数据中心冷却液

全文导览：
1. 数据中心简介
2. 数据中心能耗问题
3. 数据中心制冷方式及评价标准
3.1 冷板方法简介
3.2 浸没式冷却液简介
4. 总结

1. 数据中心简介
数据中心（Internet Data Center，简称IDC）是互联网基础设施的核心，它们承担着存储、处理和管理海量数据的重要任务，对于支撑现代社会的数字运作具有不可或缺的作用，并逐渐成为现代社会基础设施的一部分。

2. 数据中心能耗问题
AI的快速发展与我国产业现代化建设的不断推进带动数据中心算力需求大幅提升。过去十年间，我国数据中心整体用电量以每年超过10%的速度递增，其耗电量在2020年突破2000亿千瓦时，约占全社会用电量的2.71%。其中冷却系统能耗占总能耗的40%左右。[1] 温控系统是数据中心的重要组成部分。IT设备在进行数据运算、存储和交换的过程中同时产生大量的热量，随着芯片性能的提高，数据中心热流显著升高。国际能源署预计，2024年数据中心电力消耗量将比2023年增长30%。提高数据中心冷却效率，降低能耗对实现“双碳”目标至关重要。

3. 数据中心制冷方式及评价标准
数据中心制冷方式可大体区分为风冷和液冷。传统的风冷方式利用空气进行热量交换，成本较低，但由于空气比热容小等原因，已逐渐无法满足数据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，根据发热部件与冷却液是否直接接触，可分为直接液冷和间接液冷。直接液冷包含喷淋式液冷和浸没式液冷，根据冷却液是否发生相变又可以将浸没式液冷分为单相浸没式液冷和双相浸没式液冷。间接液冷包含冷板式液冷方法。
PUE是评价数据中心能源效率的指标，PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗，基准是2，PUE值越接近于1，表示数据中心的绿色化程度越高。

3.1 冷板方法简介
冷板式液冷主要通过铜、铝等高导热金属构成的封闭腔体将芯片、CPU/GPU、内存等高热密度元器件的热量间接传递给封闭在循环管道中的冷却液体，然后利用冷却液体将热量带走，其根据工作流体的传递特点将中间热量运输到后端进行冷却，通过一次侧和二次侧的结合实现了冷板式液冷系统的整机液体循环，进而达到为IT设备散热的目标。相比于风冷，PUE可以从1.5将至1.2左右。冷板法的硬件（CPU、CDU）不直接接触冷却液，因此系统兼容性好，散热效果比风冷好，且噪音少。但冷板式冷却液也面临一定的挑战，包括定制设计、制造、维护成本高，漏液问题，覆盖程度直接决定散热效率等问题。
数据中心冷板式液冷主要使用乙二醇、丙二醇和去离子水作为冷却液。乙二醇、丙二醇通常以20%到30%的浓度使用，这个浓度的选择是基于平衡散热性能和防冻、抑制微生物滋生的需求。适用于乙二醇型、丙二醇型冷却液的测试方法有：YD/T 3982 数据中心各类冷却液、T/CCSA 274 数据中心各类冷却液、GB 29743.2 新能源车冷却液。
去离子水‌也是一种常见的冷却液选择，它具有良好的传热性能且无毒安全。然而，去离子水需要添加缓蚀剂和杀菌剂以防止铜腐蚀和细菌滋生。去离子水的冰点为0℃，因此在某些特定条件下需要考虑防冻问题。

3.2 浸没式冷却液简介
浸没式液冷技术的工作原理‌主要涉及将发热的电子设备或电池直接浸泡在具有良好热传导性和电绝缘性的液体中，通过液体吸收设备运行时产生的大量热量，然后通过液体与外部环境的热交换完成热量的排出，从而实现对设备的冷却。这种技术利用液体的高比热容和热传导率，相比传统的空气冷却方式，能够更有效地传递热量，并且不需要风扇等空气搅动设备，从而降低了运转噪音。浸没式液冷技术使用的液体通常是合成氟化液、矿物油或其他绝缘液体，这些液体具有良好的热传导性能，同时也是电绝缘体，不会导致IT设备短路。
浸没式液冷技术在数据中心中的应用尤为广泛，通过将服务器整体浸泡在特殊设计的液体中，有效地降低了数据中心的能耗比，即PUE值，为数据中心提供了绿色节能的能力。这种技术通过直接接触的方式将热量从服务器内部转移到外部液体中，避免了传统风冷方式中由于空气流动不畅导致的散热效率低下问题。此外，浸没式液冷技术还适用于锂离子电池的冷却，通过将电池浸泡在冷却液中，吸收电池产生的热量，然后通过液体与外部环境的热交换完成热量的排出，实现对电池的有效冷却‌。
浸没式冷却液遇到的挑战有：机房部署成本高，想从原来风扇或冷板散热升级成浸没式液冷，几乎重新投资新建一个场地。运维成本高。冷却液成本高。有安全隐患，以氟化液为例，氟化液稳定性好，所以无法自然降解，在自然界和人体长久累积。生产氟化液时产生严重环境问题。使用中会挥发，不可避免的对人健康造成影响。
单相浸没法（one-phase）的冷却液沸点较高，冷却时不发生相变，目前此方案占比超过90%。在单相浸没式液冷中，电子部件直接浸没在液体中，热量从电子部件传递到液体中，通过循环泵将加热的冷却液流到热交换器中冷却，并循环回到容器中，维持液态进行散热。这种技术不仅提高了系统的可维护性，还因为其散热效率相对较低，不需要频繁补充冷却液或频繁更换服务器组件。单相浸没式冷却液类型有氟化液、合成油、改性硅油。氟化液主要为碳氟氧化合物，具备流动性好、不导电、结构稳定、不燃烧等特点；合成油及矿物油以其卓越新能，现属于快速发展阶段；改性硅油即有机硅具有闪点高、兼容性好等优势。适用于浸没式液冷系统单相冷却液（矿物油/合成油/硅油）的方法有：YD/T 3982 数据中心各类冷却液技术要求和T/SHSIC 0202数据中心浸没式液冷系统单相冷却液要求。
双相浸没法（two-phase）的冷却液沸点低，通过液态-气态相互转变带走热量，效率更高，液体汽化吸收大量的能量。此方案目前市场占比小于10%。 双相浸没式冷却液使用低沸点氟化液，其PUE效能最好。在使用过程中，冷却液经历气态-液态的反复循化，因此需要做气密处理。冷却液在运行过程中产生大量气泡，会撞击部件，对芯片产生影响。并且也具有泄漏的风险。
半导体领域对氟化液有巨大需求，一方面，随着新能源汽车、工业制造、新一代移动通讯、新能源及数据中心等新兴市场的发展，全球对晶圆的需求量不断增长。圆晶新厂厂房和产线投产首次需充注大量的氟化叠加日常生产时的损耗补充，进而拉动氟化液需求。另一方面，清洗工艺步骤不断增加，清洗工艺变得更加复杂和重要，同样会拉动氟化液需求的增长。适用于浸没式冷却液碳氟类（氟化液）包括单相和双相冷却液的方法有：YD/T3982数据中心各类冷却液技术要求、T/CA 307 数据中心浸没液冷系统碳氟类冷却液技术要求和测试规范。T/CA 307提到：对累计运行1000h及以上时间的浸没式液冷服务器，随机抽取样品与未使用的同牌号样品，进行分析比较，判断冷却液长期可靠性。氟化液生产厂家行业内通常约半年一次进行检测。
氟化工原料萤石-主要成分-氟化钙（CaF2）。萤石作为一种重要的战略矿产资源，对于国家安全、国民经济和社会发展具有重要影响。随着科技的进步和环保意识的提高，萤石资源的合理开发和利用将变得更加重要。中国氟化液产业主要集中在：江苏常熟新材料产业园、东岳氟硅材料产业园（淄博）、淄博高青化工产业园、自贡川南新材料化工园区（四川） 、阜新氟产业开发区（辽宁）等。

4. 总结
2021年7月，工信部印发《新型数据中心发展三年行动计划(2021—2023年)》，指出“到2023年底，新建大型及以上数据中心电能利用效率（PUE）值降低到1.3以下，严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。”随着超大规模计算、超级计算、高性能计算、边缘计算、加密货币等领域对算力需求的上升以及对数据存储要求的提高，数据中心散热要求也随之提高，浸没式液冷将在超算中心等高密化场景得到进一步推广。预计到2025年，我国液冷服务器市场规模将达到1300亿元。其中，浸没式液冷市场占约530亿元，占比将超过40%。液冷数据中心对氟化液需求也将同步增长。预计2025年，氟化液在国内数据中心市场的需求有望超3万吨。[2]未来氟化液产品必将呈现多元化的发展态势，蓝海已现，未来可期！

[1] 2021年中国数据中心行业市场现状与发展趋势分析https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/210625-4d6806f4.html
[2] AI产业爆发有望拉动液冷数据中心较快发展 氟化液迎机遇https://news.qq.com/rain/a/20231023A00XRC00