立訊與中興聯(lián)合開發(fā)的單相浸沒液冷-技術白皮書

  ICC訊 隨著數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排政策越來越嚴及高功率密度數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心散熱技術倍受挑戰(zhàn)。立訊技術與中興通訊聯(lián)合開發(fā)的新一代單相浸沒液冷技術，為高性能計算環(huán)境提供了一個高效、可靠且綠色的散熱解決方案。通過將服務器硬件完全浸入到特制的非導電液體中，實現(xiàn)了熱量的快速、均勻傳遞;與傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)相比，這種直接熱交換方式極大地提高了散熱效率，降低了系統(tǒng)能耗。本文介紹了單相浸沒液冷技術的基礎原理、散熱優(yōu)勢，架構設計和驗證成果，并對該技術的未來發(fā)展前景進行討論。

  01 發(fā)布背景

  服務器等作為算力基礎設施底座，由算力增長帶來的能耗和散熱問題日益凸顯，傳統(tǒng)的風冷散熱已無法滿足數(shù)據(jù)中心的散熱需求，在雙碳政策的背景下，綠色化、低碳化成為發(fā)展趨勢，由風冷散熱到液冷散熱，打造節(jié)能綠色算力至關重要。

  液冷技術包含冷板式液冷、浸沒式液冷、噴淋式液冷等多種形式。其中，冷板式液冷采用微通道強化換熱技術，散熱性能好，行業(yè)成熟度最高，目前己實現(xiàn)規(guī)模商用部署。與此同時，浸沒式液冷以液體作為冷源，以絕緣冷卻液作為載冷劑，對服務器進行浸沒式冷卻，實現(xiàn)100%液體冷卻，具有更優(yōu)的節(jié)能效果。

  02 技術原理

  單相浸沒式冷卻系統(tǒng)是指將IT設備浸沒在不導電的冷卻液中，冷卻液在負載中吸熱后返回CDU裝置，由裝置內(nèi)液泵提升壓力，通過板式換熱器與一次側制冷劑進行換熱，降溫后的冷卻液通過管路再進入負載，如此循環(huán)，從而帶走負載內(nèi)熱量，保證負載在一個良好的環(huán)境下工作。

  03 技術特點

  通過將服務器直接浸沒于非導電工質中,實現(xiàn)100%的直接液冷，高功耗器件如CPU/GPU等支持局部強化散熱，通過設置多個進液口及對應的多個冷卻子腔，降低了出現(xiàn)待冷卻設備局部溫度過高的幾率，具有均勻的冷卻效果;同時適配油基及氟化液等工質，能夠有效解決傳統(tǒng)單相浸沒式液冷CAPEX過高的痛點。整體方案更加節(jié)能、高效散熱、高可靠及低CAPEX。

  · 極致節(jié)能: 100%全液冷;

  · 高效節(jié)能: PUE≤1. 09;

  · 成本效益:可兼容采用低成本油基工質;

  · 安全靜音:服務器等設備故障率下降50%。.

  應用案例

  5.1系統(tǒng)架構

  TANK內(nèi)部分成4個模塊，TANK 柜體、TANK 內(nèi)腔、進出液管路、顯示模塊。單相浸沒冷卻液由外置CDU提供，循環(huán)泵作為液冷系統(tǒng)冷卻液循環(huán)的動力源，為防止氣蝕風險，循環(huán)泵入口壓力需≥0. 1bar，冷卻液通過一分五分液器裝置流入IT設備內(nèi)，最后從從頂部流出，并帶走IT部件產(chǎn)生的熱量。

  機柜內(nèi)布置多個IT設備，為了實現(xiàn)高效均勻散熱，系統(tǒng)采用均流設計，機柜底部設置均流板，使得流量可均勻分配到每個IT設備內(nèi);由于IT設備內(nèi)部結構的復雜性，需要對系統(tǒng)腔體進行流道仿真模擬，并通過改變分液器的大小和位置，實現(xiàn)最優(yōu)的換熱效率。

  5.2熱仿真分析

  由溫度云圖、流線圖可知:

  ●設備內(nèi)部流場分布均勻，散熱充分;

  ●合理設置導流塊等結構件，可以有效調整設備內(nèi)部流量分配，從而提供更充分流量未高功耗器件散熱;

  ●本單相浸沒液冷方案設計下，整機散熱性能良好，整板溫度具備充分余量;

圖2單相浸沒液冷—熱仿真結果

  5.3均流性分析

  由于機柜內(nèi)布置多個IT設備，為了實現(xiàn)高效均勻散熱，TANK 機柜采用均流設計，機柜底部設置均流板，使得流量可均勻分配到每個IT設備內(nèi);經(jīng)中興通訊研發(fā)團隊流量仿真及實測驗證，多槽位TANK流量均流性<7%。

圖3單相浸沒液冷—均流性仿真結果

  未來發(fā)展前景

  單相浸沒式液冷技術的應用,不僅有效解決了高密度散熱問題，而且讓數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)和冷機群控系統(tǒng)化繁為簡，提高了換熱效率，節(jié)省了大量的運維成本。展望單相浸沒液冷技術，將會朝著高節(jié)能、高散熱、高可靠、易維護等方向發(fā)展。

  1)高節(jié)能:浸沒式液冷實現(xiàn)了100%液體冷卻，節(jié)能是其最關鍵應用價值；當前行業(yè)內(nèi)主要通過降低泵功提升浸沒式液冷系統(tǒng)節(jié)能效果，具體包含tank流道優(yōu)化、CDU降流阻、以及集群控制和AI調控等軟硬件手段；

  2)高散熱:單相浸沒式液冷散熱能力相對較低，當前可以通過常規(guī)散熱方案解決400W CPU散熱需求；但隨著CPU/GPU功耗的演進，常規(guī)單相浸沒液冷散熱方案將無法滿足需求，因此行業(yè)內(nèi)正加速散熱強化技術的研究，進一步提升單相浸沒液冷液冷散熱能力；

  3)易維護：區(qū)別于傳統(tǒng)風冷服務器維護，浸沒式液冷維護過程需要將服務器從浸滿冷卻液的tank中取出，此過程中出現(xiàn)的工質損耗、系統(tǒng)流量波動、以及被維護服務器的液體收集等問題是當前浸沒式液冷維護性主要研究方向；

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