大数据中心芯片级非接触液冷高效节能技术

瞄准新基建数据中心大规模发展过程中引发的高热流密度高能耗难题，提出数据中心芯片级非接触液冷高效节能技术，其核心原理是利用自主研发的高导热能力热管(热管导热能力是普通铜管的20~50倍)将服务器主要发热芯片的热量传到到服务器外部(一级热循环)，内循环热量工质通过中间换热器与外循环冷却工质进行热交换(二级热循环)，外循环受热工质最终通过外置冷却塔将热量散发到外界环境中(三级热循环)，如图1所示，可以有效减小65%精密空调数量，实现节能20%以上，最高可至40%。

图1 数据中心芯片级非接触液冷系统原理图

通过外部液冷循环系统的三级热交换快速带走芯片热量的方法，在满足PUE值降低至1.2以下这个主要目标的同时，与目前数据中心传统风冷散热技术、冷板式直接液冷以及喷射式和浸没式为代表的接触式液冷散热系统来说，成果具有绿色节能、技术先进、智能运行、安全可靠以及运维简单五大优势，具体如下：

(1)绿色节能

随着5G、物联网以及AI技术等新一代信息技术的快速演进，数据中心呈高热流密度高能耗的趋势发展，降耗节能成为新一代数据中心的主要发展方向。2017年1月国务院印发“十三五”节能减排综合工作方案，明确要求“新建大型云计算数据中心能源利用效率(PUE)值优于1.5”目标；2019年1月国家工信部发布《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》，指出新建大型、超大型数据中心的PUE值达到1.4以下。在国家政策下，北京、上海、深圳、杭州等地陆续推出各自的数据中心建设标准，2020年广东省工信厅[2020]73号文规定数据中心PUE<1.25优先建设。尽管各地方标准各不一样，但基本上都要求新建数据中心PUE限制在1.4以下。

目前现有风冷数据中心的PUE值普遍在12.0或以上，采用本项目的热管液冷技术可以将数据中心PUE值降低到1.2或以下，相当于在相同运算功耗下，本项目产品比现有风冷数据中心至少节省30%的能耗，实现在相同运算性能的前提下更加节能。

(2)技术先进

本团队主要从事热管研发，经历十余年的技术发展与不断改进，目前团队已经具有非常完善、成熟的热管设计与制造技术，目前在数据中心热管间接液冷系统及其核心部件方面申请了51项专利，其中国际PCT1件，发明专利25件，实用新型专利19件和软件著作权7件。

本研究团队联合中国移动以及多家企业攻关，于2016年在中国移动南方基地进行了数据中心热管液冷散热系统应用示范，实现PUE值低于1.2，技术成熟。该应用示范项目经过工信部7位两院院士和12位业界权威鉴定，结论是数据中心热管液冷技术具有国际领先水平。

(3)智能运行

本项目开发的液冷系统能实时采集CPU负载、服务器发热状态，环境温度等信息，依据这些信息，智能化分配冷却液流量配比，动态调节液冷系统的循环水泵、散热风机等转速，以最低的运行功率满足服务器的散热需求。与服务器联动，自动与服务器同步开启或关闭。运维人员可远程实时监控机房运行状态，运行的异常状态还可通过短信、小程序等渠道及时通知运维人员。另外，建立云端数据库，让运维人员可查询历史运行数据，通过历史大数据，还能提前预警可能的失效风险，让运维人员可提前进行检修。

(4)安全可靠

冷板式直接液冷是目前数据中心应用较多的液体冷却方式，即通过泵驱动冷却工质流过与芯片直接接触的管道进行热交换进而带走芯片上的热量，但冷却工质直接进入服务器内部流动，容易引起泄露而导致整个服务器损坏，这种安全隐患是目前服务器用户最不能接受的，也成为冷板式直接液冷推广应用的最大阻碍。

本项目产品通过高效传热元件热管将服务器主要发热芯片的热量传到服务器外部，然后通过外置式液冷循环系统将热量快速带走，避免液体工质与电子设备的直接接触，减少液体工质对电子设备的腐蚀，降低由于直接接触而造成电子设备短路等风险。

另外，采用间接液冷技术，冷却液不进入服务器内部，可以有效避免液体泄漏导致电子设备损坏的风险，产品更加安全可靠。

(5)运维简单

目前喷淋式和浸没式等为代表的接触式液体冷却技术在数据中心均有商业部署应用实例，喷淋式液冷是将非导电液体直接喷射在服务器主板上，浸没式液冷则是将整个服务器浸泡在装有非导电液体的专有机箱内。但接触式液冷系统需要采用专用服务器机箱，系统复杂导致改造困难和后期运维复杂，同时受液冷系统部署和改造方面的成本较高、芯片或服务器厂商的技术协议等原因影响，接触式液体冷却系统目前在数据中心冷却领域应用推进缓慢。

本文标题：大数据中心芯片级非接触液冷高效节能技术

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