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浸没式冷却升温gydF4y2Ba

由塞缪尔·格林加德gydF4y2Ba
ACM通信，2022年6月，第65卷第6期，第24-26页gydF4y2Ba
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评论gydF4y2Ba

数据中心既是数字时代的英雄，也是反派。一方面，这些设施为越来越多地运行我们世界的技术提供动力。另一方面，数据中心消耗了大量的能源，并面临着许多社区越来越多的反对。随着世界在气候危机中越陷越深，寻找减少能源消耗的方法是至关重要的。gydF4y2Ba

有一种想法已经潜伏了几十年，那就是使用特殊液体直接或间接地冷却计算设备和其他电子系统。虽然这一概念看起来令人震惊，但电介质液体和浸入式冷却方法已经成熟。这些技术已经在高性能计算和加密货币挖矿圈取得了进展，它们将电子组件浸泡在具有强绝缘性能的介电(不导电)液体或冷却剂中。当液体接触到电子设备时，液体的循环会散热。gydF4y2Ba

浸入式冷却将对数据中心产生重大影响。尽管IBM和Cray在20世纪60年代至80年代对这项技术进行了试验，但设计、工程和流体方面的进步最终使这项技术可行，而且更便宜。市场研究和咨询公司Dell'Oro Group的首席分析师卢卡斯•贝兰表示:“在过去几年里，浸入式冷却技术取得了显著的进步。“随着控制数据中心电力消耗和热量产生的压力越来越大，这项技术将发挥重要作用。”gydF4y2Ba

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感觉热gydF4y2Ba

随着企业、政府机构和其他机构寻找减少碳足迹和削减能源成本的方法，很明显，传统的空气冷却，甚至其他基于流体的技术，如可以应用于使用特殊板的cpu和gpu的直接液冷(DLC)，都不能满足这一任务。gydF4y2Ba

通过刷新旧服务器、优化数据、虚拟化工作负载和转向绿色主机，从数据中心获得能源效率的提高也变得越来越困难。根据Dell'Oro Group的数据，目前数据中心的年度能源消耗中有30% - 40%来自热管理。gydF4y2Ba^{一个gydF4y2Ba}事实上，据预测，到2030年，数据中心将消耗全球8%的电力，高于2018年的约1%。gydF4y2Ba^bgydF4y2Ba

数字流通的液体带走了微软数据中心服务器产生的热量。gydF4y2Ba

田纳西州橡树岭国家实验室国家计算科学中心计算和设施主任吉姆·罗杰斯(Jim Rogers)说，数据中心的能源消耗正在激增，因为每插座的电力需求正在迅速增长。“就在几年前，一个CPU可能持续消耗大约100瓦。如今的cpu和gpu的耗电量一直是这个数字的两倍以上。”随着单个机架中计算机数量的增加，密度也成为一个问题。他说:“最终的结果是，单个机架必须管理的总热量稳步攀升至30、40或50千瓦。”gydF4y2Ba

这两个因素共同推动了传统冷却系统的极限。罗杰斯解释说:“当制造商在每个机架上移动的功率超过15千瓦时，通过服务器风扇移动空气将废热排出到数据中心空间的策略就有效结束了。”在这一点上，后门热交换器、冷板和其他技术是必要的。浸泡式冷却的突出之处在于，服务器中各部件产生的热量直接被流体吸收，散热效率远高于空气。gydF4y2Ba

随着热量密度的增加，挑战也在增加。Rogers说:“在组件间吹气效率很低，从空气中散热在机械上也很昂贵。”直接液冷(DLC)，也被称为直接到芯片，最多只能提取70%的热量。gydF4y2Ba^cgydF4y2Ba同时，作为DLC的一个子集，水基冷却系统得到了广泛的应用，但它们利用的是靠近热部件的冷板循环水，必须依赖有限的传热。Rogers表示，“浸入式冷却通过使用非导电流体提供更强的比热吸收能力，解决了这一问题。”gydF4y2Ba

现实世界的影响是显著的。正常运行时间研究所(Uptime Institute)报告称，2020年数据中心的平均用电效率(PUE)评级为1.58，自2013年以来一直停滞不前。gydF4y2Ba^dgydF4y2Ba高效的空气冷却通常能提供1.2到1.4的PUE(较低的数据在AWS这样的云数据中心更常见，而后者更能代表企业数据中心)，但浸没冷却方法能将这一数字降低到大约1.03或更好，Beran指出。根据气候条件、可再生能源的可获得性和其他因素的不同，浸泡式冷却会对能源消耗和成本产生深远的影响。最终目标是让PUE评分尽可能接近1.0。gydF4y2Ba

然而，作为定义数据中心能源效率的事实标准，PUE并没有完全体现更先进的液体和浸没式冷却方法的重要性，因为它会产生连锁反应，包括减少对风扇和其他电气元件的依赖。正常运行时间研究所(Uptime Institute)的研究分析师杰奎琳·戴维斯(Jacqueline Davis)指出，液体冷却和浸入式技术“深刻地改变了数据中心的能源消耗状况”。gydF4y2Ba^egydF4y2Ba

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更流畅的方法gydF4y2Ba

浸没冷却主要有两种类型。目前，最广泛使用的浸入式冷却技术是单相浸入式，它依赖于一个充满介电流体的可接近外壳。电介质流体或去离子水在封闭空间中循环，直到与热交换器接触，热交换器将热量抽出并转移到水循环中，然后再将较冷的流体放回封闭空间。采用单相浸渍，冷却剂不会沸腾或结冰，蒸发的风险很小或根本没有。通常，服务器垂直安装在水平方向的冷却池中。gydF4y2Ba

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根据气候条件、可再生能源的可用性和其他因素，浸泡式冷却会对能源消耗和成本产生深远的影响。gydF4y2Ba

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单相浸渍产品广泛可用。例如，绿色革命冷却技术(GRC)被公认为该领域的领导者，它的技术已经部署在几个超级计算站点，包括美国国家安全局(NSA)、美国空军和东京工业大学的设施。该公司表示，该技术将数据中心的冷却成本降低了95%，同时将整体耗电量降低了50%或更多。在一个典型的数据中心，改用液体浸泡也可以减少31%的碳排放。GRC营销副总裁格雷格•普里姆表示:“浸入式冷却降低了全球数字基础设施的成本、复杂性和对环境的影响。”gydF4y2Ba

在两相浸没(TPI)冷却中，电子元件被放置在一个充满介电流体的密封外壳中。电子设备向液体释放热量，使其在大约50摄氏度沸腾。由此产生的蒸汽在容器内的热交换器上凝结。热量被传递到设备外的水中。该工艺的另一个优点是使用环保的不易燃液体，其传热系数高于1PI，尽管该方法仍处于早期开发阶段。gydF4y2Ba

毫不奇怪，液体本身也在前进。虽然一些用于浸没冷却的介电物质来自矿物、植物、氟碳或合成油，3M和其他公司已经开发了惰性、全氟化液体，透明、无味、不易燃、非油基、低毒性和无腐蚀性。这是可能的匹配这些产品专门传热要求。此外，这些介电流体中的一些已经被配制为低全球变暖潜能值(GWP)和零臭氧消耗潜能值(ODP)。普里姆表示，GRC产品使用的液体是可生物降解的、无毒的，使用寿命可达15年以上，而且完全可回收利用。gydF4y2Ba

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关注浸gydF4y2Ba

如果浸入式冷却听起来很有意义，并且能显著降低数据中心的成本，那么一个基本的问题就出现了:为什么这项技术还没有被广泛采用?Rogers表示，浸没冷却是可行的，但可能会有些混乱，涉及到与管理系统和流体相关的持续操作和维护(O&M)费用。更重要的是，浸入式冷却的前期价格可能很高。他指出，根据现有数据中心的结构，投资回报率(ROI)很遥远或根本不存在。gydF4y2Ba

橡树岭是正在有条不紊地进行浸入式冷却的组织之一。采用了冷板冷却技术，但在采用单相浸没冷却方面存在困难。“最大的障碍是实现投资回报，利用现有技术，我们已经可以从产生数百千瓦废热的系统中捕获95%以上的热量。”罗杰斯说，没有完美的方法:冷板和增强的水冷系统会产生一系列令人头疼的问题，包括在大型系统中引入数千个故障点。gydF4y2Ba

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“浸入式冷却已经准备好产生重大影响。我们已经非常接近一个转折点，在这个转折点上，它将产生重大影响。”gydF4y2Ba

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Beran说，归根结底，大多数阻力来自文化;“人们担心系统会泄漏。”然而，浸没式冷却技术已经发展到泄漏和污染的风险很小的程度。“虽然有必要有一个适当的泄漏遏制策略，这真的与在你的家里有一个灭火器没什么不同。很多时候，人们一辈子都不用它，但如果你需要它，它就在那里。”他指出，其他一些问题，比如显示序列号的液体溶解贴纸，可以通过激光在设备上蚀刻序列号来轻松解决。gydF4y2Ba

与此同时，研究人员继续探索浸泡冷却的不同技术组件和框架，以及如何更有效地将天然流体和合成流体结合在一起。例如，研究人员现在正在寻找一种方法，使与电子元件直接接触的冷却流体沸腾。gydF4y2Ba^fgydF4y2Ba此外，还将重点放在调整和扩大电池系统、太阳能电池板和其他产生热量的设备的技术上。例如，目前的一种研究方法集中在使用模块化喷射油冷却技术，从用于固定电力储存和运输的锂离子电池组中吸取热量。gydF4y2Ba^ggydF4y2Ba

可以肯定的是，浸入式冷却似乎已经准备就绪。事实上，像Submer这样的供应商现在将系统包装在胶囊和微型胶囊中，基本上是即插即用的，冷却剂可以使用20年。gydF4y2Ba^hgydF4y2BaBeran说，与传统的空气冷却相比，这种方法可以降低33%的运行成本。gydF4y2Ba^我gydF4y2Ba市场研究公司Market- studyreport预计，从2020年到2025年，这一数字将增长24%。gydF4y2Ba^jgydF4y2Ba

“有很多方法可以降低数据中心的能源消耗，”Beran总结道。“我们一直在看到新的创新和技术出现。但浸入式冷却已经准备好产生重大影响。我们已经非常接近一个转折点，在这个转折点上，它将产生重大影响。”gydF4y2Ba

进一步的阅读gydF4y2Ba

Birbaraha, P.， Gebrael, T.， Foulkes, T.， Stillwell, A.， Moore, A.， pilwa - podgurski, R.， Miljkovic, N.。gydF4y2Ba
高功率密度电子学的水浸冷却，科学指导，第147卷，2020年2月。gydF4y2Ba
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931019336002gydF4y2Ba

Trimbake, A.， Pratap Singh, C.， Krishnan, S.gydF4y2Ba
锂离子电池矿物油浸泡冷却的实验研究，美国机械工程师学会(ASME)， 2022年5月19(2):021007gydF4y2Ba
https://asmedigitalcollection.asme.org/electrochemical/article-abstract/19/2/021007/1115735/Mineral-Oil-Immersion-Cooling-of-Lithium-IongydF4y2Ba

松冈，M.，松田，K.，久保，H。gydF4y2Ba
数据中心自然对流的液体浸没冷却技术，2017gydF4y2Ba^thgydF4y2Ba云网络国际会议，2017年10月19日。gydF4y2Ba
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8071539gydF4y2Ba

Pérez, S.， Arroba, P.， Joya, J.M.gydF4y2Ba
基于深度强化学习和两相浸没冷却的边缘计算节能优化，未来一代计算机系统，ScienceDirect, 2021年7月31日。gydF4y2Ba
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167739X21002934gydF4y2Ba

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