數據中心亟待“降溫”，液冷欲挑大梁需獨辟蹊徑式創新

眾所周知，隨著國家“東數西算”工程推進，全球“人工智能領域AIGC”等的興起和發展，算力增長已呈現出井噴之勢，隨之帶來的則是作為基礎設施的數據中心單機功率密度的提升與能耗的暴增，并使得傳統的風冷已無法滿足日益增長的散熱需求，而液冷技術的重要性進一步顯現，但要想更好地應對和滿足上述趨勢及需求，液冷技術本身也需要不斷創新，甚至是獨辟蹊徑。

政策、算力驅動數據中心綠色轉型，液冷成重要技術推手

面對不斷增長的能源消耗與經濟社會可持續發展的雙重壓力，加速數據中心運營模式的綠色轉型成為當務之急。為此，國家從2021年開始，相關政策及方案密集出臺。

例如2021年5月，國家發改委等四部委聯合發布《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》，將綠色低碳列為基本原則，強調通過創新技術全面提高其能源利用效率；同年7月，工信部印發《新型數據中心發展三年行動計劃（2021-2023 年）》,明確提出新建大型及以上數據中心電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）降低到 1.3 以下。

進入到2022年，1月，國務院印發“十四五”數字經濟發展規劃，隨后國家發展改革委會同相關部門推進“東數西算”工程實施，強化數據中心綠色發展要求，強調大型、超大型數據中心PUE降到 1.3 以下，并在給多個算力網絡國家樞紐節點啟動的復函中，都將PUE指標控制在1.25以內；同年8月，工業和信息化部、國家發展改革委、財政部等七部門聯合發布《信息通信行業綠色低碳發展行動計劃（2022-2025年）》，要求到2025年，全國新建大型、超大型數據中心PUE降到1.3以下。

但事實是，據賽迪顧問預測，2025年，全球數據中心單機柜平均功率有望達到25kW，對于現有的風冷數據中心，已經到了空氣對流散熱能力的天花板。

與此同時，隨著ChatGPT等AIGC技術的推廣，進一步催生了AI算力等大功率應用場景的普及。根據《冷板式液冷服務器可靠性白皮書》顯示，2022年英特爾第四代服務器處理器單CPU功耗已突破350瓦，英偉達單GPU芯片功耗突破700瓦，AI集群算力密度普遍達到50kW/柜。而隨著算力的持續增長，傳統的風冷散熱技術面臨極大的挑戰。

基于此，業內認為，液冷是應對上述技術發展與政策要求雙重挑戰的必然選擇。

液冷雖好，短板猶存

提及液冷，與傳統的風冷相比，其是通過液體代替空氣，把 CPU、內存等 IT 發熱器件產生的熱量帶走，按冷卻原理，冷板式、浸沒式和噴淋式是目前液冷的3種主要部署方式。當前來看，冷板式和浸沒式較噴淋式發展相對成熟。

相比傳統風冷技術，液冷技術的技術優勢主要體現在滿足高功率密度機柜的散熱需求；循環系統耗能少，系統噪音小；占地小，易于選址；降低 TCO，運營PUE較低，全年PUE 可達到 1.2 以下；余熱回收易實現以及適應性強等。

例如在用戶最為重視的降低TCO方面，以單機房為例，200臺服務器總功率為192KW，液冷方案比傳統風冷方案可省電30%，新投入液冷的建設成本有提升，整體節約的運行成本隨著使用年限的增長逐步增加，整體來看三年和五年的項目成本液冷較風冷減少7%和 12%。同樣，對于更大規模的機房和數據中心，規模效應可以進一步體現，液冷明顯比風冷更節能、更劃算。

資料來源：IDC，中銀證券

又如在滿足高功率密度機柜的散熱需求方面，由于液體具有較高的導熱率和比熱容，能夠更快地傳導以及更有效地吸收熱量，保障CPU在一定范圍內進行超頻工作不會出現過熱故障，有效提升服務器的使用效率和穩定性。

如上述，盡管與傳統的風冷相比，液冷技術優勢明顯，但其在普及和發展的過程中仍存在漏液、部署成本較高、標準缺失等短板。

以漏液問題為例，全球某大型互聯網托管廠商的一套水冷系統發生冷卻液泄漏事故，直接導致其在巴黎數據中心內的一臺存儲陣列遭受損壞，進而引發超過5000個網站長達24小時的服務中斷。又如某大型科研實驗室使用液冷系統對其超級計算機進行散熱，但由于系統中的冷卻液泄漏，導致計算機部分組件受損，損失了大量的數據和算力。

針對上述液冷的漏液問題，目前業界普遍采用的應對方案是安裝漏液檢測系統，當發現冷卻液泄露時，進行告警，盡快定位泄露節點進行修復。不可否認，當小型泄漏發生時，這種處理辦法尚為有效，但當出現液柱大口噴射情況時，突發且短時間內擴散可導致系統宕機，漏液檢測系統無法規避事故損害。

“反其道而行之”，液環式真空CDU化解液冷技術挑戰

所謂瑕不掩瑜，正是由于上述液冷相對于風冷的優勢，據測算，預計2025年我國液冷數據中心的市場滲透率將達到20%以上。

目前，冷板式液冷已成為市場成熟度最高、應用最廣泛的液冷散熱方案，且關系著未來液冷技術的普及和數據中心PUE能否降低達標，而這又與能否克服我們前述的漏液等問題與挑戰密切相關。

當前，常規冷板式液冷系統內部為正壓，即系統內部流體壓力大于外部大氣壓，容易導致系統某處管路發生破裂、松動或冷板腐蝕后冷卻液泄漏。

針對于此，負壓冷板式液冷技術“反其道而行之”，即系統內壓強低于外部大氣壓，因此當系統某處尤其是冷板連接處存在破損時，冷卻液不會泄漏至服務器，系統安全性高。

而現有的負壓冷板式液冷技術仍面臨一些局限，例如現有負壓液冷循環系統必須同時依靠真空泵和水泵來實現液體的循環流動，利用真空泵實現負壓，利用水泵實現低壓腔室到高壓腔室的冷卻液流動，需要真空泵和水泵的協同配合，二者缺一不可，要保證水泵的揚程可以克服CDU內部部件阻力的同時，還要確保CDU二次側出口為負壓狀態。

基于此，業內液冷技術領先的浪潮信息獨辟蹊徑，自研了一種可以使得液冷系統二次側均為負壓的動力單元——液環式真空CDU，可實現僅依靠真空泵通過不同傳感器控制幾個腔室的功能切換即可實現流體的循環流動，水泵則僅起到輔助提高系統壓差作用。

那么隨之而來的核心挑戰是如何保證負壓系統的穩定運行，即僅利用真空泵提供動力，讓冷卻液在系統中“流起來”且“流得穩”？

為此，浪潮信息設計出一種多腔室切換的負壓液冷系統完美解決了這個核心問題。該系統區別于常規CDU的部分主要包括真空動力單元和腔室切換單元，真空動力單元主要包括真空泵、抽吸氣管路、電磁閥等部件，為系統運行提供驅動力；腔室切換單元包括液位傳感器、水箱、單向閥等部件，為系統提供冷卻液。在以上兩個單元合力作用下，冷卻液在腔室中循環流動，實現該負壓液冷系統的穩定運行。

值得一提的是，浪潮信息還將保障系統穩定運行落實在系統設計過程中的方方面面，具體到每一處細節、每一個部件，都做到極致安全可靠。例如在部件選型方面，采用水環真空泵，真空度高，吸氣可少量帶液，并選擇分離效率高且體積小的氣旋式氣液分離方案，最大限度解決真泵排氣帶液問題，減少補液，便于維護；另外，由于系統中氣閥的開關切換頻次約百萬次/年，對部件選型可靠性要求很高，浪潮信息綜合考慮尺寸、流通性能、使用壽命等因素，經過多種氣閥比對篩選和適配，找到最優解。

提到冷板式液冷，自然就要提及作為其重要組成部分的冷板，它是帶有內部流體通道并允許冷卻工質流過的熱交換器或散熱器。冷板安裝在需要冷卻的電子元器件熱表面上，將元器件產生的熱量通過液體冷卻工質傳遞到冷量分配單元的板式熱交換器。

目前，業內常用或者通用型設計采用的是鏟齒型液冷板，由若干直通道組成，通道尺寸較小、密度較高，散熱面積較大，具有較好的散熱效果，但同時，該類冷板的流阻相對較大，流阻過大可能會導致負壓液冷系統的冷卻液無法穩定流動，并增大系統運行功耗。

浪潮信息為此創新研發了低流阻冷板，相對于傳統鏟齒型直通道冷板，流阻更小，且又能較好地維持冷板的散熱性能。冷卻液流速越高，換熱面積越大，換熱性能越好，但與此同時，流阻也隨換熱面積的增大而增大。因此，低流阻冷板設計的關鍵在于平衡流動性能和換熱性能之間的矛盾。

對此，浪潮信息把握兩條設計原則，首先通過增大通道尺寸的方式，降低流阻，并設計特殊通道結構，通過擾流的方式來提高換熱效率；其次采用精準散熱策略，在散熱重點區域強化散熱，非重點區域降低流阻。在此基礎上，通過仿真分析研究，浪潮信息對比了多種技術路線，最終優選出疏密疏通道、減翅增肋這兩種低流阻冷板設計方案。與直通道相比，采用疏密疏通道以及減翅增肋方案均可將溫差控制在大約以內，且均可有效降低冷板的流阻。

據仿真結果顯示，浪潮信息的低流阻冷板可以將流阻降低幅度達到10%以上，也就是說相當于為其負壓CDU的應用提供了助力，保證其穩定運行。同時，其還可以使負壓CDU距離末端冷板的距離由最大延伸到，更方便部署，作用于更多機柜，大幅提高CDU利用率。

從這里我們不難看出，浪潮信息的液環式真空CDU自身創新的同時，還產生了延深的創新效應，推動了傳統冷板等部件的創新。據我們了解，浪潮信息的低流阻冷板設計也可應用在傳統的正壓CDU液冷方案中，通過降低CDU循環泵的功耗，實現節能的目的。

寫在最后：借用現在流行語“挖呀挖”，在我們看來，所謂創新，同樣，只要肯挖，總會有的，甚至可能挖到一條全新之路。液環式真空CDU“反其道而為之”的創新就是明證。它不僅說明了液冷技術本身不乏創新，更預示著其在創新的推動下方大有可為。