因为专业

所以领先

客服热线
136-9170-9838
[→] 立即咨询
关闭 [x]
行业动态 行业动态
行业动态
了解行业动态和技术应用

服务器浸没式液冷关键技术应对数据处理、存储和传输的需求正在急剧上升的需求

随着数字技术(物联网、人工智能、大数据、5G、云计算 等)的不断提升,其在运输、通信、制造、医药和教育等许多行业被广泛应用,对数据处理、存储和传输的需求正在急剧上升。伴随数字技术的发展,数据机房的建设需求增长迅速,海量的服务器产生了巨大的能源消耗。数据中心是一种高能耗的设施,研究报告显示,当前全球数据中心的耗电量约占社会总耗电量的10%,预计到2030年总耗电量将 达3000TW·h以上;在美国,数据中心年消耗电能占比超过了1.8%,预计这个数字将每年增长 4%;到 2020 年 末,我国数据中心年耗电量已达到2045亿kW·h,约占全 社会用电量的2.71%。未来,我国大数据产业规模依旧 伴随着高增长率快速发展,中国将成为世界第一数据资源大国和全球的数据中心。如图1所 示,数据中心能耗结构中冷却系统能耗占比高达40%,成为数据中心进行能效优化的重要因素。另一方面,根据摩尔定律原理,单位面积集成的晶体管越来越多,芯片性能提升导致热流密度不断增大,预计到2025年,15~20kW/柜将成为主流,常规的风冷换热系统已经不能满足高热密度服务器的散热需求且严重影响电子元器件的性能和使用寿命。

image.png


在数据中心更高密度、更大功率的发展趋势下,空气冷却越来越难以满足散热和节能的要求,冷板式、喷淋式、浸没式液冷的出现为解决这一问题提供了新方向。其中,浸没式液冷由于其高效的能力,越来越成为数据中心冷却技术的主要发展方向。根据换热介质的相态变化可分为单相液冷和两相液冷。单相液冷的冷却液不发生相态变化,直接通过系统强制对流带走热量;两相液冷的冷却液通过沸 腾换热,具有较大的换热系数,成为近年来解决高能量密度芯片散热问题的研究热点。

本文从服务器浸没式液冷关键技术出发,综述了冷却介质、热源表面特性对沸腾换热的影响,介绍了浸没式液冷沸腾换热机理的研究现状,以及系统评价方式。从微观到宏观系统阐述了现有服务器浸没式液冷技术的发展现状,并对浸没式液冷技术的发展进行了展望,对展开浸没式液冷技术应用的研究具有重要意义。

2604409f04870b22c967d328a74aea0.png

 一、浸没式液冷

浸没式液冷系统是指冷却液与电子发热设备直接接 触,将IT设备直接浸没在绝缘冷却液中,依靠冷却液带走 发热元件产生的热量,然后通过水循环将热量传递到室外 散热装置。根据冷却液是否发生相变,浸没式液冷分为单 相浸没式液冷和相变浸没式液冷。单相浸没式液冷系统设计简单,冷却液容纳更易实现,材料兼容性更强,流体中污染物顾虑更少,其系统原理如图2所示。两相浸没式液冷系统指IT设备产生的热量直接有效地传递给绝缘冷却液,依靠冷却液的沸腾/凝结相变过程及流动循环将处理器等设备运行产生的热量带走,其原理如图3所示。

image.png

image.png

相较冷板式液冷系统,浸没式液冷具有更低的对流热阻和传热系数;与此同时,相较于冷板进行热传导,与散热件直接接触的冷却液具有更高的热导率和比热容,运行温度变化率更小,制冷效率更高。浸没式液冷系统无风冷散热系统特点,使得整体耗电降低10%以上,时效性更加突出。该液冷技术适用于对热流密度、绿色节能需求较高的大型数据中心、超级计算、工业及其他计算领域和科研机构,特别是应用于地理环境或安装空间苛刻的数据中心具有明显的优势。

db1cdf86e4022e660ea9af25dfac129.png

2 浸没式液冷系统在浸没式液冷换热过程中,冷却介质、换热表面特性均 会对浸没式液冷系统沸腾换热产生影响,下文介绍关于冷却介质、换热表面特性、沸腾换热模型及系统评价方式的国内外研究现状。

2.1 冷却介质对散热性能的影响

用于电子设备的液体冷却剂应不易燃、无毒且价格低廉,具有优良的热物理特征,包括高导热系数、比热、传热系数,高绝缘及低黏度,较强的兼容。常见的冷却液分为介电冷却剂和非介电冷却剂,其中介电冷却剂有芳香烃(二乙苯(DEB)、甲苯、苯和二甲苯)、脂肪类(石蜡、矿物油等)、硅酮(硅油)和碳氟化合物(FC-40,FC-72,FC-77和FC-87)等。非介电冷却剂有水(W)、乙二醇(EG)及这2种物质的混合物(W/EG)。冷却剂的沸点、黏度、密度、比热容、表面张力、填充率等特性都是影响系统换热的重要因素。

addf02a3e97d28f6de2470fe92e8312.png

2.1.1 单相冷却液

杨明明等人综述了冷却液的分类及其物理化参数,结果表明PAO脂类化合物冷却液主要用于贯通式液冷计算机和侧壁液冷计算机中,FC-72氟碳化合物冷却液主要用于采用射流冷却液和雾化冷却的液冷计算机中,乙二醇水容易主要用于贯通式液冷计算机和侧壁液冷计算机中。肖新文综述了应用于数据中心的不同液冷技术及其冷却液,结果表明液冷技术冷却温度高,节能效果明显;合理分配使用侧及冷源侧的温差,提高部分负载下液冷系统的节能性,探索冷却温度、节能效率及热回收性能三者之间的最佳耦合关系是数据中心液冷技术应用的研究方向。Cheng等人采用Comsol模拟研究了3MNovec-7100介质对IntelCPUI9-9900K散热的影响,模拟结果表明,加快液体冷却液的流动速度能带走更多的热量,从而降低CPU的温度。但是,由于循环速度较慢,冷却液的流量不变,引起了较高的温度值和不平衡的热分布。值得注意的是散热器的材料不会显著影响结果。Yang等人设计一种新型的微通道散热器MMC-SOC,利用HFE-7100进行散热测试,实验测量了芯片热通量在20、25、30、35W/cm2时与传统微通道MMC散热器相比,当使用HFE-7100冷却剂时微通道具有更低的压降,MMC-SOC散热器可以保持53℃的最高芯片温度而压降仅为3.77kPa。钟杨帆等人测试了单相浸没式液冷服务器中电子氟化液长期使用后物理特性及成分变化情况,结果表明,单相浸没液冷服务器各项指标均能满足运行基本要求,且电气特性和物理特性均可满足SPEC要求。同时,与风冷系统服务器相比,浸没液冷服务器的CPU等关键散热原件的失效率降低50%以上。氟化液长时间使用后的黏度、介电常数和击穿电压等物性常数均保持稳定,能满足企业长期使用的要求。

2.1.2 两相冷却液

Sathyanarayana等人基于纯HFE-7200氟化液,搭配了不同比例的醇或醚并以1cm2的硅发热面作为池沸腾的测试表面,对冷却液的冷却传热能力进行了研究,实验对比了纯HFE-7200氟化液,验证了合成的含氟冷却液具有更好的冷却性能。结合全球环境保护的现状,要求开发具有更好传热性能和适用性的新型传热流体,所以含氟冷却剂具有很大的研究前景。Forrest等人比较了Novec-649和R-134a在池沸腾时的临界热通量和传热系数,不同于Sathyanarayana等人的研究,Forrest等人使用光滑铝平面作为加热面进行沸腾换热实验,结果表明R-134a具有更高的传热系数和CHF,此外Novec-649的两相传热性能与碳氟化合物FC-72具有很强的相关性。Warrier等人通过计算分子设计(CAMD)和优异值(FOM)分析研究了35种新型流体对沸腾换热的影响,质量分数为7%的C6H11F3和质量分数为93%的HFE7200的混合物的换热属性要比单纯的HFE-7200介质好。Birbarah等人研究了3MNovec-72DE和7300工作介质对氮化镓晶体管器件散热的影响,实验测试表明,热流量达到了562W/cm2,能够为2kW的电源进行散热,电源的转化效率达到97.2%。Sun等人模拟研究了Novec-7000沸腾换热对CPU换热的影响,当入口速度大于0.6m/s时,使用Novec-649冷却液可以确保芯片的正常运行,相比于Novec-649工作介质,Novec-7000较低的沸点能使芯片的平均温度降低17.32℃,上下芯片之间的水平挡板可以显着改善机柜的整体温度均匀性。Zhou等人实验和模拟研究了两相液浸冷匀热板(7100工质)对CPU散热的影响。研究表明,匀热板表现出良好的散热性能,散热量达到900W。Luo等人采用Fluent模拟研究了矿物油不同热物性对CPU沸腾换热的影响,与碱性矿物油相比,碳化硅基纳米流体显著增强了传热,当纳米流体在体积分数为0.3%和3.7%的范围内时,最大增强率分别为基本流体的11.4%和11.7%,0.3%纳米流体在低雷诺数下具有更好的热量耗散效应,而3.7%纳米流体在高雷诺数下的表现更好。

2.1.3 冷却液流量与流速

换热冷却液的流动速度亦是影响换热效果的重要因素。李斌研究了单相浸没式液冷机柜不同流量下服务器温度变化趋势,结果表明,在流量增加的过程中,流道温度下降趋势显著。李棒等人采用6SigmaET模拟发现浸没式液冷系统中CPU散热的温度场与冷却液流量呈负相关。杜明徽等人通过CFD模拟了较小流速流体,随流速增大,散热模块最高温度降低;同时当流速越来越大时,散热原件温度降低的幅度逐渐减小,此时出现热饱和的现象。

综上,冷却介质是浸没式液冷的关键技术,冷却介质的种类、流速均影响其换热效率。


[图标] 联系我们
[↑]
申请
[x]
*
*
标有 * 的为必填