技术白皮书液冷技术与应用发展的分享
发布时间：2018-10-31 17:32:04 所属栏目：点评 来源：中国IDC圈
导读：空气本身的密度与比热乘积与大部分液体相差千倍甚至万倍，带走同样的热量空气需要更多的体积流量；其次呢，空气流量的剧增也给机房的建设带来困难，需要给地板设计较大的架空高度；空气的对流换热系数比较低，导致用于冷却空气的介质温度必须处在较低值，会导
湛江站长网（http://www.0759zz.com）说说液冷的好处。下面介绍一下液冷优势和三种主要类型分别的优势。为什么要用液冷？刚才各位提到了，计算效率在升高，密度在增大，计算工作也会越来越复杂，液冷其实是行业拉出来救火的。液冷的优势体现在三方面，一是比热容很大，散热效率很高。这个比热容表示吸收同样热量温度变化较小，所以我们可以增大CPU内部部署密度，提高集成度。第二点，可以降低能耗，减少支出成本。我们做了一些统计，中国的数据中心保有量将近6万个，年总耗电量超过三峡大坝全年的发电量1200亿千瓦时，带来了高昂的电费开支，液冷可以减少电费支出。第三，节能环保，降低噪音指标。一般而言，数据中心的能源消耗，在运作的时候只有1/3是给IT设备，2/3都来自于制冷的设备消耗。此外，一旦风扇想要跟上散热效率，机器设备的声音是非常大的，用液冷可以达到静音机房的效果。
我们一直提的液冷三种类型，是冷板式、浸没式和喷淋式。首先数据中心整体的液冷其实可以认为是液体的回路，其中冷却液体与冷却的发热器件做热交换，整个数据中心液体冷却的回路如右图。具体的冷板式液冷系统，冷却机柜上配置一些分水器，通过内部冷板来进行换热，与冷板的接触过程中提供分置的管路分别进行液体的进入和流出整体的循环。液体在机柜汇聚，通过外部的管路和连接的接头，与冷量分配单元CDU，这个CDU可以是内置也可以是外置的，实现整机柜的液冷循环。它的优势点在于集成度很高，散热效率很高，因为液体不需要直接接触设备，比浸没和喷淋相对更安全一些。
浸没式顾名思义把整个发热器件直接浸泡在液体中，通过液体与外界进行热交换，一般冷却液的热导率是空气的6倍，单位体积的热容量是空气的1000倍，使得液冷的传热速度和储热能力都会比空气高很多。浸没式的液冷优势，首先体现在它与发热器件直接接触，热传导率的比热容很大，运行的温度变化比较小。可以支持高功率密度的IT部署，我们刚刚举的是CPU的例子，可以极大地提升使用效率。喷淋式的架构，刚刚提到的架构并不是一定的，各家实践过程中可以有很多的备选方案，比如这里面提到的冷水接触或者是冷媒分配单元，都是可选的，随着技术的进步也会看到更多先进的有效手段。
喷淋式和浸没式相象之处，液体都会直接接触发热器件，主要通过喷淋的方式与发热器件进行交换。喷淋的优势点，集成度很高，散热效率很高。喷淋式与浸没式相比有更优秀的特点，可以实现精准的喷淋，比如我们只要求某个地方的散热效率达到很高，可以精确到某一个点对它进行喷淋。在液体的节省上以及散热效率上有很大的突破，这个是喷淋的优势。
说完三种液冷类型，就说说液冷的关键技术。冷板式关键技术一般会提到液冷的系统防泄露技术，包括液柜端的漏水检测控制，CDU端的漏水检测控制，还有室内主要管道的漏水检测控制。液冷的系统冗余设置，避免服务器或者一些其它发热设备在液冷使用过程中发生故障，另外我们经常设计一些冗余，包括CDU的冗余，室外机组的冗余还有管道的冗余。对冷却液体端的监控技术，我们需要监控的液体，以避免腐蚀、微生物生长、结垢等。
浸没式，首先考虑的是液体本身，一般而言要求液体是不燃不爆、低毒、低腐蚀性，要对环境友好，不能对环境造成大的危害。浸没式的可靠设计，包括管路的可靠性和冷却液本身的兼容性，以及主要配件的冗余还有自带的监控系统以及定期的检测和测试工作。还有精准的制冷流场优化设计，包括分配液的均匀设计，以及管道内均匀液设计，和高效低热阻散热通道设计。IT设备的定制化，浸没式液冷本身对IT设备的改造要求稍微高一点，对IT设备进行定制化，针对高温高功率密度设备的定制或者设备结构也可以采取定制化的模式。
喷淋式液冷关键技术，芯片级的精准喷淋式液冷技术，对发热器件精准到某一个点上的喷淋，这个是喷淋中比较优秀的技术。喷淋式液冷机柜一般而言有重力式、压力式两种模式。喷淋式也需要对服务器发热器件进行改造，我们可以在原有服务其上增设喷淋模块或者专门设计喷淋的服务器。以及冷却液的选择，涉及到与服务器的CPU、PGU、FPGA的兼容性。
制约液冷发展最大的阻力之一是要考虑液冷在数据中心的适配环节。首先是人员的问题，人员在操作液冷系统的时候，要对液冷系统有很高的了解，需要进行人员培训。无论液体本身还是整个系统要达到安全高效，不能对人员的身体产生危害，我们要求人员在维护液冷系统的时候要穿戴一些专用设备。管路材料的选取，因为液冷本身要靠液体进行传输，所以对管路的要求很高，不仅仅包括管路本身的材料，也包括接头、快速连接等，这个是管路环节需要重点考虑的部分。还有设备的移动和清理，液冷不能像传统的风冷直接对它进行拆卸或者维护，比如浸没式需要借助吊机把发热器件从上面提拉出来，或者说带有液体的运维车及时对系统进行补充或者清理。还有助排液子系统，无论是机柜冷却液的充注排放，还是冷却液本身的排放，都需要助排液子系统。另外硬盘的兼容性问题，一般而言我们会认为电子固态硬盘或者氦气硬盘的兼容性好一些，普通的固态硬盘不能直接与大部分的冷却液相接触，需要进行隔离或者改造。对液体的监控，不仅包括液体的电器和化学稳定性的监控，还有与液体相接触的IT设备、动力设备、IDC能耗以及环境的状态都是需要监控的。
白皮书里面一个很精彩的部分就是典型的液冷应用案例。这里不详细给大家介绍，只每个技术模式选取了几个应用案例。首先是冷板式，北京一个水冷超算中心的改造，因为提供整个学校的服务对计算效率的要求很高，在常温直接水冷技术，解决了CPU和内存散热问题，最后可以达到年平均PUE1.1，基本只有传统的数据中心PUE值的一半。还有国外的冷板案例，德国的莱布尼茨计算中心，这个在业界的高性能计算领域也非常有名，也是标杆案例。
浸没式的案例，某云渲染数据中心，影视相关的渲染业务对计算量的要求非常非常大。直接对它进行液冷的部署，不再需要对它进行空调或者末端空调的风冷部署。节能改造后效果的分析，这里提供了一些数据，重点说一下投资回报，改造的IT设备的容量为240千瓦，改造费用360万，在机房满载用电1块钱的时候，相比从前的风冷机房，每年可以节约的费用是231万，一年半就收回来。这个也是大家关注液冷的原因，投资回报非常高。 （编辑：好传媒网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |