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

作者:兰洋科技    浏览量:4789    时间:2023年05月08日    标签: 冷却液 电子氟化液

一、算力持续增加对散热技术提出新要求,液冷是有效解决方案

随着人工智能云计算大数据以及区块链等技术的创新发展,以高速率、低时延和大连接为特点的 5G 通信时代到 来,作为信息基础设施的数据中心及通信设备承担的计算量越来越大,对计算效率的要求也越来越高。为了应对网络 处理性能的挑战,数据中心服务器及通信设备不断提升自身处理能力和集成度,带来了功率密度的节节攀升。这些变 化除了带来巨额能耗问题以外,高热密度也给制冷设备和技术提出了更高要求。传统风冷技术面对高热密度场景呈现 瓶颈,散热效率已经跟不上计算效率。在此背景下,液冷技术以其超高能效、超高热密度等特点引起行业的普遍关注, 液冷技术是解决散热压力和节能挑战的必由之路。

1、算力持续增加对芯片散热要求更高,液冷是解决散热压力和节能挑战的必由之路

算力持续增加促进功率密度增长,对制冷技术提出新的要求。算力的持续增加促进通讯设备性能不断提升,芯片功耗 和热流密度也在持续攀升,产品每演进一代功率密度攀升 30~50%。当代 X86 平台 CPU 最大功耗 300~400W,业界 最高芯片热流密度已超过 120W/cm2;芯片功率密度的持续提升直接制约着芯片散热和可靠性,传统风冷散热能力越 来越难以为继。芯片功率密度的攀升同时带来整柜功率密度的增长,当前最大已超过 30kW/机架;对机房制冷技术也 提出了更高的挑战。液冷作为数据中心新兴制冷技术,被应用于解决高功率密度机柜散热需求。

双碳政策下数据中心 PUE 指标不断降低。近年来,在“双碳”政策下,数据中心 PUE 指标不断降低,多数地区要求 电能利用效率不得超过 1.25,并积极推动数据中心升级改造,更有例如北京地区,对超过规定 PUE 的数据中心电价 进行加价。

制冷系统在典型数据中心能耗占比 24%,降低制冷系统能耗是降低 PUE 的有效方法。算力的持续增加,意味着硬件 部分的能耗也在持续提升;在保证算力运转的前提下,只有通过降低数据中心辅助能源的消耗,才能达成节能目标下 的 PUE 要求。制冷系统在典型数据中心能耗中占比达到 24% 以上,是数据中心辅助能源中占比最高的部分,因此, 降低制冷系统能耗能够极大的促进 PUE 的降低。有数据显示,我国数据中心的电费占数据中心运维成本的 60-70%。 随着服务器的加速部署,如何进一步降低能耗,实现数据中心绿色发展,成为业界关注的焦点。

液冷技术能实现极佳节能效果。近年来,为了降低制冷系统电能消耗,行业内对机房制冷技术进行了持续的创新和探 索。间蒸/直蒸技术通过缩短制冷链路,减少过程能量损耗实现数据中心 PUE 降至 1.15~1.35;液冷则利用液体的高 导热、高传热特性,在进一步缩短传热路径的同时充分利用自然冷源,实现了 PUE 小于 1.25 的极佳节能效果。

2、风冷是最成熟冷却方案之一,但仍存在多项不足

目前风冷技术是数据中心最为成熟和应用最为广泛的冷却方案之一。它通过冷/热空气通道的交替排列实现换热。机 架产生的热空气由机房空调CRAC)或者机房空气处理单元(CRAH)产生的冷空气进行冷却,冷空气通过地下的 通风口输送至机架间的冷空气通道。其中,CRAC 采用制冷剂为媒介进行冷却,而 CRAH 则采用水-空气换热器对 水进行冷却。 在典型的风冷数据中心中,所有服务器机架均呈行排列。通过 CRAH 或 CRAC 单元冷却的空气通过地下通风通道进 入数据中心房间后,扩散经过服务器,吸收服务器产生的热量后进入热风通道,从而回到 CRAH 或 CRAC 单元。因 此,风冷技术会同时冷却服务器机架内的所有电子器件。

风冷技术存在低密度和相对较低的散热能力的不足。这对于高性能计算HPC)应用尤为明显。此外,风冷技术还有 以下不足: 1)热点。由于缺乏合适的空气流量控制系统,服务器设备产生的热量和冷空气换热不均匀,容易在服务器机架之间 和内部形成局部热点。因此,为了充分消除这些热点,需要对数据中心进行过度冷却,从而额外增大了能耗。 2)机械能耗。在冷却过程中,很大一部分电能用于驱动风机和泵,从而实现空气和水的循环。 3)环境匹配性。为了维持数据中心运行稳定,采用风冷技术的系统通常需要常年不间断运行。因此,即使在冬季, 室外温度较低,也需要维持数据中心的冷却循环,不利于节能。 4)占用空间大。要达到有效冷却,数据中心通常需要大量的空间来放置空调和服务器机架。

3、相较于风冷,液冷具有低能耗、高散热、低噪声、低 TCO 等优势

液冷通过液体代替空气,把热量带走。液冷是通过液体代替空气,把 CPU、内存等 IT 发热器件产生的热量带走,就 好似给服务器局部冷却、整体“淋浴”甚至全部“泡澡”。根据目前技术研究的进程,将液冷分类为了水冷和冷媒冷 却。可用冷媒包括水、矿物油、电子氟化液等。

液冷具有低能耗、高散热、低噪声、低 TCO 等优势。液体的冷却能力是空气的 1000~3000 倍。液冷技术可实现高 密度、低噪音、低传热温差以及普遍自然冷却等优点,相对于风冷技术具有无法比拟的技术优势,是一种可以适用于 需要大幅度提高计算能力、能源效率和部署密度等场景的优秀散热解决方案。

(1)低能耗

传热路径短:低温液体由 CDU(冷量分配单元)直接供给通讯设备内; 换热效率高:液冷系统一次侧和二次侧之间通过换热器实现液液换热;一次侧和外部环境之间结合风液换热、液液换 热、蒸发汽化换热三种形式,具备更优的换热效果; 制冷能效高:液冷技术可实现 40~55℃高温供液,无需压缩机冷水机组,采用室外冷却塔,可实现全年自然冷却;除 制冷系统自身的能耗降低外,采用液冷散热技术有利于进一步降低芯片温度,芯片温度降低带来更高的可靠性和更低 的能耗,整机能耗预计可降低约 5%。

(2)高散热

液冷系统常用介质有去离子水、醇基溶液、氟碳类工质、矿物油或硅油等多种类型;这些液体的载热能力、导热能力 和强化对流换热系数均远大于空气;因此,针对单芯片,液冷相比于风冷具有更高的散热能力。同时,液冷直接将设 备大部分热源热量通过循环介质带走;单板、整柜、机房整体送风需求量大幅降低,允许高功率密度设备部署;同时, 在单位空间能够布置更多的 ICT 设备,提高数据中心空间利用率、节省用地面积。

(3)低噪声

液冷散热技术利用泵驱动冷却介质在系统内循环流动并进行散热,解决全部发热器件或关键高功率器件散热问题;能 够降低冷却风机转速或者采用无风机设计,从而具备极佳的降噪效果,提升机房运维环境舒适性,解决噪声污染问题。

(4)低 TCO

液冷技术具有极佳的节能效果,液冷数据中心 PUE 可降至 1.2 以下,每年可节省大量电费,能够极大的降低数据中 心运行成本。相比于传统风冷,液冷散热技术的应用虽然会增加一定的初期投资,但可通过降低运行成本回收投资。 以规模为 10MW 的数据中心为例,比较液冷方案(PUE1.15)和冷冻水方案(PUE1.35),预计 2.2 年左右可回收 增加的基础设施初投资。

通过将传统风冷、冷板式液冷和单相浸没液冷对比,浸没式液冷功率密度最高,机柜数量和占地面积最小,冷却能耗和冷却电费最低;而风冷的功率密度最低,机柜数量和占地面积最大,冷却能耗和冷却电费最高;冷板式液冷居中。

液冷系统通用架构:室外侧包含冷却塔、一次侧管网、一次侧冷却液;室内侧包含 CDU、液冷机柜、ICT 设备、二 次侧管网和二次侧冷却液。

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。

三、冷却液为液冷技术关键材料,市场需求有望大幅提升

液体冷却剂是液冷技术的关键因素之一。在浸没式(接触式)液冷技术应用中,除了硬件设备要求,液体冷却剂也是 最为关键的因素之一。对于合适的接触式液冷冷却剂,它要求:1)良好的热物理性质。高热传导系数和比热容、低 黏度,相变则需要高的汽化潜热。2)低凝固点和膨胀系数。3)单相液冷需要高沸点。4)两相液冷需要合适的沸点 和窄的沸程范围。5)对电子器件具有良好的化学和热稳定性。6)高闪点和自燃温度。7)对系统材料(金属、非金 属和其他有机物无腐蚀性。8)不需要或仅需要最低限度的监管限制(环境友好、无环境毒害、可生物降解等)。9) 经济性。

冷却液主要可分为氟化学物质(或氟碳化合物)和烃类(例如矿物油、合成油和天然油)。需要使用沸点较高(高于 系统的最高温度)的液体以确保液体保持在液相状态。在选择不同氟化学物质和烃类之间做出决策时需要考虑以下因 素:热传递性能(稳定性和可靠性等),IT 硬件维护的便利性,液体卫生和更换需求,材料兼容性,电气特性,易燃或易燃性,环境影响,安全相关问题和罐或数据中心使用寿命期间的总液体成本。 烃类作为冷却液,具有不易兼容、易燃、相对粘稠、易蒸发等缺陷。烃类(例如矿物油,合成油和天然油)主要由氢 和碳组成,但它们也可能含有氮和/或氧。这些材料容易溶解烃基聚合物,因此它们不太可能与粘合剂,弹性体和热 界面材料兼容。此外,大多数烃类可燃和/或易燃。因此,对于许多应用,特别是在双相浸没冷却中,烃类可能对安 全和基础设施构成不可接受的风险。具有足够高沸点和闪点的烃类流体可以用于某些单相应用,但它们的缺点是相对 粘稠(尤其是在低温下),且从容易从硬件中蒸发出来。

目前,芳香族物质、硅酸酯类(25R)、脂肪族化合物、有机硅及氟碳化合物等都被尝试应用于直接接触冷却。由于 氟碳类化合物具有合适的介电常数、比热容、稳定性及安全性,是最为常见的和受欢迎的电子设备液体冷却剂之一。

氟化液具有良好导热性、电绝缘、化学惰性,适用于浸没液冷系统。氟化液是一种热稳定全氟液体,由于氟化液的化 学惰性,所以可以用于单相或者两相的冷却液,用于超级计算机系统和军用的敏感电子元器件。氟碳化合物主要包含 氟和碳元素,可能还包含氢,氮和/或氧。在有机化学中,碳和氟之间的键被称为最强的单键,这就是氟碳化合物表 现出高化学和热稳定性的原因。氟化冷却剂具有化学惰性,接触时不会腐蚀电子元件。使用后无需特殊清洁程序。同 时,由于其良好的导热性,它也被用作稳定的冷却剂。氟化冷却液可广泛实现物质兼容,具有良好的介电常数和强度, 可实现电性能绝缘性,具有完备的毒性数据、完善的职业接触指导,可用于浸没液冷系统对 IT 设备进行冷却;适用 于数据中心的新建和改造,不含 nPB、HAP、三氯乙烯、全氯乙烯等受限物质以及 26 种电子设备常见的有害物质, 臭氧消耗潜能值(ODP)为零。

全氟碳化合物最适合用于数据中心冷却液,市场需求有望大幅提升。根据碳氟化合物的组成成分和结构不同,可再分 为氯氟烃(CFC)、氢代氯氟烃(HCFC)、氢氟烃(HFC)、全氟碳化合物(PFC)、氢氟醚(HFE)等种类。目前 CFC 种类已全球淘汰;HFC 在 20 世纪 90 年代被开发出,用于替代氢氯氟碳(HCFC)和其他破坏臭氧层的物质, 部分 HFC(如 HFC-365mfc)可被用于溶剂清洗应用,虽然其不破坏臭氧层,但全球变暖潜能值(GWP)较高。全 氟碳化合物(PFC)包含全氟烷烃、全氟胺、全氟聚醚(PFPE)等类型,在沸点和介电常数方面的特性较为适合半导体设备冷却场景,但也有温室效应影响;氢氟醚(HFE)的温室效应影响较小,对臭氧层无破坏,但通常具有较高 的介电常数,和印制线路板微带线或连接件直接接触时对信号传输影响较大。综合来看,全氟碳化合物是目前更适合 用于数据中心液冷系统的冷却液,随着数据中心的加速建设,氟碳冷却液市场需求有望大幅提升。

电子氟化液主要被国外垄断。在半导体制造过程中,为了在更小的工艺尺寸下获得精确的加工能力,在芯片生产的一 些环节需要使用冷却剂精确控制温度。由于半导体生产线通常是不间断运转,常通过电子级氟化液来进行恒温冷却, 以保障稳定运行。电子氟化液是半导体蚀刻工艺中晶圆表面控温的关键供应链原料,其生产技术难度大,品质要求苛 刻。目前电子氟化液主要被海外公司垄断,国内企业处于加速追赶状态,全球仅有美国 3M、索尔维等少数企业能提 供电子氟化液的冷却方案。

3M 冷却液主要分为两大类:1)以 3M™ Fluorinert™电子流体命名的全氟碳化合物(PFCs);2)以 3M™ Novec™ 工程流体命名的氢氟醚(HFEs)。其中,有一些型号适用于浸没式冷却,包括: 1)PFCs:型号为 FC-3283、FC-40、FC-43、FC-3284、FC-72 和 FC-70 的 3M™ Fluorinert™电子流体 2)HFEs:型号为 7000、7100、7200、7300、7500、7700 的 3M™ Novec™的工程流体。

1)3M™ Fluorinert™电子流体用于浸没式冷却

3M™ Fluorinert™电子流体为全氟碳化合物(PFCs),主要由碳和氟组成,但可能还含有氮和/或氧。这些流体无色、 无味、非油基和无腐蚀性,具有宽广的操作温度范围、低毒性、出色的热/化学稳定性以及优异的介电性能,可用于 单相或两相浸没冷却系统。它们由于其极低的介电常数和高介电强度而非常适合数据中心浸没式冷却。

2)3M™ Novec™ 工程流体用于浸没式冷却

3M™ Novec™工程流体主要用于热传递,包括两种类型的氟化学品:氟酮类(FK)和氢氟醚(HFE)。 3M 目前建 议使用 HFE Novec 流体进行数据中心液体冷却应用。Novec 液体是非油基的,毒性低,无腐蚀性,具有良好的材料 兼容性和热稳定性。Novec HFE 液体具有低全球变暖潜势(GWP)和零臭氧消耗潜势(ODP),为数据中心提供了 一种创新和可持续的解决方案,可用于单相或双相数据中心液冷(直接散热和浸没散热)应用。 Novec 液体和 Fluorinert 液体均没有闭杯闪点,因此它们在 GHS下不被分类为易燃液体。这为许多传热应用,包括 浸没式冷却提供了额外的安全元素。与具有高闪点的碳氢化合物不同,Novec 液体和 Fluorinert 液体在广泛温度范围 内都表现出低粘度,并且能够从任何表面干净蒸发。Novec 液体和 Fluorinert 液体具有不同的分子结构,但表现出 类似的性质,如非臭氧破坏、低毒性和低溶解度。 3M 退出市场,国内冷却液生产商迎来新的发展机遇。2022 年 12 月 20 日,因环保原因和原材料问题,美国 3M 宣 布将退出全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)的生产,并努力在 2025 年底前停止在其产品组合中使用 PFAS,预计 将对全球半导体冷却液市场产生重大影响,同时为国内企业加速追赶提供新的发展机遇。

本文标题: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

本文链接:https://www.blueocean-china.net/faq3/430.html
[版权声明]除非特别标注,否则均为本站原创文章,转载时请以链接形式注明文章出处。

全国统一服务热线
15336679905
Copyright ©2019-2023 兰洋(宁波)科技有限公司 版权所有
ICP备案:浙ICP备2021021247号