当前算力中心主要使用三种液冷技术:冷板式液冷、喷淋式液冷和浸没式液冷。喷淋式液冷将冷却介质以喷淋的形式释放到服务器热源上,通过蒸发吸收热量来实现散热。浸没式液冷则是将整个服务器或服务器组件完全浸入液冷剂中,通过直接接触来散热。相较于冷板式液冷,喷淋式和浸没式液冷在极高功率密度场景下可以实现更高的散热效率。
那么为什么冷板式液冷是目前应用最广泛的液冷技术呢？因为,喷淋式和浸没式液冷技术在实施和维护上相对更加复杂,需要更多的安全和环境因素考虑,同时成本投入也相对较高。相较于直接接触式液冷技术，冷板式液冷的优势主要存在于以下几个方面。
1. 高密度：高密度节点部署能有效提升单机柜计算能力随着人工智能、大数据分析等技术的广泛应用,现代数据中心对计算能力的需求越来越高。以某大型互联网公司为例,他们正在建设一个新的超大规模数据中心,希望在有限的机房空间内部署尽可能多的高性能计算节点,以满足业务不断增长的算力需求。
像国内一座面积有限但算力密集型的新数据中心来说，广泛使用ARM架构的服务器来支撑其云计算、人工智能等业务,这些ARM服务器的功耗密度很高,单机柜功率可轻松达到40千瓦。传统的空气冷却系统已完全无法应对如此高功率密度的计算节点。因此,通过采用新的制冷技术来提高节点部署密度,以提升单机柜的计算能力变得尤为重要。冷板式液冷系统是一种有效提高机架功率密度的制冷技术。 高效的散热性能:冷板式液冷技术通过将液冷板与服务器节点紧密结合,将热量直接带走,实现高效散热,从而支持更高的功率密度。
更小的占地面积:由于液冷板与服务器节点的紧密结合,冷板式液冷技术可以节省更多的空间,使得算力中心可以在有限的空间内部署更多的计算节点。
2. 高效散热:液冷技术大幅提升服务器散热效率受制于空气传热特性,风冷技术的散热效率有限。由于空气的导热系数较低且容易受环境温度影响,风冷系统在高温环境下散热效果会受到明显影响。此外,风冷系统的散热能力还会受到风速和空气流通状况的限制。
相对而言,液冷技术凭借其更高的传热效率和更稳定的散热性能,在高功率密度和高温环境下表现更出色。液体的比热容远高于气体,单位温度变化所需吸收/放出的热量大大超过空气,使得散热效率得到极大提升。以水为例,其每单位体积所传输的热量是空气的3500倍,可有效解决日益增长的高密度服务器散热问题。 板式液冷技术用冷却液替代空气成为换热介质,将冷却液直接导向发热芯片模块,通过间接接触换热,将发热芯片产热导出降低芯片模块的温度,提高其散热效率与计算性能。 液体的比热容远高于气体,单位温度变化所需吸收/放出的热量远大于空气,使散热效率得到极大提升。以水为例,其每单位体积所传输的热量即散热效率较空气高 3500 倍,可有效解决日渐升高的高密度服务器的散热问题。 此外,由液冷代替风冷,去除了风机的应用,降低了整个冷却系统的设备运行能耗。某典型节点采用 CPU、内存冷板覆盖,液冷占比达 80%,制冷 PUE 可达到小于等于 1.15。因此,针对单芯片,液冷相比于风冷具有更高的散热能力。
3. 高可靠:科学合理场景设计确保系统可靠稳定运行液冷系统内部的冷却液体是维持其正常运行的关键因素之一,专业的防漏设计和运行管理对于冷板式液冷系统的稳定性具有十分重要的意义。经过多年的发展和改进,冷板式液冷技术可靠性已得到了很好的保障。
防漏液设计是关键。冷板式液冷系统采用三级防漏液设计,通过节点、机柜和机房三级防漏液设计,确保零漏液事故发生。同时还有漏液全监控、故障管理等安全防护措施,能够多角度、全方位防范故障风险,确保系统设备在安全稳定的环境下运行,有效保护环境及人员安全。冷板式液冷系统采取了全方位的防漏和监控措施: 节点底座全密封,能够导流和及时疏导漏液,防止漏液影响其他节点。 机柜采用快接头漏液喷射设计,配备自动控制制冷液的电磁阀。
机房采用双环路设计,保证单个机柜漏液隔离后不会影响其他机柜的正常运行。
整个系统可实现漏液全监控。节点使用水浸绳套管检测漏液,并上报BMC进行监控告警。
机柜分流器装有光电式漏液传感器,通过RMU监控告警上报网管平台。
风液换热器通过浮子监控水位,也通过RMU监控告警上报网管平台。
4. 低能耗：创新节能技术引导算力中心绿色低碳发展算力中心是耗电大户,主要能耗来自于散热系统,而非IT负荷本身。通过采用冷板式液冷取代传统的风冷方式,可以大幅降低整个算力中心的能源消耗,从而极大地降低PUE值。
冷板式液冷技术通过冷量分配单元将低温冷却液直接供给发热元器件，冷却液快速高效地吸收服务器产生的热量，有效缩短了传热路径，提高系统冷却效率。 相较于传统空气冷却系统,冷板式液冷系统实现了对温度的精确控制,大大降低了算力中心的整体冷却能耗。 采用温水冷却技术,出水温度可达55-60℃,可实现全年自然冷却。同时回水温度高达55℃以上,热品质较高,可进行余热回收再利用。 温水液冷技术减轻了制冷系统的散热负荷,余热回收降低了总功耗水平,两者协同作用下可大幅降低算力中心的能源消耗。
冷板式液冷散热有利于降低芯片温度,芯片温度的降低又可带来更高的可靠性和更低的能耗,整机能耗预计可降低约5%。
5. 易维护：一体化服务器机柜实现自动智能极简运维随着算力中心规模不断扩大,系统环境越来越复杂,需要更多人力和技术支持来保障稳定性和安全性。而冷板式液冷一体化机柜凭借部署快速、运维方便等优势,大大降低了算力中心的维护成本和复杂度,受到了市场的广泛认可。这一点非常关键,尤其是对于规模较大的算力中心来说。一体化设计使得部署和维护变得更加简单高效,减轻了运维人员的负担,为算力中心的稳定运行提供了有力支撑。这也是冷板式液冷技术在算力中心应用中备受青睐的另一个重要原因。
冷板式液冷一体化机柜通过零线缆自动化、快速部署、智能运维等多项创新技术,大幅降低了算力中心维护的复杂度和成本,提高了整体运行效率。 零线缆自动化运维: 通过液冷水路、供电和交换网络三总线全盲插设计,实现了零线缆自动化运维,大大简化了维护过程,降低了故障风险。 现场零安装,交付周期快:液冷整机柜在生产线上进行安装、测试和调试后,可直接交付至客户机房,实现现场零安装,交付周期缩短至数天。 模块化设计,部署更快:二次侧管路采用模块化设计,工厂完成组件化预制,现场交付时无需进行焊接和冲洗,部署和启用速度提高50%。
智能运维特性: 具备机器人运维、服务器U位自动识别、第三方网管集成以及智能管理等特性,在简化运维流程的同时提升了运维效率。
6. 易改造：灵活可操作性优势助力老旧机房改造升级面对日益严格的能耗要求和环保政策,传统算力中心确实面临着巨大的挑战。为了满足能源节约和环境保护的迫切需求,算力中心运营商必须采取有效的改造措施。在众多解决方案中,风-液改造凭借其显著的经济性、高效的能源利用和出色的性能表现,成为了算力中心运营商一条切实可行的改造路径。这种改造方案能够帮助算力中心适应当下日趋严格的能耗要求和环保挑战。具体来说,风-液改造方案通过采用先进的液冷技术,能够大幅提高能源利用效率,显著降低整体能耗。同时,液冷系统所需的水资源消耗也相对较低,更加环保节能。此外,改造过程中的投资成本也可以得到有效控制,整体改造方案具有很强的经济性。
通过将部分或全部服务器的散热方式从传统的风冷技术转变为高效的液冷技术，算力中心可以显著提高能源利用率，降低PUE 值从而减少总能耗。此举不仅有助于满足能耗要求，还能提高服务器的散热效率，提高计算能力，同时降低风扇噪音和空气流动所带来的问题，提升服务器的稳定性和可靠性。 材料兼容性更好:冷板式系统中冷却液只在冷板管路中流动,不直接接触主板和发热器件,因此无需对这些硬件进行特殊材料设计,大大提高了适用性。 改装简便:冷板式技术只需在保留现有主板的基础上进行改装,拆卸安装都相对简单快捷。这不仅使得现场技术操作更加方便,也降低了技术和产业规模化的难度。 成本优势:相比之下,浸没式液冷通常需要专门设计液冷主板,这无疑会增加硬件成本。冷板式的改装方式可以有效避免这一问题。
板式液冷技术的这些优势,使其成为算力中心进行液冷改造的一个非常可行和高性价比的选择。它既能提高能源利用效率,又能兼顾现有系统的灵活性和维护成本,是一个值得重点考虑的技术方案。
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