眾所周知，隨著國(guó)家“東數(shù)西算”工程推進(jìn)，全球“人工智能領(lǐng)域AIGC”等的興起和發(fā)展，算力增長(zhǎng)已呈現(xiàn)出井噴之勢(shì)，隨之帶來(lái)的則是作為基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心單機(jī)功率密度的提升與能耗的暴增，并使得傳統(tǒng)的風(fēng)冷已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的散熱需求，而液冷技術(shù)的重要性進(jìn)一步顯現(xiàn)，但要想更好地應(yīng)對(duì)和滿足上述趨勢(shì)及需求，液冷技術(shù)本身也需要不斷創(chuàng)新，甚至是獨(dú)辟蹊徑。

政策、算力驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型，液冷成重要技術(shù)推手

面對(duì)不斷增長(zhǎng)的能源消耗與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的雙重壓力，加速數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)模式的綠色轉(zhuǎn)型成為當(dāng)務(wù)之急。為此，國(guó)家從2021年開(kāi)始，相關(guān)政策及方案密集出臺(tái)。

例如2021年5月，國(guó)家發(fā)改委等四部委聯(lián)合發(fā)布《全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實(shí)施方案》，將綠色低碳列為基本原則，強(qiáng)調(diào)通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)全面提高其能源利用效率；同年7月，工信部印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023 年）》,明確提出新建大型及以上數(shù)據(jù)中心電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）降低到 1.3 以下。

進(jìn)入到2022年，1月，國(guó)務(wù)院印發(fā)“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，隨后國(guó)家發(fā)展改革委會(huì)同相關(guān)部門(mén)推進(jìn)“東數(shù)西算”工程實(shí)施，強(qiáng)化數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展要求，強(qiáng)調(diào)大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE降到 1.3 以下，并在給多個(gè)算力網(wǎng)絡(luò)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)的復(fù)函中，都將PUE指標(biāo)控制在1.25以?xún)?nèi)；同年8月，工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部等七部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025年）》，要求到2025年，全國(guó)新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE降到1.3以下。

但事實(shí)是，據(jù)賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)，2025年，全球數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜平均功率有望達(dá)到25kW，對(duì)于現(xiàn)有的風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)到了空氣對(duì)流散熱能力的天花板。

與此同時(shí)，隨著ChatGPT等AIGC技術(shù)的推廣，進(jìn)一步催生了AI算力等大功率應(yīng)用場(chǎng)景的普及。根據(jù)《冷板式液冷服務(wù)器可靠性白皮書(shū)》顯示，2022年英特爾第四代服務(wù)器處理器單CPU功耗已突破350瓦，英偉達(dá)單GPU芯片功耗突破700瓦，AI集群算力密度普遍達(dá)到50kW/柜。而隨著算力的持續(xù)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱技術(shù)面臨極大的挑戰(zhàn)。

基于此，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，液冷是應(yīng)對(duì)上述技術(shù)發(fā)展與政策要求雙重挑戰(zhàn)的必然選擇。

液冷雖好，短板猶存

提及液冷，與傳統(tǒng)的風(fēng)冷相比，其是通過(guò)液體代替空氣，把 CPU、內(nèi)存等 IT 發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量帶走，按冷卻原理，冷板式、浸沒(méi)式和噴淋式是目前液冷的3種主要部署方式。當(dāng)前來(lái)看，冷板式和浸沒(méi)式較噴淋式發(fā)展相對(duì)成熟。

相比傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)，液冷技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在滿足高功率密度機(jī)柜的散熱需求；循環(huán)系統(tǒng)耗能少，系統(tǒng)噪音??；占地小，易于選址；降低 TCO，運(yùn)營(yíng)PUE較低，全年P(guān)UE 可達(dá)到 1.2 以下；余熱回收易實(shí)現(xiàn)以及適應(yīng)性強(qiáng)等。

例如在用戶(hù)最為重視的降低TCO方面，以單機(jī)房為例，200臺(tái)服務(wù)器總功率為192KW，液冷方案比傳統(tǒng)風(fēng)冷方案可省電30%，新投入液冷的建設(shè)成本有提升，整體節(jié)約的運(yùn)行成本隨著使用年限的增長(zhǎng)逐步增加，整體來(lái)看三年和五年的項(xiàng)目成本液冷較風(fēng)冷減少7%和 12%。同樣，對(duì)于更大規(guī)模的機(jī)房和數(shù)據(jù)中心，規(guī)模效應(yīng)可以進(jìn)一步體現(xiàn)，液冷明顯比風(fēng)冷更節(jié)能、更劃算。

又如在滿足高功率密度機(jī)柜的散熱需求方面，由于液體具有較高的導(dǎo)熱率和比熱容，能夠更快地傳導(dǎo)以及更有效地吸收熱量，保障CPU在一定范圍內(nèi)進(jìn)行超頻工作不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱故障，有效提升服務(wù)器的使用效率和穩(wěn)定性。

如上述，盡管與傳統(tǒng)的風(fēng)冷相比，液冷技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但其在普及和發(fā)展的過(guò)程中仍存在漏液、部署成本較高、標(biāo)準(zhǔn)缺失等短板。

以漏液?jiǎn)栴}為例，全球某大型互聯(lián)網(wǎng)托管廠商的一套水冷系統(tǒng)發(fā)生冷卻液泄漏事故，直接導(dǎo)致其在巴黎數(shù)據(jù)中心內(nèi)的一臺(tái)存儲(chǔ)陣列遭受損壞，進(jìn)而引發(fā)超過(guò)5000個(gè)網(wǎng)站長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)的服務(wù)中斷。又如某大型科研實(shí)驗(yàn)室使用液冷系統(tǒng)對(duì)其超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行散熱，但由于系統(tǒng)中的冷卻液泄漏，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)部分組件受損，損失了大量的數(shù)據(jù)和算力。

針對(duì)上述液冷的漏液?jiǎn)栴}，目前業(yè)界普遍采用的應(yīng)對(duì)方案是安裝漏液檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷卻液泄露時(shí)，進(jìn)行告警，盡快定位泄露節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。不可否認(rèn)，當(dāng)小型泄漏發(fā)生時(shí)，這種處理辦法尚為有效，但當(dāng)出現(xiàn)液柱大口噴射情況時(shí)，突發(fā)且短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散可導(dǎo)致系統(tǒng)宕機(jī)，漏液檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法規(guī)避事故損害。

“反其道而行之”，液環(huán)式真空CDU化解液冷技術(shù)挑戰(zhàn)

所謂瑕不掩瑜，正是由于上述液冷相對(duì)于風(fēng)冷的優(yōu)勢(shì)，據(jù)測(cè)算，預(yù)計(jì)2025年我國(guó)液冷數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)滲透率將達(dá)到20%以上。

目前，冷板式液冷已成為市場(chǎng)成熟度最高、應(yīng)用最廣泛的液冷散熱方案，且關(guān)系著未來(lái)液冷技術(shù)的普及和數(shù)據(jù)中心PUE能否降低達(dá)標(biāo)，而這又與能否克服我們前述的漏液等問(wèn)題與挑戰(zhàn)密切相關(guān)。

當(dāng)前，常規(guī)冷板式液冷系統(tǒng)內(nèi)部為正壓，即系統(tǒng)內(nèi)部流體壓力大于外部大氣壓，容易導(dǎo)致系統(tǒng)某處管路發(fā)生破裂、松動(dòng)或冷板腐蝕后冷卻液泄漏。

針對(duì)于此，負(fù)壓冷板式液冷技術(shù)“反其道而行之”，即系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)低于外部大氣壓，因此當(dāng)系統(tǒng)某處尤其是冷板連接處存在破損時(shí)，冷卻液不會(huì)泄漏至服務(wù)器，系統(tǒng)安全性高。

而現(xiàn)有的負(fù)壓冷板式液冷技術(shù)仍面臨一些局限，例如現(xiàn)有負(fù)壓液冷循環(huán)系統(tǒng)必須同時(shí)依靠真空泵和水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的循環(huán)流動(dòng)，利用真空泵實(shí)現(xiàn)負(fù)壓，利用水泵實(shí)現(xiàn)低壓腔室到高壓腔室的冷卻液流動(dòng)，需要真空泵和水泵的協(xié)同配合，二者缺一不可，要保證水泵的揚(yáng)程可以克服CDU內(nèi)部部件阻力的同時(shí)，還要確保CDU二次側(cè)出口為負(fù)壓狀態(tài)。

基于此，業(yè)內(nèi)液冷技術(shù)領(lǐng)先的浪潮信息獨(dú)辟蹊徑，自研了一種可以使得液冷系統(tǒng)二次側(cè)均為負(fù)壓的動(dòng)力單元——液環(huán)式真空CDU，可實(shí)現(xiàn)僅依靠真空泵通過(guò)不同傳感器控制幾個(gè)腔室的功能切換即可實(shí)現(xiàn)流體的循環(huán)流動(dòng)，水泵則僅起到輔助提高系統(tǒng)壓差作用。

那么隨之而來(lái)的核心挑戰(zhàn)是如何保證負(fù)壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，即僅利用真空泵提供動(dòng)力，讓冷卻液在系統(tǒng)中“流起來(lái)”且“流得穩(wěn)”？

為此，浪潮信息設(shè)計(jì)出一種多腔室切換的負(fù)壓液冷系統(tǒng)完美解決了這個(gè)核心問(wèn)題。該系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)CDU的部分主要包括真空動(dòng)力單元和腔室切換單元，真空動(dòng)力單元主要包括真空泵、抽吸氣管路、電磁閥等部件，為系統(tǒng)運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)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(tǒng)提供冷卻液。在以上兩個(gè)單元合力作用下，冷卻液在腔室中循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該負(fù)壓液冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

值得一提的是，浪潮信息還將保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行落實(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的方方面面，具體到每一處細(xì)節(jié)、每一個(gè)部件，都做到極致安全可靠。例如在部件選型方面，采用水環(huán)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?jiǎn)栴}，減少補(bǔ)液，便于維護(hù)；另外，由于系統(tǒng)中氣閥的開(kāi)關(guān)切換頻次約百萬(wàn)次/年，對(duì)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(jīng)過(guò)多種氣閥比對(duì)篩選和適配，找到最優(yōu)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(nèi)部流體通道并允許冷卻工質(zhì)流過(guò)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(chǎn)生的熱量通過(guò)液體冷卻工質(zhì)傳遞到冷量分配單元的板式熱交換器。

目前，業(yè)內(nèi)常用或者通用型設(shè)計(jì)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(shí)，該類(lèi)冷板的流阻相對(duì)較大，流阻過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓液冷系統(tǒng)的冷卻液無(wú)法穩(wěn)定流動(dòng)，并增大系統(tǒng)運(yùn)行功耗。

浪潮信息為此創(chuàng)新研發(fā)了低流阻冷板，相對(duì)于傳統(tǒng)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(shí)，流阻也隨換熱面積的增大而增大。因此，低流阻冷板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于平衡流動(dòng)性能和換熱性能之間的矛盾。

對(duì)此，浪潮信息把握兩條設(shè)計(jì)原則，首先通過(guò)增大通道尺寸的方式，降低流阻，并設(shè)計(jì)特殊通道結(jié)構(gòu)，通過(guò)擾流的方式來(lái)提高換熱效率；其次采用精準(zhǔn)散熱策略，在散熱重點(diǎn)區(qū)域強(qiáng)化散熱，非重點(diǎn)區(qū)域降低流阻。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真分析研究，浪潮信息對(duì)比了多種技術(shù)路線，最終優(yōu)選出疏密疏通道、減翅增肋這兩種低流阻冷板設(shè)計(jì)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?xún)?nèi)，且均可有效降低冷板的流阻。

據(jù)仿真結(jié)果顯示，浪潮信息的低流阻冷板可以將流阻降低幅度達(dá)到10%以上，也就是說(shuō)相當(dāng)于為其負(fù)壓CDU的應(yīng)用提供了助力，保證其穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，其還可以使負(fù)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(jī)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(huán)式真空CDU自身創(chuàng)新的同時(shí)，還產(chǎn)生了延深的創(chuàng)新效應(yīng)，推動(dòng)了傳統(tǒng)冷板等部件的創(chuàng)新。據(jù)我們了解，浪潮信息的低流阻冷板設(shè)計(jì)也可應(yīng)用在傳統(tǒng)的正壓CDU液冷方案中，通過(guò)降低CDU循環(huán)泵的功耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

寫(xiě)在最后：借用現(xiàn)在流行語(yǔ)“挖呀挖”，在我們看來(lái)，所謂創(chuàng)新，同樣，只要肯挖，總會(huì)有的，甚至可能挖到一條全新之路。液環(huán)式真空CDU“反其道而為之”的創(chuàng)新就是明證。它不僅說(shuō)明了液冷技術(shù)本身不乏創(chuàng)新，更預(yù)示著其在創(chuàng)新的推動(dòng)下方大有可為。