（本文編譯自Electronic Design）

在數(shù)字化時代的浪潮下，數(shù)據(jù)中心作為信息存儲、處理和傳輸?shù)暮诵臉屑~，正經(jīng)歷著迅猛的發(fā)展。隨著信息技術(shù)的飛速進步，數(shù)據(jù)中心所承載的業(yè)務量與日俱增，從傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)服務到新興的人工智能、大數(shù)據(jù)分析、云計算等領域，其應用范圍不斷拓展。這不僅促使數(shù)據(jù)中心的規(guī)模持續(xù)擴大，更使得機架功率密度急劇攀升。如今，數(shù)據(jù)中心機架功率密度已突破每架 100 千瓦以上，不斷挑戰(zhàn)著數(shù)據(jù)中心熱設計的極限。

功率密度的大幅提升，意味著數(shù)據(jù)中心在單位空間內(nèi)產(chǎn)生的熱量呈幾何倍數(shù)增長。傳統(tǒng)的散熱方式，如風冷技術(shù)，在面對如此高強度的熱量產(chǎn)生時，逐漸顯得力不從心。因此，尋求一種高效、可靠的散熱技術(shù)，成為了數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展的當務之急。液冷技術(shù)正是在這樣的背景下應運而生，它以其卓越的散熱性能，為高密度數(shù)據(jù)中心的散熱難題提供了可行的解決方案。

高性能計算和人工智能帶來的散熱壓力

近年來，高性能計算（HPC）和人工智能（AI）技術(shù)的迅猛發(fā)展，為數(shù)據(jù)中心帶來了新的機遇，但也使其散熱壓力倍增。液冷技術(shù)正迅速成為解決數(shù)據(jù)中心散熱問題的關鍵方案。目前已有浸沒式、芯片直冷等多種液冷技術(shù)，但關于液冷的諸多誤解仍普遍存在。

如今，大多數(shù)現(xiàn)有供電設施長期來看將無法滿足這一需求。僅單塊圖形處理器（GPU）平均每日耗電量就達54千瓦時，相當于普通家庭兩天的用電量。而若擴展到5000個數(shù)據(jù)中心機架（配備30萬塊GPU），其耗電量約能為40萬戶家庭供電，規(guī)�？氨让绹每怂_斯州奧斯汀市。如此龐大的耗電量，意味著會產(chǎn)生海量的熱量。

若冷卻系統(tǒng)無法充分散熱以實現(xiàn)最大計算性能（通常只能達到額定容量的75%以下），將給傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的暖通空調(diào)（HVAC）設備帶來沉重負擔。軟件仿真技術(shù)可助力優(yōu)化數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的設計。

數(shù)據(jù)中心的液冷解決方案

成功推行液冷解決方案，需要整合來自不同機構(gòu)的多種技術(shù)。這些系統(tǒng)最好有序協(xié)同安裝，以打造可持續(xù)運營的數(shù)據(jù)中心。但要找到一家可靠的交鑰匙供應商并非易事，這類供應商需能全面負責方案制定、項目規(guī)劃、協(xié)調(diào)管理，以及現(xiàn)場所有各類技術(shù)的安裝，確保系統(tǒng)無縫啟動。

系統(tǒng)安裝完成后，終端用戶的維護工作可能相對復雜。盡管液冷解決方案的采用率正在攀升，但大多數(shù)數(shù)據(jù)中心技術(shù)人員并未接受過充分培訓，無法熟練操作液冷硬件及掌握必要的組件維護技能。

設計師在評估液冷解決方案前，必須明確自身的目標與訴求。下一步應制定計劃，對數(shù)據(jù)中心項目及其現(xiàn)有設備或目標新設備展開詳細審計，這將有助于明確設備要求與場地條件。

之后，需準備好清晰闡述自身目標，并篩選出最優(yōu)的單一來源供應商。該供應商應不偏袒原始設備制造商（OEM），且精通多種液冷技術(shù)。

單一來源合作伙伴需具備以下能力：主導初期方案規(guī)格制定與范圍界定、采購用戶指定技術(shù)；提供現(xiàn)場項目管理與安裝服務、完成服務器的安裝調(diào)試；為新系統(tǒng)提供全生命周期維護。若設計師同時評估多家解決方案供應商，需記得向每家索取總擁有成本（TCO）匯總報告，以進行真實、可靠的對比。

常見液冷技術(shù)介紹

液冷技術(shù)適用場景廣泛、應用范圍全面，但安裝過程較為復雜。

后門熱交換器（RDHX）

后門熱交換器（RDHX）是一種在數(shù)據(jù)中心中應用較為廣泛的液冷技術(shù)。其工作原理是將熱交換器直接安裝在服務器機架的后門位置，通過冷卻液在熱交換器內(nèi)部的循環(huán)流動，吸收服務器排出的熱空氣的熱量，從而實現(xiàn)對服務器的冷卻。后門熱交換器（RDHX）是最常用的技術(shù)之一，它是侵入性最低的液冷解決方案，可對現(xiàn)有機架系統(tǒng)進行改造升級。

芯片直冷技術(shù)（DTC）

芯片直冷技術(shù)（DTC）又稱冷板液冷或直接液冷（DLC）。其原理是通過將冷卻液直接傳導至服務器組件，如CPU、GPU等芯片表面，利用冷卻液的高比熱容和良好的熱傳導性能，迅速將芯片產(chǎn)生的熱量帶走，并通過循環(huán)系統(tǒng)將熱量傳遞出去，實現(xiàn)對芯片的有效冷卻。該技術(shù)對安裝人員要求更高、操作更復雜，但冷卻效率更高，且能支持更高的機架密度。

單相浸沒式冷卻技術(shù)

第三種方案是全液浸冷卻，即單相浸沒式冷卻技術(shù)。它將服務器或電子組件完全浸沒在具有導熱性且不導電的液態(tài)介電質(zhì)中，以介電質(zhì)作為冷卻劑來實現(xiàn)散熱的一種先進液冷技術(shù)。全液浸冷卻的安裝復雜度遠高于前兩者，但相比后門熱交換器和芯片直冷技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，比如能實現(xiàn)最高冷卻效率和最優(yōu)計算性能。同時，它還能大幅降低數(shù)據(jù)中心對暖通空調(diào)系統(tǒng)的需求，減少機房環(huán)境噪音，改善工作人員操作體驗。

這種技術(shù)也被稱為開式槽浸沒冷卻，將服務器或電子組件浸入具有導熱性且不導電的液態(tài)介電質(zhì)中，以該介電質(zhì)作為冷卻劑，防止電路放電。這種不導電的液態(tài)介電液能吸收組件產(chǎn)生的熱量，且因?qū)儆趩蜗嗉夹g(shù)，在整個冷卻過程中始終保持液態(tài)。

介電冷卻劑是一種可傳遞電場力但不導電的介質(zhì)，常見例子包括礦物油或去離子水系統(tǒng)。

冷卻劑與浸沒在槽中的發(fā)熱硬件直接接觸，硬件通過熱傳導升高冷卻劑溫度。受熱后的冷卻劑被泵送至熱交換器，經(jīng)冷卻后再回流至開式槽中。冷卻塔就是熱交換器的一種類型。

單相冷卻系統(tǒng)維護成本更低、冷卻劑費用更少，且在蒸汽產(chǎn)生和冷卻劑蒸發(fā)方面的問題更少。

單相浸沒式冷卻的優(yōu)缺點

單相浸沒式冷卻的優(yōu)點包括：

• 散熱效率高：液體比熱容大，能高效帶走組件熱量，可應對高熱負荷場景。

• 冷卻均勻：介電液直接接觸并包裹浸沒的組件，實現(xiàn)組件整體均勻冷卻。

• 降低噪音：無需風扇或其他氣流驅(qū)動裝置，大幅降低環(huán)境噪音水平。

• 簡化冷卻設施：不依賴空氣循環(huán)，無需配備風扇、空調(diào)機組或大型冷卻基礎設施。

• 環(huán)境適應性強：系統(tǒng)相對隔離濕度、灰塵等環(huán)境因素，在惡劣環(huán)境中更具優(yōu)勢。

該冷卻方式的缺點則如下：

• 初始部署成本高：浸沒式冷卻基礎設施造價不菲，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心進行改造時成本尤其高昂。

• 冷卻液管理復雜：介電液的選型與管理至關重要，可能產(chǎn)生較高費用，且需確保材料的長期兼容性與穩(wěn)定性。

• 維護與可達性差：組件維修或更換時需從冷卻液中取出，給維護操作帶來不便。

結(jié)語

展望未來，液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心領域?qū)⒂瓉砀鼮閺V闊的發(fā)展空間。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和功率密度將進一步提升，對液冷技術(shù)的需求也將更加迫切。在技術(shù)發(fā)展方面，液冷技術(shù)將朝著更高效率、更低成本、更智能化的方向發(fā)展。在應用方面，液冷技術(shù)的應用范圍將不斷擴大。不僅在新建的數(shù)據(jù)中心中，液冷技術(shù)將成為主流的散熱方式，而且在對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的改造升級中，液冷技術(shù)也將得到更廣泛的應用。