液冷服务器(通过液体冷热交换散热的服务器)

液冷服务器，是指液体注入服务器，通过冷热交换带走服务器产生的热量的一种服务器。从服务器物理形态上区分有冷板式液冷服务器、全浸没式液冷服务器。按照系统模式，液冷服务器可分为间接冷却和直接冷却两大类。液冷服务器载热能力、导热能力以及强化对流换热系数均远超空气，相比于风冷，液冷散热效率更高。

传统服务器利用空气带走机箱内发热元件发出的热量，冷却能耗高、噪音大、设备密度低。风冷所不能解决的高能耗、低性能的问题，用液冷技术却可以得到显著的改善。在数据中心单机柜功率越来越高的背景下，液冷方式为服务器进行精准制冷，相比于传统的空调送风方式更具有优势，不仅能够有效快速地驱散高热密度服务器热量，同时大幅降低服务器风机功耗，大幅提高CPU性能，延长元器件寿命。液冷服务器的发展始于1964年IBM推出的首款冷冻水冷却计算机 system360，英特尔、戴尔等海外厂商不断探索新技术，2011年起，中科曙光、华为等国产厂商发力，实现技术突破与大规模商业落地。

2015年，中科曙光、中科院大气物理研究所、中科院计算技术研究所、中科院计算机网络信息中心，共同开启 “地球系统数值模拟装置” 预研与原型系统建设项目。

发展历史

1964年，IBM就研发出了世界首款冷冻水冷却计算机System 360。

2008年又发布了液冷超级计算机Power 575，成为液冷服务器的先发企业。

2011年，中科曙光率先开始了服务器液冷技术的探索与研究，随后华为、浪潮、联想等科技企业急起直追，纷纷入局液冷服务器。

2013年成功完成首台冷板式液冷服务器原理机与首台浸没式液冷原理验证，为后续技术突破奠定坚实基础。2015-2018年间，中科曙光、华为、浪潮信息、联想、阿里巴巴集团等一众国产厂商纷纷发力，先后实现液冷服务器大规模商业应用项目落地，在全球市场实现弯道超车。

2015年中科曙光推出国内首款标准化量产的冷板式液冷服务器，并完成国内首个冷板式液冷服务器大规模应用。2017年交付首套商用全浸没相变液冷服务器；2019年更是在全球范围内首次实现“刀片式浸没相变液冷”的大规模部署。

定义

液冷服务器，是指液体注入服务器，通过冷热交换带走服务器的散热的一种服务器。

工作原理

液冷技术是利用液体作为冷却介质，其载热能力、导热能力以及强化对流换热系数均远超空气，相比于风冷，液冷散热效率更高，有助于大幅提升数据中心的散热效率，从而实现降低能耗。

工作分类

按照系统模式，液冷服务器可分为间接冷却和直接冷却两大类。

间接冷却类

冷板式液冷服务器属于间接冷却类，其原理是冷媒与被冷却对象分离，并不直接接触，而是通过液冷板等高效热传导部件将被冷却对象的热量传递到冷媒中。在间接冷却方式中，冷媒有其自身通路，并不与电子器件直接接触，因此只要液体管路密封性好、冷媒不泄漏，那么系统对冷媒种类的要求较低，多种冷媒均可实现其功能。冷板式液冷服务器由液冷换热模块(CDM)中输出制冷剂由竖直分液器送入机箱，由水平分液器送入服务器中，通过液冷板等高效热传导部件，将被冷却对象的热量传递到冷媒中。利用液体作为中间热量传输的媒介，降低冷却系统能耗且降低噪声，无泄漏风险，功率密度可大幅提升。其原理图如图冷板式液冷通常分为槽道冷却、微槽道冷却、液体喷射冷却等。目前稳定性及可靠性较高的运用是槽道冷却及微槽道冷却，由于槽道冷却的冷板面积通常较大，无法大面积使用在数据中心的服务器中，而微槽道冷却在分流技术及换热效率上取得了长足的进步，在数据中心中的运用越来越广泛。

直接冷却类

浸没式液冷服务器属于直接冷却类。其原理是将被冷却对象完全浸没在冷媒中，在工作状态下，被冷却对象产生热量，通过冷媒吸收热量并将热量直接带走，减少了传热过程中的热阻，相比冷板式液冷，浸没式液冷技术具有更高的传热效率，同时，因冷媒与冷却对象直接接触存在漏液风险，需设置漏液报警及相应的保护邯措施。浸没式液冷系统是由机柜和液冷机组成，机柜里采用特殊的工程液体为热传递介质。通常这类工程液体拥有几大物理特性：沸点低、与水不相容、无毒、透明、无味、绝缘、阻燃、表面张力低黏度低。只有具有这些特性才适合作为浸泡式液冷系统的热传递介质。这种系统使用不需要风扇和散热器的新架构服务器，或者把目前风冷散热为主的服务器里所有风扇拆下来，浸没在工程液体里服务器里面所有硬件直接跟工程液体接触，吸热后达到液体饱和温度(40~60℃)自动蒸发，利用液体汽化潜热将热量带出，通过液冷机循环系统将气体冷凝变回液体，实现自循环将热量散发。这样的机房环境温度基本上不需要机械制冷散热系统，可大幅度降低机房耗电量。

冷板式液冷服务器

宁畅在其冷板式液冷机架服务器R620G50LP的介绍中提到，该服务器采用冷板式液冷散热方式，能够有效带走系统热量，大幅降低系统风扇负载、噪音以及整体PUE，大大降低用户TCO。其CPU采用冷板式散热，最高温度不超过55°C，支持32个DDR54800MHz内存频率，内存带宽提升50%，还具备无滴漏快速接头和节点、机柜、机房三级漏液，断线检测机制，保障数据中心运行安全。

全浸没式液冷服务器

浪潮信息旗下的NF5180G7是业界首个可支持浸没式液冷50℃进液温度的服务器。该服务器在1U空间内实现了性能、密度、扩展性最大化设计，支持2颗最高64核心350W最新英特尔至强可扩展处理器，整机功率可达1300W。它采用独特内部布局和散热模式，独创了鳍片间隙更小、热管更多的散热器，散热面积提升23%以上，散热效率提升20%以上。其线缆采用电力行业最高标准的材料，保障服务器全生命周期稳定可靠。此外，NF5180G7还引入了智能散热管理系统，可依据各服务器节点的实际温度情况，智能动态调节tank内冷却液循环速度、温度，PUE逼近理论极限1.0。

主要特点

优点

作为工程应用中高热密度服务器辅助设备，数据机房的散热效果直接影响数据处理设备的安全高效运行。提高数据机房的散热能力对实现数据处理设备的安全高效运行具有重要意义。对于承载着高功率、高密度服务器设备的大型数据中心，空气冷却技术的风冷条件已经无法满足系统的高效散热需求。相比之下，液冷型制冷技术具备两大优势:一是冷源无限贴近热源，充分吸收服务器中高热耗元件，而非风冷空调低效率间接制冷；二是单位体积下，液冷冷却效果是空气冷却的1000~3000倍，从而大幅降低制冷能耗。数据中心单机柜功率越来越高的背景下，液冷方式为服务器进行精准制冷，相比于传统的空调送风方式更具有优势，不仅能够有效快速地驱散高热密度服务器热量，同时大幅降低服务器风机功耗，大幅提高CPU性能，延长元器件寿命。由于液冷服务器不再使用压缩机制冷，实现了数据中心PUE值下降到1.2以下的节能目标。液冷服务器也实现了高密度、低噪声、低传热温差、全年自然冷却的效果。未来，液体服务器技术将在数据中心中发挥不可或缺的作用。美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)对风冷数据中心与混合模型风冷和液冷数据中心进行了详细的拥有成本对比分析，发现虽然许多变量会影响总体拥有成本(TCO)，但“液冷通过更高的密度、更多的自由冷却使用、更优的性能和更佳的每瓦特性能，创造了改善TCO的机会。

缺点

在大多数液冷应用中，仍然需要一个小型的空气换热系统，以承载机架的侧面和顶部，以及照明和设备外壳通过对流和辐射热传递所产生的少量热负荷;还必须提供湿度控制系统，因为液冷机架不能在机架级别提供除湿。根据每个机架的液冷系统成本，通常在2kW或3kW以下的低功率机架使用液冷可能没有意义。它们的负荷通常由基于空气冷却(比典型的小得多)的系统来处理。

应用示例

地球系统数值模拟装置原型系统

地球系统数值模拟装置是对地球系统自然过程进行数值模拟的大型科学研究平台，2015年，中科曙光与中科院、中科院大气物理研究所、中科院计算技术研究所、中科院计算机网络信息中心，共同启动了该装置预研及原型系统建设。该系统创新性的采用了立体数据中心的建设模式，部署液冷服务器TC4600E-LP128箱，共计1280节点。

国家气象局气候变化应对决策支撑系统

气候变化应对决策支撑系统将是中国气象局天气、气候模式业务和研发的运行平台，承担每天24小时、每周7天的极端天气及气候业务应用，并兼顾业务试验和业务研发的应用需求。2017年曙光中标该高性能计算系统，该项目使用了全新升级版液冷服务器TC4600E-LP，共计部署1500多个液冷节点。