數據中心冷卻液

全文導覽：
1. 數據中心簡介
2. 數據中心能耗問題
3. 數據中心制冷方式及評價標準
3.1 冷板方法簡介
3.2 浸沒式冷卻液簡介
4. 總結

1. 數據中心簡介
數據中心（Internet Data Center，簡稱IDC）是互聯網基礎設施的核心，它們承擔著存儲、處理和管理海量數據的重要任務，對于支撐現代社會的數字運作具有不可或缺的作用，并逐漸成為現代社會基礎設施的一部分。

2. 數據中心能耗問題
AI的快速發展與我國產業現代化建設的不斷推進帶動數據中心算力需求大幅提升。過去十年間，我國數據中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增，其耗電量在2020年突破2000億千瓦時，約占全社會用電量的2.71%。其中冷卻系統能耗占總能耗的40%左右。[1] 溫控系統是數據中心的重要組成部分。IT設備在進行數據運算、存儲和交換的過程中同時產生大量的熱量，隨著芯片性能的提高，數據中心熱流顯著升高。國際能源署預計，2024年數據中心電力消耗量將比2023年增長30%。提高數據中心冷卻效率，降低能耗對實現“雙碳”目標至關重要。

3. 數據中心制冷方式及評價標準
數據中心制冷方式可大體區分為風冷和液冷。傳統的風冷方式利用空氣進行熱量交換，成本較低，但由于空氣比熱容小等原因，已逐漸無法滿足數據中心能源效率的要求，因此需要能源效率更好的液冷方式。液冷方式中，根據發熱部件與冷卻液是否直接接觸，可分為直接液冷和間接液冷。直接液冷包含噴淋式液冷和浸沒式液冷，根據冷卻液是否發生相變又可以將浸沒式液冷分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷。間接液冷包含冷板式液冷方法。
PUE是評價數據中心能源效率的指標，PUE = 數據中心總設備能耗/IT設備能耗，基準是2，PUE值越接近于1，表示數據中心的綠色化程度越高。

3.1 冷板方法簡介
冷板式液冷主要通過銅、鋁等高導熱金屬構成的封閉腔體將芯片、CPU/GPU、內存等高熱密度元器件的熱量間接傳遞給封閉在循環管道中的冷卻液體，然后利用冷卻液體將熱量帶走，其根據工作流體的傳遞特點將中間熱量運輸到后端進行冷卻，通過一次側和二次側的結合實現了冷板式液冷系統的整機液體循環，進而達到為IT設備散熱的目標。相比于風冷，PUE可以從1.5將至1.2左右。冷板法的硬件（CPU、CDU）不直接接觸冷卻液，因此系統兼容性好，散熱效果比風冷好，且噪音少。但冷板式冷卻液也面臨一定的挑戰，包括定制設計、制造、維護成本高，漏液問題，覆蓋程度直接決定散熱效率等問題。
數據中心冷板式液冷主要使用乙二醇、丙二醇和去離子水作為冷卻液。乙二醇、丙二醇通常以20%到30%的濃度使用，這個濃度的選擇是基于平衡散熱性能和防凍、抑制微生物滋生的需求。適用于乙二醇型、丙二醇型冷卻液的測試方法有：YD/T 3982 數據中心各類冷卻液、T/CCSA 274 數據中心各類冷卻液、GB 29743.2 新能源車冷卻液。
去離子水‌也是一種常見的冷卻液選擇，它具有良好的傳熱性能且無毒安全。然而，去離子水需要添加緩蝕劑和殺菌劑以防止銅腐蝕和細菌滋生。去離子水的冰點為0℃，因此在某些特定條件下需要考慮防凍問題。

3.2 浸沒式冷卻液簡介
浸沒式液冷技術的工作原理‌主要涉及將發熱的電子設備或電池直接浸泡在具有良好熱傳導性和電絕緣性的液體中，通過液體吸收設備運行時產生的大量熱量，然后通過液體與外部環境的熱交換完成熱量的排出，從而實現對設備的冷卻。這種技術利用液體的高比熱容和熱傳導率，相比傳統的空氣冷卻方式，能夠更有效地傳遞熱量，并且不需要風扇等空氣攪動設備，從而降低了運轉噪音。浸沒式液冷技術使用的液體通常是合成氟化液、礦物油或其他絕緣液體，這些液體具有良好的熱傳導性能，同時也是電絕緣體，不會導致IT設備短路。
浸沒式液冷技術在數據中心中的應用尤為廣泛，通過將服務器整體浸泡在特殊設計的液體中，有效地降低了數據中心的能耗比，即PUE值，為數據中心提供了綠色節能的能力。這種技術通過直接接觸的方式將熱量從服務器內部轉移到外部液體中，避免了傳統風冷方式中由于空氣流動不暢導致的散熱效率低下問題。此外，浸沒式液冷技術還適用于鋰離子電池的冷卻，通過將電池浸泡在冷卻液中，吸收電池產生的熱量，然后通過液體與外部環境的熱交換完成熱量的排出，實現對電池的有效冷卻‌。
浸沒式冷卻液遇到的挑戰有：機房部署成本高，想從原來風扇或冷板散熱升級成浸沒式液冷，幾乎重新投資新建一個場地。運維成本高。冷卻液成本高。有安全隱患，以氟化液為例，氟化液穩定性好，所以無法自然降解，在自然界和人體長久累積。生產氟化液時產生嚴重環境問題。使用中會揮發，不可避免的對人健康造成影響。
單相浸沒法（one-phase）的冷卻液沸點較高，冷卻時不發生相變，目前此方案占比超過90%。在單相浸沒式液冷中，電子部件直接浸沒在液體中，熱量從電子部件傳遞到液體中，通過循環泵將加熱的冷卻液流到熱交換器中冷卻，并循環回到容器中，維持液態進行散熱。這種技術不僅提高了系統的可維護性，還因為其散熱效率相對較低，不需要頻繁補充冷卻液或頻繁更換服務器組件。單相浸沒式冷卻液類型有氟化液、合成油、改性硅油。氟化液主要為碳氟氧化合物，具備流動性好、不導電、結構穩定、不燃燒等特點；合成油及礦物油以其卓越新能，現屬于快速發展階段；改性硅油即有機硅具有閃點高、兼容性好等優勢。適用于浸沒式液冷系統單相冷卻液（礦物油/合成油/硅油）的方法有：YD/T 3982 數據中心各類冷卻液技術要求和T/SHSIC 0202數據中心浸沒式液冷系統單相冷卻液要求。
雙相浸沒法（two-phase）的冷卻液沸點低，通過液態-氣態相互轉變帶走熱量，效率更高，液體汽化吸收大量的能量。此方案目前市場占比小于10%。 雙相浸沒式冷卻液使用低沸點氟化液，其PUE效能最好。在使用過程中，冷卻液經歷氣態-液態的反復循化，因此需要做氣密處理。冷卻液在運行過程中產生大量氣泡，會撞擊部件，對芯片產生影響。并且也具有泄漏的風險。
半導體領域對氟化液有巨大需求，一方面，隨著新能源汽車、工業制造、新一代移動通訊、新能源及數據中心等新興市場的發展，全球對晶圓的需求量不斷增長。圓晶新廠廠房和產線投產首次需充注大量的氟化疊加日常生產時的損耗補充，進而拉動氟化液需求。另一方面，清洗工藝步驟不斷增加，清洗工藝變得更加復雜和重要，同樣會拉動氟化液需求的增長。適用于浸沒式冷卻液碳氟類（氟化液）包括單相和雙相冷卻液的方法有：YD/T3982數據中心各類冷卻液技術要求、T/CA 307 數據中心浸沒液冷系統碳氟類冷卻液技術要求和測試規范。T/CA 307提到：對累計運行1000h及以上時間的浸沒式液冷服務器，隨機抽取樣品與未使用的同牌號樣品，進行分析比較，判斷冷卻液長期可靠性。氟化液生產廠家行業內通常約半年一次進行檢測。
氟化工原料螢石-主要成分-氟化鈣（CaF2）。螢石作為一種重要的戰略礦產資源，對于國家安全、國民經濟和社會發展具有重要影響。隨著科技的進步和環保意識的提高，螢石資源的合理開發和利用將變得更加重要。中國氟化液產業主要集中在：江蘇常熟新材料產業園、東岳氟硅材料產業園（淄博）、淄博高青化工產業園、自貢川南新材料化工園區（四川） 、阜新氟產業開發區（遼寧）等。

4. 總結
2021年7月，工信部印發《新型數據中心發展三年行動計劃(2021—2023年)》，指出“到2023年底，新建大型及以上數據中心電能利用效率（PUE）值降低到1.3以下，嚴寒和寒冷地區力爭降低到1.25以下。”隨著超大規模計算、超級計算、高性能計算、邊緣計算、加密貨幣等領域對算力需求的上升以及對數據存儲要求的提高，數據中心散熱要求也隨之提高，浸沒式液冷將在超算中心等高密化場景得到進一步推廣。預計到2025年，我國液冷服務器市場規模將達到1300億元。其中，浸沒式液冷市場占約530億元，占比將超過40%。液冷數據中心對氟化液需求也將同步增長。預計2025年，氟化液在國內數據中心市場的需求有望超3萬噸。[2]未來氟化液產品必將呈現多元化的發展態勢，藍海已現，未來可期！

[1] 2021年中國數據中心行業市場現狀與發展趨勢分析https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/210625-4d6806f4.html
[2] AI產業爆發有望拉動液冷數據中心較快發展 氟化液迎機遇https://news.qq.com/rain/a/20231023A00XRC00