蒸汽压缩冷却的技术后，空系统的能耗问题为得到有效解决。而随着数据中心业务量不断增加，导致冷负荷密度提升，传统空调系统也面临散热不足、能耗严重的问题，主要表现为以下几方面：

1）冷却系统的能耗高。在传统的空调系统中使用压缩机械冷却的方法，该方法虽然运行稳定，但是运行过程中所产生的能耗不容忽视，尤其在低纬度地区，更是PUE过高的主要根因，已经不符合《关于加强绿色数据中心建设指导意见》中的相关标准。

2)空气换热系数偏低，当前空调系统的散热能力不足，导致在某些运行频率较高的设备运行中出现了散热效果不佳的情况。

3）冷源与热源的距离远，因此为确保冷却效果则需要增设更多的送风通道，所以随着相关设备数量的增加，导致制冷系统过于复杂，这也增加系统运行负担。因此针对传统空调系统的不足，相关学者开始对空调技术模式进行探索与创新，并通过一系列冷风替代技术来解决高能耗问题，液冷技术则是其中的代表，从技术特性来看，该技术可以专门针对散热部位做冷却，确保快速降温的同时也能减少系统能耗，具有优势。同时冷却液的技术手段也在不断完善与发展之中，例如相关学者所研发的浸没式冷却技术则可以显著提升冷却效果，实现了冷却技术的变革，根据其技术特征，可将其划分为直接液体冷却和间接液体冷却两种。

2、间接液体冷却技术

1）技术特征

间接冷却技术的主要特征是采用一系列间接接触的方法实现冷却，通过液冷散热器来实现温控目标；在具体实施阶段，可通过微通道散热器来强化简介散热器的性能，在进行改进后整个系统的传热性能满意，技术优势显著。为实现有效散热的目标，简介液体冷却技术主要是依托其物理性能实现散热目标，所以在该系统运行中能够通过调整空气流速以及冷却剂的温度来实现降温，减少损耗。同时因为机柜、服务器级管道系统的存在，整个空调系统的通用性下降，所以针对该问题，液冷技术冷却系统也能按照相应的设备布设方法与服务器运行要求做出调整。

2）冷板冷却技术

根据冷却的发生可将该技术细分为单向冷板冷却与两相冷板冷。从技术应用来看，冷板技术的应用时间较早，具有成熟。而近些年快速兴起的两相冷却冷板技术则是在技术手段上进行创新，与传统技术相比，该技术可依托低沸点冷却剂，在经过一系列物理反应后可以吸收服务器运行过程中所产生的热量，与传统技术相比，该技术具有更大的传热速率，且加热表面与冷却液之间的温度梯度水平下降，冷却液在相变之后可以改变传统的散热热流密度，最终达到降温效果。但是该方法也存在一定的不足，包括冷却液流动的不稳定性、运行过程中可能造成的流动逆转等问题，而上述故障的出现可能造成受热表面温度快速提升而引发烧毁现象。所以为了解决该问题，相关学者在冷却板冷却技术优化过程中重点开发了强化散热技术，可以为芯片级设计高效多孔介质和微通道散热器，在改进后数据中心的PUE仅为1.17-1.30，符合相关标准。

3）热管冷却技术

热管冷却技术的关键点是在不需要外部能量的情况下，持续以较小的温度差传递热量，所以与其他技术相比，热管冷却技术的能源利用效率更高，且基本不会影响室内环境，尤其是满足空调系统压缩集成的技术要求。目前热管化热器普遍具有良好的控温特性，可以在不进行外部能量传递的情况下维持较低温差导热，所以该技术可以通过天然冷却控制温度。从技术应用现状来看，相关学者将该技术用于GPU、CPU等高温热点器件的冷却处理中，并且因为该系统中几乎不需要添加运动部件，所以可以保证系统的稳定性。

3、直接液体冷却技术

1）喷雾冷却技术

喷雾冷却技术具有控温响应速度快、散热能力强等优点，从应用现状可以发现，该技术的换热系数范围更高。目前该技术的冷却过程包括：准备液体之后，经通道进入喷嘴，在喷嘴的分割下可实现快速雾化进而分解成无数微小的液滴，之后经喷嘴喷出液滴之后可以均匀分布在发热表面上，在这个过程中液滴所产生的击打作用以及蒸发等物理作用可以将发热面的热量带走。现阶段较为常见的喷雾冷却技术普遍采用了倾斜气体辅助喷嘴，在运行期间可以根据服务器区域的面积妥善布设数量不等的喷嘴。该技术现在已经被应用于超级计算机的冷却上，且在数据中心中也有广阔的应用前景。

2）喷淋冷却技术

通过该技术能够打造一个温度边界层，该边界层不仅能够隔离受热表面与环境，也能不断吸收表面发散的热度；并且因为该边界层中的水流速度较快，因此可以快速带走热量。从技术原理来看，喷淋冷却技术与喷雾冷却技术类似，但在应用过程中相关人员还需要重点考虑到密封蒸汽室、两相冷却剂流动等方面的要求。如广州某企业在采用喷淋冷却技术之后，其PUE被控制在1.05-1.10之间，证明该技术具有可行性。

3）单相浸没式冷却技术

该技术的关键点就是可以将服务器直接放置在冷却液体中进行冷却，利用冷却液直接吸收热量，具有温控效果好的优点。所以在应用该冷却方法时，应重点考虑到杂质对降温效果的影响，针对杂质进行处置之后才能用于装置的冷却处理中。在该技术的末端系统建设期间，通常会增设干冷塔或者水冷塔等装置，通过上述装置可以实现温水的自然冷却，并且将数据中心所产生的热量快速发散到空气中，所以具有理想的散热效果。同时该技术也支持热量加工与循环利用的要求，例如通过搭设余热利用回收系统可以回收冷却温水中的热量。从技术应用现状来看，该技术常见的冷却液包括白油、合成介质冷却剂等，并且相关人员可以根据温控要求选择开放式的冷却系统与密闭式的冷却系统等。而根据相关学者的研究可知，在单相浸没式冷却技术中，通过将服务器完全浸泡在冷却液中，相关人员可以根据具体要求改进服务器的架设密度、系统的冷却能力等，在技术上具有很强的适用性。同时从成本管理的角度来看，因为该系统不需要布设冷水机组、活动地板等装置，所以有助于进一步控制总成本。从应用经验来看，某超级计算机采用了单相浸没式冷却系统之后，在温控过程中约节省了50%的总能源成本，因此该系统预计运行3年的时间即可完全收回单相浸没式冷却技术的投入成本；同时在该液冷技术投入使用之后，数据中心的PUE最高值为1.08，各项指标符合技术要求。

4）两相浸没式冷却技术

浸没式冷却技术的另一常见方式就是采用两相浸没式冷却技术，该技术主要利用浸没冷却沸点低时所出现的一系列物理现象而达到温控目的，如沸腾相变之后的沸腾过程会通过潜热吸收热量，进而快速降低数据中心的温度。该技术中液体会随着温度的升高快速吸热最终沸腾，所以该技术中涉及重力驱动、潜热传递等一系列的物理变化过程。从技术应用来看，该技术的显著优点就是无须设置冷却服务管道系统、连接器等装置，因此整个系统的维修难度小，方便后期运营维护。同时因为该系统不需要设置专门的芯片级冷却泵，因此整个系统的稳定性会有显著提升。同时，两相浸没式冷却技术的最终冷却效果与热源表面的粗糙度、冷却液的各项性能参数等因素有关，例如常用的热源表面结构复杂，包括多孔结构、颗粒结构、纳米颗粒结构、翅片列阵结构等，在采用两相浸没式冷却技术时，该技术所使用的低沸点氟化液可在较低温度下发生沸腾，促进热量排除。应用效果显示，在采用两相浸没式冷却技术之后，数据中心的PUE为1.05左右，且节能结果更理想。

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