引言

伴随着云计算、大数据，特别是人工智能技术的创新发展，承担大量数据计算和存储的数据中心，需要更高效的冷却方案来满足业务发展的需要。在解决高热密度数据中心的散热问题方面，液冷具有传统数据中心空调系统无法比拟的优势，同时能耗更低。

一、什么是液冷？

液冷是指使用高比热容的液体作为热量传输工质，满足服务器等IT设备散热需求的冷却方式。液冷技术并非近年才出现——早在上世纪60年代，IBM的大型计算机就已采用水冷技术。目前液冷技术主要应用于高性能计算领域。

二、液冷的主要类型

按照液体与发热器件的接触方式，液冷主要分为间接接触型液冷和直接接触型液冷两大类。

1. 冷板式液冷（间接接触型）

冷板式液冷将主要发热器件固定在冷板上，依靠流经冷板的液体将热量带走，是典型的间接接触型液冷。由于硬盘、电源等其它发热部件依然需要风扇驱动空气散热，因此采用冷板式液冷的服务器也称为“气液双通道服务器”。

技术特点：

• 经过多年发展，技术相对成熟

• BAT等互联网巨头在开放数据中心峰会上均有方案展示

• 对现有数据中心架构影响较小

• 具有低噪音、高能效、低总体拥有成本（TCO）的特点

• 可有效解决较高热密度数据中心的散热问题

2. 浸没式液冷（直接接触型）

浸没式液冷将发热元件直接浸没在冷却液中，依靠液体的流动循环带走IT设备运行产生的热量，是典型的直接接触型液冷。

技术演进：

• 早期方式：将服务器浸没在特殊设计的箱体（TANK）中，但降低了数据中心建筑空间利用率

• 改进方式：部分厂商为服务器定制设计外壳，将每个服务器和冷却液包裹起来，在不改变现有数据中心部署架构的前提下优化空间利用率

技术优势：

• 发热元件与冷却液直接接触，散热效率更高

• 完全没有风扇，噪音更低

• 可解决更高热密度场景的散热需求，更加节能

三、冷却液的主要类型

1. 水

主要是去离子纯净水，广泛应用于制冷系统中。

优点：

• 比热容高，散热性能良好

• 价格低廉，环境友好无污染

• 可与现有系统兼容

缺点：

• 非绝缘体，只能应用于非直接接触型液冷技术

• 一旦发生泄漏会对IT设备造成致命损害

2. 矿物油

价格相对低廉的绝缘冷却液。

优点：

• 单相矿物油无味无毒，不易挥发

• 环境友好型介质

缺点：

• 粘性较高，容易残留

• 易分解，具有一定可燃性

• 在某些特定条件下存在燃烧风险

3. 氟化液

最初作为线路板清洁液使用，因其绝缘且不燃的惰性特点被应用于数据中心液冷技术。

优点：

• 绝缘性能好

• 不燃，安全性高

缺点：

• 是目前三种冷却液中价格最为昂贵的

• 部分氟化液存在环保争议

四、浸没式液冷：单相系统与两相系统对比

单相液冷

冷却液在循环散热过程中没有发生相变，维持液态。

特点：

• 要求冷却液沸点高

• 冷却液挥发流失控制相对简单

• 与IT设备的元器件兼容性高

• 冷却介质受污染较小

• 相对于两相液冷，散热效率较低

应用现状：目前公布的浸没式液冷案例中，绝大部分采用单相液冷系统。

两相液冷

冷却液在循环散热过程中发生相变（液态→气态→液态）。

特点：

• 传热效率更高

• 无需泵体驱动流体循环（依靠相变自发完成）

• 冷却液挥发流失控制相对复杂

• 密闭箱体虽可解决挥发问题，但相变导致箱体压力变化，需按压力容器标准设计生产

• 冷却液介质易受污染，需要预处理和污染控制

五、液冷技术应用于数据中心的主要驱动力

传统服务于高性能计算领域的液冷技术，如今正越来越多地应用于数据中心。需求驱动使数据中心向更高密度演进，并采用比风冷技术更高效的制冷解决方案。主要驱动力体现在以下三个方面：

1. 人工智能技术的创新与发展

近年来，CPU功耗持续增长，契合摩尔定律的演进趋势；同时GPU、FPGA、ASIC等在数据中心应用领域呈现快速增长，进一步推高了数据中心IT设备的功率密度。

Uptime Institute的Andy Lawrence指出：“机柜的功率密度正在提升，Uptime追踪监测的大部分数据中心机柜功率密度现已达到10kW，甚至部分机柜达到30kW，且这并非局限于高性能计算应用领域。液冷系统特别是浸没式液冷系统，非常适合解决CPU和GPU的散热问题。”

2. 进一步降低数据中心的运行成本

数据中心制冷系统的运行成本十分昂贵。尽管业界不断创新风冷系统，从传统的机房空调到直接风侧自然冷却的AHU、间接风侧自然冷却的AHU，但由于空气的载热能力远低于液体，采用液体冷却介质的液冷技术可大幅降低数据中心的能源利用率。

已公布的浸没式液冷数据中心PUE可达到1.05甚至更低。对照风冷系统数据中心PUE=1.3-1.5的水平，液冷的能效优势非常显着。

3. 边缘计算

并非所有边缘计算数据中心都会采用液冷方式，但据估算，将有超过20%的边缘计算数据中心会采用液冷技术。液冷技术因其高效、对建筑物依赖度低、静音安全等特点，可在场地电力容量不足的条件下实现更高密度部署。

六、数据中心部署液冷技术的主要阻碍

尽管液冷技术具有风冷无法比拟的优势，且市场驱动力为大规模应用奠定了坚实基础，但液冷技术在数据中心部署仍面临多重挑战：

1. 缺乏相应的标准支持

目前液冷技术，尤其是浸没式液冷，在数据中心仍缺乏大规模应用案例，且缺乏相应的国家或行业标准对技术进行有效规范。

2. 数据中心的空间利用率

现有数据中心物理基础设施的设计基于风冷系统架构，如楼体承重、机房层高等。浸没式液冷基于液体容器的设计，以及人员维护的便利性考虑，必然造成空间利用率降低。

3. 制冷架构颗粒度过低，运行与维护复杂

液冷的控制颗粒度细化至机柜（箱体）级、服务器级甚至芯片级，比目前主流的风冷系统颗粒度更细，系统更复杂，维护也相对困难。

4. 腐蚀风险

前文提到的三种常见冷却液，其本身均无腐蚀性。例如水本身无腐蚀性，但水中其他物质可能具有腐蚀性，因此冷板式液冷中通常采用去离子纯水。矿物油和氟化物本身也不具备腐蚀性，但与空气接触后可能被其他物质污染，从而存在腐蚀IT设备的潜在风险。这需要进行预处理来避免，也推高了液冷技术部署的成本。

七、结语

液冷技术对现有数据中心制冷架构而言，既是巨大的挑战，也是重大的机遇。随着液冷技术不断完善、产业链持续成熟、应用案例不断积累，液冷技术必将在数据中心制冷领域占据重要地位，为高密度计算时代提供坚实的散热支撑。