冷板液冷系統(tǒng)的分類

根據(jù)CDU一次側(cè)散熱形式的差異，冷板液冷系統(tǒng)大體上可以分為液液型冷板液冷和風液型冷板液冷。

液液型冷板液冷系統(tǒng)包含一個二次側(cè)閉環(huán)回路，可通過間接冷卻（如機架安裝的后門熱交換器）或直接冷卻（如芯片級冷板）為IT設(shè)備提供冷卻流體。二次側(cè)回路是一個低壓密封系統(tǒng)，IT設(shè)備的高熱密度區(qū)域的熱量通過一個低壓降板式熱交換器排出到外部冷卻水源（一次側(cè)回路）。二次側(cè)回路可確保數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的冷卻液保持最小容量，對流量、壓力和溫度進行嚴密控制（冷凝控制），并準確保持流體質(zhì)量（過濾和添加）。一次側(cè)冷卻源可以是冷凍水系統(tǒng)（專用或來自建筑物系統(tǒng)）、冷卻塔或干冷器，具體取決于所需的二級溫度和傳熱規(guī)格。

風液型冷板液冷系統(tǒng)包含二次側(cè)回路，為IT 設(shè)備提供冷卻液供給以進行直接冷卻（例如芯片級冷板）。冷卻液回路是一個低壓密封的系統(tǒng)，低壓降制冷盤管換熱器將熱量從IT設(shè)備的高熱密度區(qū)域排出到環(huán)境空氣中。一次側(cè)冷源是數(shù)據(jù)中心的冷空氣，通過風液型CDU將服務(wù)器熱量，傳遞至機房，最終通過機房空調(diào)帶走所有熱量。熱傳遞將取決于空氣溫度和流速。

冷板液冷系統(tǒng)設(shè)計的五大關(guān)注要素

1) 供液溫度

冷板液冷系統(tǒng)的供液溫度設(shè)計需充分考慮不同芯片及服務(wù)器制造商的特定要求，如Dell可能接受高達32℃甚至更高的供液溫度，而Nvidia則設(shè)定在25℃至45℃的較寬范圍內(nèi)。需要注意的是，必須嚴格避免供液溫度過低，以防止水蒸氣凝結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，這可能嚴重損害IT設(shè)備的正常運行。此外，系統(tǒng)還需具備強大的穩(wěn)定性，確保在一次側(cè)流量出現(xiàn)波動時，二次側(cè)仍能維持穩(wěn)定的供液溫度，以保障整體散熱效能與設(shè)備安全（如下圖）。

2) 供液流量

冷板液冷系統(tǒng)的供液流量設(shè)計是確保高效散熱與穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。CDU（冷量分配單元）在此過程中扮演著核心角色，負責精確調(diào)控一次流體與二次流體的流量。具體而言，二次流體需維持穩(wěn)定的流速進入IT設(shè)備，以在設(shè)備滿載時能夠有效從冷板中帶走所有熱量，保持IT入口溫度的恒定。同時，一次流體的流量則根據(jù)需散熱的熱量動態(tài)調(diào)整，并依據(jù)CDU的接近溫度（ATD）進行調(diào)整。

為了確保流量控制的精準性，系統(tǒng)要采用壓差控制并輔以實時監(jiān)控，以確保系統(tǒng)中的泄漏不會導致壓力下降。此外，通過CDU內(nèi)泵與電源的冗余設(shè)計，系統(tǒng)能夠在關(guān)鍵業(yè)務(wù)場景下保障流量的連續(xù)供應(yīng)，進一步提升整體系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

3) 過濾要求

冷板液冷系統(tǒng)要求冷卻液順暢通過冷板內(nèi)極其微小的通道，這些通道的寬度可精細至僅27微米。堵塞不僅會限制流量，甚至可能完全中斷IT設(shè)備的冷卻，導致維護成本急劇上升，因此系統(tǒng)對冷卻液的過濾精度提出了嚴格標準。通常，這一精度需低于冷板通道的最小尺寸，業(yè)界經(jīng)驗傾向于采用25微米或更細的過濾級別。此外，為確保系統(tǒng)長期保持清潔狀態(tài)，CDU（冷量分配單元）需持續(xù)進行在線過濾，這是維護系統(tǒng)高效運行與延長使用壽命的關(guān)鍵措施。

4) 流體選擇

在設(shè)計冷板液冷系統(tǒng)的初期，選擇合適的流體化學成分及可靠的供應(yīng)商非常重要。一旦確定流體策略，后續(xù)的任何更改都將涉及繁瑣且成本高昂的清洗與凈化過程。此外，流體的選擇還會在調(diào)試階段帶來顯著復(fù)雜性，包括循環(huán)測試、雜質(zhì)沖洗以及系統(tǒng)氣泡的排除，這些工作對于每臺服務(wù)器及整體解決方案的順利運行都至關(guān)重要。在整個系統(tǒng)使用周期內(nèi)，對液體的持續(xù)關(guān)注同樣不可或缺，需定期進行pH值、外觀、抑制劑濃度及污染物水平的檢測，以確保其性能穩(wěn)定與系統(tǒng)的持續(xù)高效運行。同時，所有冷卻液均需遵循嚴格的存儲與處理規(guī)范，并配備適當?shù)膫€人防護設(shè)備以保障操作安全。

在冷板液冷系統(tǒng)的二次側(cè)流體選擇中，存在三種主流方案。首先，去離子水配方液換熱效果優(yōu)越，然而其腐蝕風險不容忽視，需采取額外措施加以防范。其次，乙二醇配方液雖具備一定的防腐能力，但其毒性相對較大，且在環(huán)保要求較高的地區(qū)，其排放處理成為一大現(xiàn)實問題。最后，丙二醇配方液作為Intel、Nvidia等業(yè)界巨頭推薦的選擇，由于其防腐效果更好，成為眾多用戶信賴的優(yōu)選方案。

在選擇時，需綜合考慮流體性能、成本、環(huán)保要求及安全性等多方面因素，以做出最適合自身需求的決策。

5) 故障預(yù)防和檢測

在冷板液冷系統(tǒng)中，除了二次流體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他傳感器的監(jiān)測外，CDU的嚴密監(jiān)控與管理是預(yù)防并盡早發(fā)現(xiàn)故障的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心尤為關(guān)注泄漏問題，大部分泄漏案例發(fā)生在manifold與服務(wù)器軟管快速斷開附件處，對IT設(shè)備影響很小。但服務(wù)器機箱內(nèi)部的泄漏，特別是發(fā)生在內(nèi)部manifold、軟管與冷板之間的泄漏，則對IT設(shè)備構(gòu)成重大威脅。因此，實施額外過濾與傳感器在內(nèi)的防錯系統(tǒng)至關(guān)重要，這些措施不僅能在熱交換性能下降時提供預(yù)警，還能有效遏制人為錯誤導致的污染物增加或液體質(zhì)量漏檢風險，從而全面提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

節(jié)選自《智算中心液冷技術(shù)發(fā)展報告（2024 版）》

該報告深入分析液冷技術(shù)在智算中心的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)發(fā)展和未來趨勢。旨在為智算中心的規(guī)劃和建設(shè)提供參考，幫助行業(yè)同仁更好地理解和應(yīng)用液冷技術(shù)，推動AI行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。