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数据中心液冷及冷却液行业分析:算力提升驱动,氟化液迎来机遇(下)

发布人:中嘉和信 发布时间:2023.04.25 来源:数据中心运维管理

按冷却原理,冷板式、浸没式和喷淋式是目前液冷的 3 种主要部署方式。其中,浸没式和喷淋式液冷等为接触式液 冷,冷却液体与发热器件直接接触。

1) 浸没式液冷:浸没式液冷将 IT 设备发热元件全部浸没在冷却液中实现散热,根据工质是否产生相变又分为单 相液冷和相变液冷。吸热后的冷却液采用风冷或水冷等方式循环冷却或者冷凝。

2) 喷淋式液冷:喷淋式液冷依靠泵压或重力驱动,按发热元件需求向 IT 设备电路板自上而下精准喷淋冷却液, 吸热的冷却液采用风冷或水冷等方式循环冷却。

3) 冷板式液冷:冷板式液冷为非接触式液冷,冷却液体与发热器件不会直接接触。冷板式液冷通过流道将冷却 液通往与 IT 设备发热元件接触的冷板将热量导出,吸热后的冷却液通过风冷或水冷等方式循环冷却。

接触式液冷较间接式液冷,冷却效果更优。接触式液冷与间接式液体冷却完全不同,液体制冷剂直接和电子器件接触, 绝缘液体介质能够保证电子器件的绝缘。接触式液冷技术具有如下优势:

1)液体比热容远高于空气,传热量大,效率高。

2)节能降耗。如前面所述,采用接触式液冷技术,大幅降低冷却能耗。PUE 可达 1.04,无限接近理论极限值。

3)提高运算设备性能和可靠性。芯片功耗的突然增加不会导致温度瞬间的大幅变化。除了服务器和冷却设备的耗电, 事实上硬件维修和维护费用也是数据中心不小的成本。据估算,服务器维修和维护费用占服务器和冷却电费的一半。 根据实践,在数据中心中,硬盘需要的更换频率是最高的。此外,温度每升高 10 oC,电子器件的可靠性和寿命降低 50%。因此,浸没式(接触式)液冷技术能够最大程度控制服务器温度均匀,并大幅提高运算设备性能和可靠性。

4)降低风扇振动、噪声和耗能。浸没式(接触式)液冷技术完全不需要风扇,最大限度减少噪声污染源。

5)提高数据中心功率密度,减小机房占地面积。按照单机柜 42U 容量配置,放置传统 19 英寸标准服务器,单机柜 功率密度范围可由 20kW 提升至 200kW

接触式液冷对氟化液纯净度、流体沸腾过程控制要求更高。

1)首先,液封模块中的氟化液必须非常纯净,而且芯片与基片之间连续的焊盘在焊接过程中产生的残留物也必须清 洁干净(实际操作比较困难)。 否则经过长时间浸泡和相变循环,这些残留物会溶解并在沸腾的过程中沉积于焊盘上。长期使用会腐蚀焊盘从而失效。

2)其次,在流体沸腾冷却试验中,在芯片表面的沸腾刚刚开始时,温度波动会出现在芯片表面。在某些试验中,如 果在沸腾开始前芯片已经达到期望的温度水平,在沸腾刚开始,芯片表面还没有出现大量气泡,就会出现一个显著的 超高(过热)温度提高芯片的结温。

3)最后,在非沸腾试验中,如果依靠氟化液自然对流冷却芯片,则会出现由于比热容偏低、散热能力不够而导致的 不可接受的芯片高温。

冷板式液冷成熟度最高,浸没式液冷、喷淋式液冷节能效果更优。目前,3 种不同液冷方案在通信行业各有一些应用 案例。其中,冷板式液冷发热器件不需接触冷却液,发展时间最早,技术成熟度较高,冷板式液冷采用微通道强化换 热技术具有极高的散热性能,在军用雷达、高密度数据中心、高性能电脑、动力电池以及高功率 LED 散热领域均有 应用,是解决大功耗设备部署、提升能效、降低制冷运行费用、降低 TCO 的有效应用方案;而浸没式和喷淋式液冷 实现了 100% 液体冷却,具有更优的节能效果。浸没式液冷散热节能优势明显,在超算、高性能计算领域取得了广 泛应用;喷淋式液冷公开展示的研究成果和应用实践相对较少。

浸没式液冷根据工质是否产生相变又分为单相液冷和相变液冷。

1) 相变浸没式液冷技术: 相变式冷却系统分一体式和分体式,其组成主要包括以下几部分:冷却液、密封腔体(密封,压力-压力控制系统)、 芯片散热膜模块(散热罩)、冷却模块(CDM)和室外冷源。其中,冷却模块又由管道、液汽换热器、循环泵、储液 器和阀门等组成。室外冷源包括风冷式机组、水冷式机组、水喷淋冷却系统及闭式冷却塔等。相变浸没式液冷方案是 数据中心高效和极具前景的冷却方案。即使服务器在全负荷的状态下运行,服务器整体温度仍能够维持在合适的范围 内。

2)单相浸没式液冷技术: 单相液冷类技术属于浸没式液冷前沿技术,该技术克服了以往 IT 设备运行环境的限制——IT 设备的电子器件连同设 备完全浸没在特殊液体中,在液相环境下稳定运行,并形成完全封闭的导热回路。与传统的风冷式和冷板式液冷技术 相比,其性能大幅提高,几乎完全免除湿度、灰尘和振动的影响,优化了服务器的运行环境,延长了设备的寿命,安全可靠,无噪声,制冷效率高,节能环保。尽管非相变类液冷技术的前景较好,但由于其对 IT 设备的要求较高,成 本高昂,仍没有得到普及。目前该技术主要应用于散热性能要求极高的超算领域,但是,随着数据中心散热要求的提 高,其势必会成为未来数据中心主流的散热技术之一。

二、液冷数据中心建设加速推进,市场规模有望超千亿

近年来,国内数据中心建设加快推进。根据中国信通院的数据显示,2021 年,中国数据中心在用机架数量达到 520 万架,较 2020 年增加超过 100 万架。据工信部《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023 年)》,预计到 2023 年底,全国数据中心机架规模年均增速保持在 20%左右, 2023 年中国数据中心在用数量将超过 800 万架。2021 年 中国数据中心市场规模超过 1500 亿元,预计 2022 年中国数据中心市场规模到突破 1900 亿元人民币,同样呈现出较 快的增长趋势。

预计 2025 年中国液冷数据中心市场规模将超千亿。据《液冷白皮书》,考虑到液冷对传统市场进行替代,包括风冷 的机房空调市场、服务器市场以及数据中心基础设施(机柜、CDU、冷却塔等)市场,预计 2025 年,保守测算下中 国液冷数据中心市场规模将达 1283.2 亿元,乐观测算下中国液冷数据中心市场规模将达 1330.3 亿元。

浸没式液冷凭借其优良的制冷效果,市场份额将快速提升。据《液冷白皮书》,保守来看,2025 年中国冷板式液冷 数据中心市场规模将达到 757.1 亿元,浸没式为 526.1 亿元;乐观来看,2025 年中国冷板式液冷数据中心市场规模 将达到 784.9 亿元,浸没式为 545.4 亿元。其中浸没式液冷数据中心凭借其优良的制冷效果,市场份额增长速度较快, 浸没式液冷数据中心的占比将从 2019 年的 18%左右提升至 2025 年的 40%左右。

互联网、金融、电信等领域对数据中心液冷的需求量将会持续加大。预计到 2025 年,互联网行业液冷数据中心占比 将达到 24.0%,金融行业将达到 25.0%,电信行业将达到 23.0%。而能源、生物、医疗和政务等将行业需求将加快 融入通用数据中心新业态,整体上规模有所下降。预计 2025 年能源行业液冷数据中心占比将达到 10.5%,金融行业 将达到 8.5%,电信行业将达到 6.5%,以政务为代表的其他业务将下降至 2.5%

除数据中心之外,近年来电化学储能市场快速发展,预计将带动储能温控行业需求提升。据 CNESA 数据,截至 2021 年底,我国已投运储能项目累计装机规模为 46.1GW,占全球市场总规模的 22%,同比增长 30%,由于储能电池容 量及功率较大,其对散热要求更高,同时储能系统内部容易产生电池产热和温度分布不均等问题,优质的温控系统显 得对电池系统的寿命和安全性显得尤为重要。

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