液气双通道散热技术-领跑数据中心液冷标准

液/气双通道散热技术，领跑数据中心液冷标准中国移动南方基地林湧双数据中心散热技术发展趋势与特点2数据中心液冷时代已经来临1液/气双通道散热技术成果与应用3一、数据中心能效问题突出近年来，随着云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的高速发展，全球数据规模呈指数性增长，数据中心必将迅猛增长。2018年，我国数据中心总用电量为1609亿千万时，占全社会用电量的2.35%，是典型的能耗大户；平均PUE值约为2.2，能效问题突出。要实现行业的绿色健康发展，需要数据中心提升能效、降低能耗。耗电量,2011年,568.8耗电量,2012年,664.5耗电量,2013年,772.1耗电量,2014年,876.8耗电量,2015年,987耗电量,2016年,11082023.7（预测）2945.8（预测）中国数据中心耗电量分析（单位kW·h）二、国家宏观政策要求趋严年初，三部委联合出台的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》，对新建数据中心提出了严格的PUE管控要求。上海要求PUE低于1.3，深圳鼓励PUE低于1.25，而且各地区由于绿色发展指标管控的需要，对新建数据中心的行政审批非常严格。因此，传统风冷技术已经难以适应新时期数据中心绿色发展的政策要求，特别是无法满足粤港澳大湾区、海南自贸区等高温高湿的南方地区的数据中心建设需要。数据中心散热技术亟待革新，由此催生了液冷技术的兴起。2019年1月工信部、国管局、能源局要求：PUE低于1.42018年9月北京市政府要求：PUE低于1.42019年1月上海市政府要求：PUE低于1.32019年4月深圳市政府鼓励：PUE低于1.25三、5G时代关键元器件发热量飙升当前，芯片的发展趋势呈现由低频向高频、由单核向多核演变的特点；与此同时，热设计功耗也从最开始的几十瓦上升到三百瓦以上，对散热技术提出了更高的要求。随着关键元器件的热流密度快速提升，数据中心发热量越来越大。因此，以液冷技术为代表的精准高效散热技术的应用迫在眉睫。四、数据中心液冷时代已经来临从数据中心能耗、国家宏观政策以及关键元器件散热要求可以看出，传统技术模式已经难以适应发展要求，采用全面革新的液冷技术势在必行，数据中心已经进入液冷时代。数据中心散热技术发展趋势与特点2数据中心液冷时代已经来临1液/气双通道散热技术成果与应用3一、数据中心散热技术（1/2）：单通道散热技术为解决数据中心能效低下问题，业界开展了卓有成效的探索实践。总体而言，数据中心散热技术主要分为单通道散热和双通道散热两种。其一，单通道散热技术是指通过单一换热介质对IT设备进行冷却，包括单通道气冷和单通道液冷两类。浸没式相变液冷模块级机房级机架级行间空调热管/水冷背板（前门）精密空调单通道散热技术单通道气冷：通过空气散热，主要技术有三类，机房级空调气冷、模块级空调气冷和机架级空调气冷。单通道液冷：通过液体散热，主要技术有三类，浸没式相变液冷、浸没式非相变液冷和喷淋式液冷。浸没式非相变液冷喷淋式液冷双通道散热技术（液冷+气冷）根据液冷通道的换热介质是否进入服务器，可分为：直接散热和间接散热；根据液冷通道换热介质的不同，可分为：水冷散热和非水冷散热；因此，双通道散热技术具体可分为四类：直接水冷、间接水冷、直接非水液冷、间接非水液冷。热管间接水冷水管直接水冷间接非水液冷直接非水液冷一、数据中心散热技术（2/2）：双通道散热技术其二，双通道散热技术则充分结合数据中心IT设备的热场特征，由液冷通道对高热流密度元器件进行精准散热，带走绝大部分热量；由气冷通道对低热流密度元器件进行散热，带走剩余热量。二、数据中心散热技术衡量要素和推广应用条件不同类型的散热技术各有特点，且适用于不同的场景。衡量一项散热技术是否可行，主要从可靠性、能效、经济性、资源利用率、运维便捷性等要素进行评价；除此之外，一项技术能否规模推广，还必须具备产品化、标准化等条件。指标衡量要素可靠性对普通风险隐患，是否可管可控；是否存在致命隐患能效能效指标（如PUE）是否优异投资单位业务容量数据中心投资是否节省成本单位业务容量数据中心成本是否降低资源利用率能否提高数据中心的资源利用率选址选址是否受地理环境的限制运维便捷性运维是否便捷，可维护、可管可控产品化产品体系是否成熟标准化是否形成行业标准甚至国家标准数据中心散热技术发展趋势与特点2数据中心液冷时代已经来临1液/气双通道散热技术成果与应用3一、液/气双通道散热技术架构为推动行业绿色发展，中国移动南方基地在2012年牵头研发了液/气双通道散热技术，在液冷通道采用“间接水冷”，在气冷通道采用“空调气冷”，并且通过市电直供服务器，减少转换损耗。历经七年的科研探索和攻关，成功完成了关键技术突破、系统集成测试、商用部署“三步走”，实现了关键技术全面革新突破。液/气双通道散热技术架构关键技术突破液/气双通道联动分控散热新模式低温宽域（10-45℃）大功率铜水热管低流阻的双面并联微通道高效换热水冷板防腐防垢与热插拔无泄漏供回水管路均衡供冷的机架级配水设计液/气双通道协同控制精准散热的智能管理系统2016年，中国移动南方基地应用“液/气双通道散热技术”，建成投产新一代绿色数据中心。经工信部电子五所赛宝实验室权威检测，该绿色数据中心安全可靠性高、整体性能优异，各项指标达到设计要求，全年平均PUE值1.15，取得了良好效果。二、商用液/气双通道数据中心（1/2）南方基地商用新一代绿色数据中心赛宝实验室节能评估报告新一代绿色数据中心自2016年建成至今，服务器运行正常，承载业务稳定。在广州高温高湿的气候条件下，2016-2018年CPU温度基本稳定在35℃-50℃；满载测试期间，CPU温度最大值54℃，远低于安全工作温度上限（82℃，视不同CPU型号而定）。二、商用液/气双通道数据中心（2/2）大气湿球温度日最大值大气湿球温度最高值30℃服务器CPU温度日最大值CPU0最高温度CPU1最高温度CPU温度最高值44℃数据来源：中国移动南方基地新一代绿色数据中心2018年监测数据大气湿球温度日最大值三、液/气双通道散热技术特点与优势经过多年应用验证，本技术安全可靠性高、散热效果显著、建设和运营成本低、资源利用率高、运维便捷。同时，已成功研制出全系统解决方案和全专业产品体系，并联合产业链上下游21家知名单位发布了国内首套液冷技术标准，具备规模推广的条件。指标技术特点可靠性水不进入服务器，服务器内不存在漏水隐患；分散部署，单点故障不会引起数据中心整体宕机。能效可降低PUE值到1.15以下，节省能耗45%以上，能源效率高。投资散热系统配电需求大幅降低，空调配电部分投资节省60%以上；散热系统整体投资与传统模式持平，随着产业链成熟将逐步降低成本可节省能耗45%以上，大幅降低电费成本资源利用率消除热岛效应，单机架功率可提高至30kW，提升5-10倍装机容量，提高机房资源利用率。选址不受气候、地理条件限制，可在全国绝大部分地区进行部署，均可实现PUE值在1.15以下。运维便捷性数据中心系统简化，基本去除空调主机，降低维护难度，减少维护工作量15%以上产品化研制出全系统解决方案和全专业产品体系，核心技术自主可控标准化由工信部节能与综合利用司提出、中国电子学会立项，发布国内第一套数据中心液冷技术标准四、技术成果获得支持与认可本技术成果通过工信部组织的科技成果鉴定，被由7位院士及12位业界专家组成的鉴定委员会一致鉴定为“有重大创新，达到国际领先水平，具有广阔的推广应用前景”，还获评国家工业转型升级资金绿色制造工程重点项目及首批国家绿色数据中心单位，入选发改委《国家重点节能低碳技术推广目录》和工信部《绿色数据中心先进适用技术产品目录》。国家工业转型升级重点项目国家绿色数据中心名单国家重点节能低碳技术推广目录工信部组织院士专家鉴定的意见绿色数据中心先进适用技术产品目录五、第二代液/气双通道散热技术科研进展科研平台为进一步提升液/气双通道散热技术节能效果，实现系统在无压缩机条件下的全自然冷却，南方基地积极推进第二代技术研发并取得关键突破。目前，全面完成小温差高效气冷散热系统研发，即使在南方高温高湿地区也可实现PUE值降低至1.1以下，正在开展全面测试和验证，明年将推动相关技术标准发布。第二代液/气双通道散热技术架构六、产业化应用前景广阔从应用领域来看：既可大量应用在边缘数据中心，也可应用在中大型枢纽数据中心；既可应用在通信、互联网、电子信息等行业，也可应用在超算、国防军工等领域。从应用区域来看：可优先应用在南方高温高湿地区，如粤港澳大湾区、海南自贸区、海峡西岸经济区等重点区域的数据中心，有力支撑区域经济和智慧社会发展；若在全国全面推广应用，新建/改建的数据中心平均PUE将降至1.15以下、节省能耗45%以上，助力行业和地方社会经济绿色发展。其他方面的应用：针对5G基站等不具备液冷条件的户外信息设施，利用热管高效传热特点，将高功耗、高热流密度元器件的热量带出，并通过扩大散热面积，实现全自然散热，从而为5G基站等户外信息设施的散热提供新的解决方案。集装箱式边缘数据中心雷达5G基站大型数据中心5G时代，自动驾驶、远程医疗、智能工厂、智慧城市等应用场景需要高可靠、低时延的信息交互，数据中心既要贴近场景、贴近应用、贴近用户，又要提供强大的集中运算能力。由于高热流密度电子元器件高效散热的技术通用性，本技术成果可在不同领域和区域进行大规模推广应用。