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

關鍵詞：數據中心；液冷技術；節能效率

根據相關調查顯示，截至2020年，全球信息與通信技術行業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溫室氣體排放的方法，而液冷技術的出現則充分滿足了上述要求。因此為了進一步發揮液冷技術的優勢，則應該了解該技術的現狀及未來發展趨勢，這也是本文研究的主要目的。

1、背景概述

隨著各種高性能芯片的發展，導致數據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]。目前數據中心在運行過程中，通常按照《數據中心設計規范》當中關于環境規范的相關標準，期間為維持整個數據中心的平穩運行，則需要嚴格控制溫度、濕度等關鍵數據，并且因為功能的特殊性，數據中心空調系統必須要時刻關注內部的溫度變化情況，通過全天候運行來嚴格控制溫度與濕度。目前各地區數據中心已經建成了功能完整的CRAC（機房空調），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，傳統的空調系統一直存在功耗大的問題，在采用機械蒸汽壓縮冷卻的技術后，空系統的能耗問題為得到有效解決。而隨著數據中心業務量不斷增加，導致冷負荷密度提升，傳統空調系統也面臨散熱不足、能耗嚴重的問題，主要表現為以下幾方面：

1）冷卻系統的能耗高。在傳統的空調系統中使用壓縮機械冷卻的方法，該方法雖然運行穩定，但是運行過程中所產生的能耗不容忽視，尤其在低緯度地區，更是PUE過高的主要根因，已經不符合《關于加強綠色數據中心建設指導意見》中的相關標準。

2)空氣換熱系數偏低，當前空調系統的散熱能力不足，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，所以隨著相關設備數量的增加，導致制冷系統過于復雜，這也增加系統運行負擔。因此針對傳統空調系統的不足，相關學者開始對空調技術模式進行探索與創新，并通過一系列冷風替代技術來解決高能耗問題，液冷技術則是其中的代表，從技術特性來看，該技術可以專門針對散熱部位做冷卻，確保快速降溫的同時也能減少系統能耗，具有優勢。同時冷卻液的技術手段也在不斷完善與發展之中，例如相關學者所研發的浸沒式冷卻技術則可以顯著提升冷卻效果，實現了冷卻技術的變革，根據其技術特征，可將其劃分為直接液體冷卻和間接液體冷卻兩種。

2、間接液體冷卻技術

1）技術特征

間接冷卻技術的主要特征是采用一系列間接接觸的方法實現冷卻，通過液冷散熱器來實現溫控目標；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的傳熱性能滿意，技術優勢顯著。為實現有效散熱的目標，簡介液體冷卻技術主要是依托其物理性能實現散熱目標，所以在該系統運行中能夠通過調整空氣流速以及冷卻劑的溫度來實現降溫，減少損耗。同時因為機柜、服務器級管道系統的存在，整個空調系統的通用性下降，所以針對該問題，液冷技術冷卻系統也能按照相應的設備布設方法與服務器運行要求做出調整。

2）冷板冷卻技術

根據冷卻的發生可將該技術細分為單向冷板冷卻與兩相冷板冷。從技術應用來看，冷板技術的應用時間較早，具有成熟。而近些年快速興起的兩相冷卻冷板技術則是在技術手段上進行創新，與傳統技術相比，該技術可依托低沸點冷卻劑，在經過一系列物理反應后可以吸收服務器運行過程中所產生的熱量，與傳統技術相比，該技術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定性、運行過程中可能造成的流動逆轉等問題，而上述故障的出現可能造成受熱表面溫度快速提升而引發燒毀現象。所以為了解決該問題，相關學者在冷卻板冷卻技術優化過程中重點開發了強化散熱技術，可以為芯片級設計高效多孔介質和微通道散熱器，在改進后數據中心的PUE僅為1.17-1.30，符合相關標準。

3）熱管冷卻技術

熱管冷卻技術的關鍵點是在不需要外部能量的情況下，持續以較小的溫度差傳遞熱量，所以與其他技術相比，熱管冷卻技術的能源利用效率更高，且基本不會影響室內環境，尤其是滿足空調系統壓縮集成的技術要求。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，所以該技術可以通過天然冷卻控制溫度。從技術應用現狀來看，相關學者將該技術用于GPU、CPU等高溫熱點器件的冷卻處理中，并且因為該系統中幾乎不需要添加運動部件，所以可以保證系統的穩定性。

3、直接液體冷卻技術

1）噴霧冷卻技術

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

2）噴淋冷卻技術

通過該技術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境，也能不斷吸收表面發散的熱度；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。從技術原理來看，噴淋冷卻技術與噴霧冷卻技術類似，但在應用過程中相關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。如廣州某企業在采用噴淋冷卻技術之后，其PUE被控制在1.05-1.10之間，證明該技術具有可行性。

3）單相浸沒式冷卻技術

該技術的關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點。所以在應用該冷卻方法時，應重點考慮到雜質對降溫效果的影響，針對雜質進行處置之后才能用于裝置的冷卻處理中。在該技術的末端系統建設期間，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溫水的自然冷卻，并且將數據中心所產生的熱量快速發散到空氣中，所以具有理想的散熱效果。同時該技術也支持熱量加工與循環利用的要求，例如通過搭設余熱利用回收系統可以回收冷卻溫水中的熱量。從技術應用現狀來看，該技術常見的冷卻液包括白油、合成介質冷卻劑等，并且相關人員可以根據溫控要求選擇開放式的冷卻系統與密閉式的冷卻系統等。而根據相關學者的研究可知，在單相浸沒式冷卻技術中，通過將服務器完全浸泡在冷卻液中，相關人員可以根據具體要求改進服務器的架設密度、系統的冷卻能力等，在技術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。從應用經驗來看，某超級計算機采用了單相浸沒式冷卻系統之后，在溫控過程中約節省了50%的總能源成本，因此該系統預計運行3年的時間即可完全收回單相浸沒式冷卻技術的投入成本；同時在該液冷技術投入使用之后，數據中心的PUE最高值為1.08，各項指標符合技術要求。

4）兩相浸沒式冷卻技術

浸沒式冷卻技術的另一常見方式就是采用兩相浸沒式冷卻技術，該技術主要利用浸沒冷卻沸點低時所出現的一系列物理現象而達到溫控目的，如沸騰相變之后的沸騰過程會通過潛熱吸收熱量，進而快速降低數據中心的溫度。該技術中液體會隨著溫度的升高快速吸熱最終沸騰，所以該技術中涉及重力驅動、潛熱傳遞等一系列的物理變化過程。從技術應用來看，該技術的顯著優點就是無須設置冷卻服務管道系統、連接器等裝置，因此整個系統的維修難度小，方便后期運營維護。同時因為該系統不需要設置專門的芯片級冷卻泵，因此整個系統的穩定性會有顯著提升。同時，兩相浸沒式冷卻技術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等因素有關，例如常用的熱源表面結構復雜，包括多孔結構、顆粒結構、納米顆粒結構、翅片列陣結構等，在采用兩相浸沒式冷卻技術時，該技術所使用的低沸點氟化液可在較低溫度下發生沸騰，促進熱量排除。應用效果顯示，在采用兩相浸沒式冷卻技術之后，數據中心的PUE為1.05左右，且節能結果更理想。

免責聲明：版權歸原作者所有，若有侵權，請聯系我們刪除。

上一篇：數據中心制冷系統故障原因及排除方法

下一篇：儲能走入數據中心還差什么？