大型数据中心制冷节能技术发展趋势

陈永刚

（天元瑞信通信技术股份有限公司，陕西 西安 710075）

0 引 言

随着我国信息数字产业的飞速发展，全社会对算力的需求不断提升，预计每年将以20% 以上的速度快速增长[1]。为提高算力，数据中心正在向高密度方向发展，其规模的扩大带来了用电量的不断增长。根据国家数据显示，2020年国内数据中心的年耗电量为2 045亿kW·h，占全社会用电量的2.7%，2025年数据中心的年耗电量约为3 950亿kW·h，占全社会用电量的4.1%[2]。2018—2025年中国数据中心耗电量占全社会用电量的比值预测如图1所示。

图1 2018—2025年中国数据中心耗电量占全社会用电量比值预测

数据中心巨大的耗电量产生了大量的碳排放，为实现“双碳”目标，国家推出了相应的政策法规及举措，对当前衡量大数据能效利用率的主要指标电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）提出了明确的要求。根据《新型数据中心发展三年行动计划（2021年～2023年）》，到2023年底，新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下，严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下[3]。数据中心需要从多个维度进行节能减排，在大数据机房产生的能耗中有50%来源于基础设施，有40%来源于制冷能耗，最后10%来源于不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）和照明，其中制冷系统耗能巨大，仅次于IT设备，提升制冷效率成为降低PUE、实现节能减排的重要手段。

1 大数据中心传统制冷方案

传统数据中心采用的最为广泛的制冷系统是风冷型系统，采用房间/行级空调，通过上送风、密闭冷通道下送风的方式进行近距离的冷量传输，减小风机功耗，以达到节能效果，但只能够解决服务器局部的热点、高密度发热等问题，适用于解决2.5～5 kW的单机柜散热效果明显。然而随着技术更新，大型数据中心逐步大量应用机架式、刀片式等服务器设备，单机柜内IT设备的计算存储能力、功耗、设备热密度都大幅度提高。传统数据机房所用的风冷系统，先冷却空气，再通过冷空气与服务器设备进行热交换来降温。但由于空气的换热效率、热流密度很低，空调冷却IT设备存在能耗高、噪声大、设备密度低等问题[4]。在这种情况下，传统冷却方式早已无法解决当前高功率、高密度大型数据中心设备的散热难题，成为行业发展的关键瓶颈。

2 液冷技术

2.1 冷夜技术背景

为解决大数据高功率、高密度计算服务器散热难题，促使数据中心液冷技术兴起。液冷在高效制冷方面有天然优势，不仅是制冷方式的改变，还可能变革数据中心整个生态。液冷技术是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，相较于传统风冷技术大幅度提IT设备的使用效率和稳定性。液冷具备强冷却力，可实现超高密度制冷，大幅度降低数据中心PUE。根据某实验室的数据，传统风冷的PUE值多在1.5以上，液冷的PUE值能低至1.05～1.2。

2.2 液冷技术介绍及方案类型

液冷技术是一种采用特殊的液体，要求其液体性能能够快速带走IT设备产生的热量，并且在液体汽化和液化过程中都能够高效、快速地进行热交换传递，同时液体也要满足无腐蚀性、低黏度、不导电性能，应用于需提高计算能力、能源效率、部署密度等大型数据中心场景。液冷分为接触式（喷淋式液冷、浸没式液冷）和非接触式液冷（冷板式液冷）2种。

冷板式液冷：通过冷板将发热器件的热量间接传递给封闭在循环管路中的冷却液体，通过冷却液将热量带走的实现方式。

喷淋式液冷：面向芯片级器件精准喷淋、直接接触式，冷却液可通过重力或系统压力直接喷洒至IT设备的发热器件或之连接的导热元器件上的液冷形式。

浸没式液冷：将发热器件完全浸没在液体中，使得器件与液体直接接触，并进行热交换的冷却技术，可以分为单相浸没式液冷和双相浸没式液冷[5]。

2.3 液冷性能

液体应用所采用的液体介质与应用模型（接触式和非接触式）直接相关。

（1）非绝缘性液体介质：一般绝缘性介质的液体（可溶解离子性物质的液体）有较高的比热和导热系数，用于非接触液体场景，可选液体介质包括去离子水、甲/乙醇+/水等。

（2）绝缘性液体介质：有较高的比热和导热系数，用于对泄露安全要求较高的间接式液冷场景，更适用于液体介质直接与元器件接触的应用，可选液体介质包括碳氟化合物（氟化液）、有机硅油、矿物质油等。

2.4 冷却液类型分析

目前，主要的冷却液分为去离子纯净水、矿物油、氟化液3种，表1是3种液体的性能对比。

表1 液体性能对比表

通过对以上3种冷却液分析，氟化液是目前最适合做冷却液的材质。国内数据中心机房采用液冷技术的阿里巴巴、腾讯、百度等企业，使用的冷却液大多是进口氟化冷却液，如3M的氢氟醚，Novec 7100和 Novec 7200，这类进口产品价格高昂，但在国外应用较成熟。

随着国产氢氟醚逐渐产业化，根据相关报道，2021年举行的数据中心液冷产业大会有中科曙光、绿色云图、浙江诺亚、上海卓聪等多家IT企业大力推广液冷技术的配套服务器，相信在不久的将来液冷技术将实现多元化，冷液材质的价格市场化。

2.5 3种液冷方案对比

3种液冷方案对比如表2所示。

表2 液冷方案对比表

（1）冷板式虽冷源架构复杂，但商业应用成熟，功率密度满足未来市场一定时间段的需求，乃有较大市场前景。

（2）浸没式冷源简单、散热效率高，其中单相为互联网公司等重点研究方案，两相主要用于超级计算，技术难度较大。

（3）喷淋式厂家及案例较少，运营商5G及某些高校处于试用阶段。

2.6 浸没式液冷数据中心优势

数据中心机房的能耗节能问题日益凸显，传统数据中心制冷技术已无法满足发展需求。为了适应网络变革的需要，浸没式液冷成为了发展的主流趋势。浸没式液冷作为大数据中心的新一代节能关键技术，主要体现在以下几个方面。

2.6.1 能源利用率

浸没式液冷就是直接与IT硬件接触，具有出色热传导性能的冷却液中，使电子元器件产生的热量直接高效地传递到冷却液中，可以让服务器保持一定的恒定状态，大大降低能耗。同体积冷却液比空气散热传导效率高3 000倍，相比传统的数据中心节能70%以上。还有浸没式冷却泵产生的噪音，要比风冷系统风机产生的噪音低20 dB左右。并且它的耗电量只有IT设备的8%左右，而传统数据中心机电设备的耗电量占到IT设备的50%左右。值得注意的是，冷却液基本上不会有损耗，使用次数从理论上说是无限的，使得数据中心的制冷能源利用率提高到95%。

2.6.2 功率密度

浸没式液冷可以大幅提高数据中心单位空间的服务器密度，从而更好地应用于高密度计算服务器。传统数据中心采用风冷系统，可冷却的机架功率密度通常为10～15 kW，而浸没式液冷可以将单机架功率提升到100 kW甚至200 kW以上，较传统机柜相比提升10～20倍[5]。因此完全可以满足高密度计算服务器对散热的需求。

2.6.3 设备可靠性

浸没式液冷采用的液体属于惰性材料，性能安全可靠、无毒无害、无色无味、阻燃，是绝缘物质，不导电、不短路、不腐蚀。使得IT设备浸没在适宜温度环境中有效避免了湿度、灰尘对设备的不良影响[5]。此外液体不导电，很好地解决了静电造成设备运行效率降低，使用寿命减短的问题，更杜绝了由于静电引发的安全隐患。

2.6.4 空间利用率

浸没式液冷数据中心与传统风冷数据中心相比，去掉了空调系统以及对应的风冷基础设施，增加了循环泵，节省了大量空间，并且浸没式液冷高效的冷却能力使得同等体积IT设备可以紧密排列，容纳更多的服务器。应用浸没式液冷系统的数据中心机房要比传统数据机房风冷系统占用机房空间减少1/3，大幅提高数据中心的部署密度。

3 浸没式液冷数据中心行业运行状况分析

3.1 浸没式液冷数据中心传统替代比重

随着大数据快速的部署，使得大数据机房面临高密度、高功率、高能耗的发展趋势，能够改善这系列问题的关键技术日趋成熟，国内已有多家企业具有针对不同散热需求下的浸没式液冷技术解决方案，一些科技公司也已开始将基于浸没式液冷的散热系统实际部署在他们的数据中心[5]。

目前，液冷数据中心对传统市场包括风冷的机房空调市场、服务器市场以及数据中心基础设施（机柜、CDU、冷却塔等）进行替代。2019年，液冷数据中心替代传统市场的比例估计为15%～20%，到2025年，专家估计这一比例有望达到25%。目前阿里、张北数据中心、仁和数据中心，网宿科技、嘉定云计算数据产业园，华为、乌兰察布数据中心等大型数据中心均已采用浸没式液冷技术[4]。2019-2025年中国液冷数据中心替换传统市场比例如图2所示。

图2 2019—2025年中国液冷数据中心替换传统市场比例

3.2 浸没式液冷数据中心前景

由中国信息通信研究院和大数据研究所牵头，阿里、华为、腾讯等参与起草的首批《数据中心液冷行业标准》于2022年4月1日正式实施，该标准的发布有效填补了我国数据中心液冷行业标准的空白。并且根据国家“东数西算”工程启动数据中心集群机房开始运转之后，必然产生大量的热能负载，所以“冷态”冷却系统会成为数据中心制冷革新的关键技术。

国家把节能减排，碳达峰、碳中和作为发展经济的重要指标，数据中心的IT设备所造成的能源消耗越来越受到重视。最近，碳达峰实施方案出炉，方案明确提出鼓励高效环保制冷技术，降低能耗，支持数据中心采用新型机房液冷等方式，建设数据中心，推广制冷节能技术，优化气流组织，通过智能化手段提高与IT设备运行状态的动态适配性。与风冷相比，液冷系统不仅散热效率高，运行时噪音更小，可节省电量30%～50%，机房整体效能将得到30%的提升[6]。浸没式液冷技术能源利用率PUE逼近1.0，专家认为浸没式相变液冷技术将成为行业主流。若全国50%新建数据中心采用浸没式相变液冷技术，每年可省450亿kW·h，减排3 000万t二氧化碳[7]，这就是液冷存在的意义，带领数据中心走上高效、清洁、节约的绿色低碳之路。

3.3 浸没式液冷数据中心趋势预测分析

根据赛迪顾问的数据，以液冷数据中心对传统市场进行替换作为市场规模测算基础，结合华为、阿里巴巴和中科曙光对液冷数据中心的替换率调查，保守测算出2019年中国液冷数据中心的市场规模为261亿元，乐观估计为351亿元，2025年我国液冷数据中心的市场规模将破1 280亿元。

浸没式液冷技术，变革传统数据中心风冷散热方式，数据中心也不需要制冷机、空调等设备，可释放更多空间部署IT设备，大幅提高数据中心的部署密度，运算效率，运行过程中噪音低至42 dB，数据中心静音舒适，不仅如此，浸没式液冷方案还具备易选址、快速部署、扩展灵活等特点，可快速打造节能低碳、安全可靠的绿色数据中心。目前液冷技术已开始推向公共交通、公共安全、社会管理、医疗教育等多个领域，助推各行各业践行低碳行动，迈向绿色低碳新未来。

4 结 论

随着我国“双碳”政策实施和“东数西算”工程全面启动，推进绿色节能技术循环使用、提高清洁能源使用比例、高算力支撑、降低碳排放强度、为数字化转型赋能，已成为当下数据中心绿色发展的必然要求。放眼未来，在超高功率高密度计算机领域，浸没液冷技术将发挥重要价值，极大地节约能源，最终实现绿色低碳数据中心。液冷技术的兴起和普及，将引发数据中心和服务器的整个产业链的重构。