数据中心的发展及液冷技术介绍

1、数据中心的发展和液冷技术的出现

数据中心是互联网时代的核心基础设施，承载着海量的数据运算和存储功能。随着云计算、人工智能、区块链等技术的发展，数据中心的规模和性能不断提升，也带来了更高的功率密度和散热需求。传统的风冷技术已经难以满足数据中心的冷却效率和节能目标，液冷技术因其具有更高的热传导性能和更低的能耗成本，逐渐成为数据中心散热的新选择。本文将系统地介绍数据中心的发展历程和液冷技术的出现背景，以及现在液冷技术的分类、产品和前景。

1.1、数据中心的发展历程

数据中心是指集中存放计算机服务器和相关设备，提供数据存储、处理、传输等服务的专用场所。数据中心的发展经历了几个阶段，可以根据其规模、架构、功率密度等特征进行划分。

• 第一代数据中心：大型机时代。这一时期从20世纪50年代到80年代，数据中心主要由大型机和小型机组成，规模较小，功率密度较低，一般在1-2千瓦/平方米。散热主要依靠空调系统和机柜内部风扇，冷却效率较低，能耗较高。
• 第二代数据中心：互联网时代。这一时期从20世纪90年代到21世纪初，数据中心主要由机架式服务器组成，规模较大，功率密度较高，一般在2-5千瓦/平方米。散热主要依靠机房空调系统和机柜内部风扇，冷却效率较高，能耗较低。
• 第三代数据中心：云计算时代。这一时期从21世纪初到现在，数据中心主要由刀片式服务器组成，规模较大，功率密度较高，一般在5-10千瓦/平方米。散热主要依靠机房空调系统、机柜内部风扇和后门热交换器等混合冷却方式，冷却效率较高，能耗较低。
• 第四代数据中心：人工智能时代。这一时期从近几年开始，数据中心主要由高性能计算服务器组成，规模较大，功率密度较高，一般在10-50千瓦/平方米。散热主要依靠液冷技术，如直接到芯片液冷、浸没式液冷等，冷却效率较高，能耗较低。

从上述发展历程可以看出，数据中心的规模和性能不断提升，也带来了更高的功率密度和散热需求。传统的风冷技术已经难以满足数据中心的冷却效率和节能目标，液冷技术因其具有更高的热传导性能和更低的能耗成本，逐渐成为数据中心散热的新选择。

1.2、液冷技术的出现背景

液冷技术是指使用液体取代空气作为冷媒，与发热部件进行热交换，带走热量的技术。液冷技术最早在20世纪80年代已经有初尝试，90年代出现一些通信设备的液冷基站。随着21世纪初云计算时代的到来，数据中心需要更高功率、大规模部署，液冷概念正式提出，液冷技术逐步成熟。

液冷技术的出现主要有以下几个背景因素：

• 功率密度的提升。随着处理密集型计算应用的不断增长，如人工智能、区块链、大数据等，数据中心需要更多的计算资源和存储资源，导致单机柜功率密度的迅猛提升。预计到2025年，单机柜功率密度将达到25千瓦或更高。这样的功率密度对散热提出了更高的要求，风冷系统根本无法以高效、可持续的方式冷却这些高密度机架。
• 能耗成本的增加。数据中心的能耗成本占其运营成本的很大一部分，而散热系统又是数据中心能耗的主要来源之一。据统计，2019年以风冷技术为代表的传统数据中心，其耗能中约有43%是用于IT设备的散热，与IT设备自身的能耗基本持平，PUE（电源利用效率）（评价电源能源效率指标）值普遍在1.4以上。这意味着数据中心需要消耗比实际需求多40%以上的能源来维持运行，造成了巨大的能源浪费和环境污染。
• 空间载体的不足。随着数据中心规模的扩张，对土地、建筑等空间载体的需求也不断增加。然而，在一些发达地区，如北上广深等一线城市，空间载体已经非常紧张和昂贵，数据中心很难找到合适的选址和扩容空间。因此，数据中心需要提高空间利用率，减少占地面积和建筑高度，这也需要更高效、更紧凑的散热系统来支持。
• 国家对新建中大型数据中心PUE值提出要求（1.3以下），而且绿色低碳早已经成为全球环境发展的倡导方向。

综上所述，传统风冷技术已经无法满足数据中心在功率密度、能耗成本和空间载体等方面的挑战，液冷技术因其具有更高的热传导性能和更低的能耗成本，逐渐成为数据中心散热的新选择。

1.3、液冷技术的分类、产品和前景

液冷技术可以根据其液体循环方式、接触位置、介质类型等特征进行分类。目前市场上主要有以下几种类型：

• 后门热交换器：后门热交换器是指将液体换热器安装在机架后门处，通过水或其他流体与机架内部空气进行热交换，降低空气温度，从而冷却机架内部设备。后门热交换器可以分为被动式和主动式两种。被动式后门热交换器不需要额外的风扇，只依靠机架内部设备的风扇将空气吹过换热器，适用于功率密度较低的场景。主动式后门热交换器需要额外的风扇，可以强制将空气吹过换热器，适用于功率密度较高的场景。后门热交换器的优点是可以与风冷系统结合使用，不需要对机架内部设备进行改造，安装方便，维护简单。后门热交换器的缺点是只能冷却机架中的一部分热量，还需要风冷系统来清除剩余的热量，因此能耗效率不高，也不能满足超高功率密度的需求。
• 直接到芯片液冷：直接到芯片液冷是指将液体冷板直接安装在设备的发热组件上，如CPU、GPU等，通过水或其他流体与发热组件进行热交换，带走热量，从而冷却设备。直接到芯片液冷可以分为单相冷板和两相冷板两种。单相冷板是指液体在冷板内循环时不发生相变，只依靠对流传递热量。两相冷板是指液体在冷板内循环时发生相变，即液体在发热组件处沸腾汽化，然后在冷板出口处凝结液化，利用相变潜热传递热量。直接到芯片液冷的优点是可以清除机架中设备产生的约70-75%的热量，大大降低了空气温度和风扇转速，提高了冷却效率和节能效果。直接到芯片液冷的缺点是需要对机架内部设备进行改造，安装复杂，维护困难，还需要风冷系统来清除剩余的25-30%的热量。
• 浸没式液冷：浸没式液冷是指将服务器和机架中的其他组件完全浸入导热介电液体或流体中，无需风扇或其他空气移动设备，利用液体的高热传导性能来冷却设备。浸没式液冷也可以分为单相浸没式液冷和两相浸没式液冷两种。单相浸没式液冷是指使用不发生相变的液体作为介质，通过泵将液体循环到外部散热器进行散热。两相浸没式液冷是指使用发生相变的流体作为介质，通过自然对流将流体循环到外部散热器进行散热。浸没式液冷的优点是可以清除机架中设备产生的全部热量，无需风扇或其他空气移动设备，大大降低了噪音和能耗，提高了冷却效率和节能效果。浸没式液冷的缺点是需要专用的浸没式机架和容器，安装成本高，维护困难，还需要选择合适的介电液体或流体。

目前市场上已经有一些厂商提供了不同类型的液冷产品，如维谛技术（Vertiv）、浪潮、华为、戴尔、惠普、绿色云图等。这些产品涵盖了后门热交换器、直接到芯片液冷、浸没式液冷等液冷技术，可以满足不同场景和需求的数据中心的散热解决方案。例如，维谛技术（Vertiv）提供了一系列的液冷解决方案，包括：

• 冷却液分配装置（CDU）和室内制冷机，专为提供完整的数据中心液冷解决方案而设计
• 主动式和被动式后门热交换器
• 创新高效的浸没式液冷系统
• 专为液冷CDU和冷水机组设计的可共用的室外散热单元
• 助力改造风冷设备以支持液冷方案的应用
• 提供适用于液冷方案的调试、开机、运行的实践和服务

液冷技术的前景非常广阔，预计到2023年，液冷市场将达到45亿美元，复合年增长率达到27.7%。随着数据中心对高效节能、高密度、超大规模的需求不断增加，特别是大型互联网企业、云服务提供商、高性能计算中心等领域的应用不断扩展，液冷技术将成为数据中心散热的主流选择。同时，随着液冷技术的不断创新和成熟，液冷产品的性能将更加优化，液冷成本将更加降低，液冷标准将更加统一，液冷市场将更加活跃。

2、部分厂商及产品说明

2.1、绿色云图

绿色云图是网宿科技旗下的一家专注于数据中心液冷技术的公司，采用了浸没式液冷技术，将服务器和机架中的其他组件完全浸入导热介电液体或流体中，无需风扇或其他空气移动设备，利用液体的高热传导性能来冷却设备。

绿色云图的液冷产品有以下几个特点：

• 高效节能：浸没式液冷技术可以清除机架中设备产生的全部热量，无需风扇或其他空气移动设备，大大降低了噪音和能耗，提高了冷却效率和节能效果。据绿色云图官网介绍，其液冷系统可以将数据中心的PUE（评价能源效率指标）降低到1.05以下，散热能耗降低90%-95%，IT设备能耗降低10%-20%。
• 易于选址：浸没式液冷技术可以适应各种环境条件，无需严寒气候或特殊建筑结构，可以灵活部署在任何地方。绿色云图提供了微型液冷数据中心解决方案、中大型数据中心解决方案和集装箱数据中心解决方案，可以满足不同场景和需求的数据中心的散热解决方案。
• 安全可靠：浸没式液冷技术使用的介电液体或流体是无毒、透明、无味、绝缘的，对人体无害且具有阻燃作用。浸没式液冷技术还可以将设备隔绝空气，改善IT设备运行环境，提高可靠性。
• 静音防尘：较好的适配在办公室静音环境或者矿场，煤炭等高封尘环境，保障服务器运行寿命。
  
• 防腐蚀：对于沿海地区或者高湿度地区，传统数据中心服务器暴漏在空气中会影响电子元器件设备性能，经模式液冷可以完美的解决该场景问题。

绿色云图的液冷产品与其他厂商的液冷产品相比，有以下几个优势：

• 技术领先：绿色云图是国内首个液冷绿色数据中心产业联盟的主要发起单位，也是开放数据中心委员会ODCC的成员，致力于引领并推动液冷技术在国内的普及落地。 绿色云图拥有多项液冷技术专利和软件著作权，其浸没式液冷技术产品已经通过了国家级权威机构的测试和认证。
• 合作伙伴：绿色云图与戴尔科技集团达成了战略合作，搭载了戴尔科技集团三款服务器Dell PowerEdge R750、Dell PowerEdge C6520、Dell PowerEdge XR12，落地了酷R、酷C、酷X解决方案，可分别满足GPU分析集群、高性能运算集群、边缘计算部署场景，将为客户提供更安全可靠、更绿色节能、更强大的算力服务。
• 应用案例：绿色云图的液冷产品已经广泛应用于云计算、融媒体、视频渲染等领域，为多个行业和领域提供了高效节能、高密度、超大规模的数据中心解决方案。

2.2、中科曙光

曙光的液冷产品如曙光ParaStor液冷存储系统和曙光新型浸没液冷计算机。

曙光ParaStor液冷存储系统是业界首款液冷存储，它通过先进的硬件设计，引入比风冷散热效率更高的冷板式液冷方案，与存储技术全面结合，存储节点PUE值降至1.2以下。与液冷服务器形成“存算一栈式”液冷方案，数据中心PUE值可降至1.1以下。

曙光新型浸没液冷计算机是一种采用特制液体取代空气作为冷媒为发热部件进行散热的计算机，它具有高效、低噪、环保、节能等优点，可以大大提升服务器的稳定性、效率及使用寿命，同时可提升单位空间服务器部署密度，节省空间。

曙光的液冷产品的优势主要有：

• 节能：相比传统风冷散热，曙光液冷方案最高可让数据中心能耗降低30%。
• 性能：创新技术实现IO数据通路的最短路径，服务模块专属CPU资源，超高网络传输效率，单存储节点带宽可达25GB/s，极致性能满足核心业务需求。
• 稳定：液冷技术的高效制冷效果，可以大大提升服务器的稳定性、效率及使用寿命。
• 空间：液冷技术可提升单位空间服务器部署密度，节省空间。
• 环保：液冷数据中心噪音超低，环境友好，余热利用也可以创造更多经济价值。

曙光的液冷产品的劣势可能有：

• 成本：相比传统风冷散热，液冷技术需要更多的硬件设备和维护成本。
• 定制化成都高，兼容性问题：不同厂商的液冷产品可能存在不同的标准和接口，需要考虑与现有设备的兼容性问题。（一般同时售卖服务器）
• 安全：液体与电子元件接触可能存在安全隐患，需要防止泄漏和腐蚀等问题。

3、总结

数据中心是互联网时代的核心基础设施，承载着海量的数据运算和存储功能。随着云计算、人工智能、区块链等技术的发展，数据中心的规模和性能不断提升，也带来了更高的功率密度和散热需求。传统的风冷技术已经难以满足数据中心的冷却效率和节能目标，液冷技术因其具有更高的热传导性能和更低的能耗成本，逐渐成为数据中心散热的新选择。预计未来几年，液冷市场将持续增长，液冷技术将成为数据中心散热的主流选择。

但是液冷产品也有一些现存的用户选择的困难和问题，如：初期的投入相对比较高，而且有些液冷场景的技术还涉及到机房的改造，管路的改造，甚至对承重有更高的要求，这些对于老的数据中心用户来说并不是友好的，新建数据中心也可以通过多种手段（更科学的制冷方式，地理位置优势）等实现PUE数值的降低。而且另外一方面用户对于浸没式液冷的选择上还是会担忧服务器“泡在液体里”的可用性。