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服務器浸沒式液冷關鍵技術應對數據處理、存儲和傳輸的需求正在急劇上升的需求

隨著數字技術(物聯網、人工智能、大數據、5G、云計算 等)的不斷提升,其在運輸、通信、制造、醫(yī)藥和教育等許多行業(yè)被廣泛應用,對數據處理、存儲和傳輸的需求正在急劇上升。伴隨數字技術的發(fā)展,數據機房的建設需求增長迅速,海量的服務器產生了巨大的能源消耗。數據中心是一種高能耗的設施,研究報告顯示,當前全球數據中心的耗電量約占社會總耗電量的10%,預計到2030年總耗電量將 達3000TW·h以上;在美國,數據中心年消耗電能占比超過了1.8%,預計這個數字將每年增長 4%;到 2020 年 末,我國數據中心年耗電量已達到2045億kW·h,約占全 社會用電量的2.71%。未來,我國大數據產業(yè)規(guī)模依舊 伴隨著高增長率快速發(fā)展,中國將成為世界第一數據資源大國和全球的數據中心。如圖1所 示,數據中心能耗結構中冷卻系統(tǒng)能耗占比高達40%,成為數據中心進行能效優(yōu)化的重要因素。另一方面,根據摩爾定律原理,單位面積集成的晶體管越來越多,芯片性能提升導致熱流密度不斷增大,預計到2025年,15~20kW/柜將成為主流,常規(guī)的風冷換熱系統(tǒng)已經不能滿足高熱密度服務器的散熱需求且嚴重影響電子元器件的性能和使用壽命。

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在數據中心更高密度、更大功率的發(fā)展趨勢下,空氣冷卻越來越難以滿足散熱和節(jié)能的要求,冷板式、噴淋式、浸沒式液冷的出現為解決這一問題提供了新方向。其中,浸沒式液冷由于其高效的能力,越來越成為數據中心冷卻技術的主要發(fā)展方向。根據換熱介質的相態(tài)變化可分為單相液冷和兩相液冷。單相液冷的冷卻液不發(fā)生相態(tài)變化,直接通過系統(tǒng)強制對流帶走熱量;兩相液冷的冷卻液通過沸 騰換熱,具有較大的換熱系數,成為近年來解決高能量密度芯片散熱問題的研究熱點。

本文從服務器浸沒式液冷關鍵技術出發(fā),綜述了冷卻介質、熱源表面特性對沸騰換熱的影響,介紹了浸沒式液冷沸騰換熱機理的研究現狀,以及系統(tǒng)評價方式。從微觀到宏觀系統(tǒng)闡述了現有服務器浸沒式液冷技術的發(fā)展現狀,并對浸沒式液冷技術的發(fā)展進行了展望,對展開浸沒式液冷技術應用的研究具有重要意義。

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 一、浸沒式液冷

浸沒式液冷系統(tǒng)是指冷卻液與電子發(fā)熱設備直接接 觸,將IT設備直接浸沒在絕緣冷卻液中,依靠冷卻液帶走 發(fā)熱元件產生的熱量,然后通過水循環(huán)將熱量傳遞到室外 散熱裝置。根據冷卻液是否發(fā)生相變,浸沒式液冷分為單 相浸沒式液冷和相變浸沒式液冷。單相浸沒式液冷系統(tǒng)設計簡單,冷卻液容納更易實現,材料兼容性更強,流體中污染物顧慮更少,其系統(tǒng)原理如圖2所示。兩相浸沒式液冷系統(tǒng)指IT設備產生的熱量直接有效地傳遞給絕緣冷卻液,依靠冷卻液的沸騰/凝結相變過程及流動循環(huán)將處理器等設備運行產生的熱量帶走,其原理如圖3所示。

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相較冷板式液冷系統(tǒng),浸沒式液冷具有更低的對流熱阻和傳熱系數;與此同時,相較于冷板進行熱傳導,與散熱件直接接觸的冷卻液具有更高的熱導率和比熱容,運行溫度變化率更小,制冷效率更高。浸沒式液冷系統(tǒng)無風冷散熱系統(tǒng)特點,使得整體耗電降低10%以上,時效性更加突出。該液冷技術適用于對熱流密度、綠色節(jié)能需求較高的大型數據中心、超級計算、工業(yè)及其他計算領域和科研機構,特別是應用于地理環(huán)境或安裝空間苛刻的數據中心具有明顯的優(yōu)勢。

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2 浸沒式液冷系統(tǒng)在浸沒式液冷換熱過程中,冷卻介質、換熱表面特性均 會對浸沒式液冷系統(tǒng)沸騰換熱產生影響,下文介紹關于冷卻介質、換熱表面特性、沸騰換熱模型及系統(tǒng)評價方式的國內外研究現狀。

2.1 冷卻介質對散熱性能的影響

用于電子設備的液體冷卻劑應不易燃、無毒且價格低廉,具有優(yōu)良的熱物理特征,包括高導熱系數、比熱、傳熱系數,高絕緣及低黏度,較強的兼容。常見的冷卻液分為介電冷卻劑和非介電冷卻劑,其中介電冷卻劑有芳香烴(二乙苯(DEB)、甲苯、苯和二甲苯)、脂肪類(石蠟、礦物油等)、硅酮(硅油)和碳氟化合物(FC-40,FC-72,FC-77和FC-87)等。非介電冷卻劑有水(W)、乙二醇(EG)及這2種物質的混合物(W/EG)。冷卻劑的沸點、黏度、密度、比熱容、表面張力、填充率等特性都是影響系統(tǒng)換熱的重要因素。

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2.1.1 單相冷卻液

楊明明等人綜述了冷卻液的分類及其物理化參數,結果表明PAO脂類化合物冷卻液主要用于貫通式液冷計算機和側壁液冷計算機中,FC-72氟碳化合物冷卻液主要用于采用射流冷卻液和霧化冷卻的液冷計算機中,乙二醇水容易主要用于貫通式液冷計算機和側壁液冷計算機中。肖新文綜述了應用于數據中心的不同液冷技術及其冷卻液,結果表明液冷技術冷卻溫度高,節(jié)能效果明顯;合理分配使用側及冷源側的溫差,提高部分負載下液冷系統(tǒng)的節(jié)能性,探索冷卻溫度、節(jié)能效率及熱回收性能三者之間的最佳耦合關系是數據中心液冷技術應用的研究方向。Cheng等人采用Comsol模擬研究了3MNovec-7100介質對IntelCPUI9-9900K散熱的影響,模擬結果表明,加快液體冷卻液的流動速度能帶走更多的熱量,從而降低CPU的溫度。但是,由于循環(huán)速度較慢,冷卻液的流量不變,引起了較高的溫度值和不平衡的熱分布。值得注意的是散熱器的材料不會顯著影響結果。Yang等人設計一種新型的微通道散熱器MMC-SOC,利用HFE-7100進行散熱測試,實驗測量了芯片熱通量在20、25、30、35W/cm2時與傳統(tǒng)微通道MMC散熱器相比,當使用HFE-7100冷卻劑時微通道具有更低的壓降,MMC-SOC散熱器可以保持53℃的最高芯片溫度而壓降僅為3.77kPa。鐘楊帆等人測試了單相浸沒式液冷服務器中電子氟化液長期使用后物理特性及成分變化情況,結果表明,單相浸沒液冷服務器各項指標均能滿足運行基本要求,且電氣特性和物理特性均可滿足SPEC要求。同時,與風冷系統(tǒng)服務器相比,浸沒液冷服務器的CPU等關鍵散熱原件的失效率降低50%以上。氟化液長時間使用后的黏度、介電常數和擊穿電壓等物性常數均保持穩(wěn)定,能滿足企業(yè)長期使用的要求。

2.1.2 兩相冷卻液

Sathyanarayana等人基于純HFE-7200氟化液,搭配了不同比例的醇或醚并以1cm2的硅發(fā)熱面作為池沸騰的測試表面,對冷卻液的冷卻傳熱能力進行了研究,實驗對比了純HFE-7200氟化液,驗證了合成的含氟冷卻液具有更好的冷卻性能。結合全球環(huán)境保護的現狀,要求開發(fā)具有更好傳熱性能和適用性的新型傳熱流體,所以含氟冷卻劑具有很大的研究前景。Forrest等人比較了Novec-649和R-134a在池沸騰時的臨界熱通量和傳熱系數,不同于Sathyanarayana等人的研究,Forrest等人使用光滑鋁平面作為加熱面進行沸騰換熱實驗,結果表明R-134a具有更高的傳熱系數和CHF,此外Novec-649的兩相傳熱性能與碳氟化合物FC-72具有很強的相關性。Warrier等人通過計算分子設計(CAMD)和優(yōu)異值(FOM)分析研究了35種新型流體對沸騰換熱的影響,質量分數為7%的C6H11F3和質量分數為93%的HFE7200的混合物的換熱屬性要比單純的HFE-7200介質好。Birbarah等人研究了3MNovec-72DE和7300工作介質對氮化鎵晶體管器件散熱的影響,實驗測試表明,熱流量達到了562W/cm2,能夠為2kW的電源進行散熱,電源的轉化效率達到97.2%。Sun等人模擬研究了Novec-7000沸騰換熱對CPU換熱的影響,當入口速度大于0.6m/s時,使用Novec-649冷卻液可以確保芯片的正常運行,相比于Novec-649工作介質,Novec-7000較低的沸點能使芯片的平均溫度降低17.32℃,上下芯片之間的水平擋板可以顯著改善機柜的整體溫度均勻性。Zhou等人實驗和模擬研究了兩相液浸冷勻熱板(7100工質)對CPU散熱的影響。研究表明,勻熱板表現出良好的散熱性能,散熱量達到900W。Luo等人采用Fluent模擬研究了礦物油不同熱物性對CPU沸騰換熱的影響,與堿性礦物油相比,碳化硅基納米流體顯著增強了傳熱,當納米流體在體積分數為0.3%和3.7%的范圍內時,最大增強率分別為基本流體的11.4%和11.7%,0.3%納米流體在低雷諾數下具有更好的熱量耗散效應,而3.7%納米流體在高雷諾數下的表現更好。

2.1.3 冷卻液流量與流速

換熱冷卻液的流動速度亦是影響換熱效果的重要因素。李斌研究了單相浸沒式液冷機柜不同流量下服務器溫度變化趨勢,結果表明,在流量增加的過程中,流道溫度下降趨勢顯著。李棒等人采用6SigmaET模擬發(fā)現浸沒式液冷系統(tǒng)中CPU散熱的溫度場與冷卻液流量呈負相關。杜明徽等人通過CFD模擬了較小流速流體,隨流速增大,散熱模塊最高溫度降低;同時當流速越來越大時,散熱原件溫度降低的幅度逐漸減小,此時出現熱飽和的現象。

綜上,冷卻介質是浸沒式液冷的關鍵技術,冷卻介質的種類、流速均影響其換熱效率。


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