根據(jù)ColocationAmerica發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年全球數(shù)據(jù)中心單機柜平均功率將達到16.5kW，較之于2008年已經(jīng)增長了175%。賽迪顧問預(yù)測，隨著數(shù)據(jù)中心算力飛速提升，高功率單機柜將迅速普及，預(yù)計2025年，全球數(shù)據(jù)中心單機柜平均功率有望達到25kW。

1.“液冷數(shù)據(jù)中心”來襲，可幫您省億元電費！

2.21年7月27日，北京市發(fā)展和改革委員會官網(wǎng)發(fā)布《關(guān)于印發(fā)進一步加強數(shù)據(jù)中心項目節(jié)能審查若干規(guī)定的通知》（以下簡稱：通知）。通知顯示，即日起北京市內(nèi)新建、擴建數(shù)據(jù)中心若PUE值（評價源效率指標，理想值為1）超1.4，將被征收差別電價電費。伴隨新規(guī)定出臺，能耗大戶“數(shù)據(jù)中心”正迎來一場技術(shù)變革。

該規(guī)定意味擴建、新建PUE不達標數(shù)據(jù)中心，每年將付出數(shù)千萬、乃至上億元額外電費。這將促使，城市內(nèi)數(shù)據(jù)中心加速步入綠色、液冷時代。

1.1 PUE超標將多繳億元電費

通知顯示，北京市將進一步加強市范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心項目的節(jié)能審查，對于PUE>1.4且<=1.8的項目執(zhí)行的電價加價標準為每度電加價0.2元；對于PUE>1.8的項目每度電加價0.5元。

此外，北京市內(nèi)擴建數(shù)據(jù)中心，年能源消費量大于等于2萬噸標準煤且小于3萬噸標準煤的項目，PUE值不應(yīng)高于1.2；年能源消費量大于等于3萬噸標準煤的項目，PUE值不應(yīng)高于1.15。

以新建3000個標準機柜，單機柜平均功耗為18kW的中型數(shù)據(jù)中心為例。按北京市新規(guī)，其PUE值若超過1.4小于1.8，一年將支付差別電價電費9460萬元，若PUE值超過1.8則將支付差別電價電費2.36億元。

對目前的數(shù)據(jù)中心運營企業(yè)和單位來說，支付這些額外費用是難以承受的。而北京、深圳的數(shù)據(jù)中心規(guī)范和標準，對全國城市具有較強的示范作用。此外PUE值要低于1.4，數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱技術(shù)已難以滿足。

1.2 降PUE遇“風(fēng)冷”瓶頸

伴隨IT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心正快速成為新能耗大戶。

據(jù)報道，2018年全國數(shù)據(jù)中心總耗電量1500億千瓦時，占社會總用電量的2％。預(yù)計到2025年，這一占比將增加一倍達到4.05％。

高能耗的背后是PUE值的居高不下，據(jù)報道截至2019年年底，全國超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.46，大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.55。

冷卻計算設(shè)備耗能一直是導(dǎo)致高PUE值的直接原因，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷模式，將使一半能耗用于冷卻計算設(shè)備，其PUE值普遍在1.4以上。

最為關(guān)鍵的，伴隨CPU等核心計算芯片的功耗升高，風(fēng)冷模式下單機柜功率密度最高只能到30kW左右。

雖然芯片工藝制程不斷進步，但服務(wù)器端CPU、GPU功率已分別突破300W、400W大關(guān)。

伴隨人工智能等高密度計算場景增多，目前在運行數(shù)據(jù)中心不少單機柜功率早已突破30kW。

2 液冷技術(shù)的必要性

在數(shù)據(jù)中心行業(yè)，評價能耗水平的關(guān)鍵指標是電力使用效率（Power Usage Effectiveness），簡稱PUE，計算公式是：

PUE=總負載/IT負載

一個數(shù)據(jù)中心的PUE值越是接近1，則該數(shù)據(jù)中心的能耗則越低。但是因為數(shù)據(jù)中心機房總是需要額外的能耗來維持運轉(zhuǎn)，比如照明、冷卻和消防等等，那么這個數(shù)字就總是大于1。

降低PUE值是當前數(shù)據(jù)中心需要解決的迫切問題。隨著數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備和供電系統(tǒng)的高度集成化，機房的散熱量也在逐步升高，故而有強大的制冷系統(tǒng)來保證機房的溫度維持在一個合理范圍內(nèi)是非常必要的。現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心所消耗的電力僅有約1/3供給了IT負荷，而另外2/3則供給了散熱負荷。所以，降低IT設(shè)備的發(fā)熱量則可同時降低設(shè)備的散熱負荷，為數(shù)據(jù)中心節(jié)約大量電力，故而降低PUE值。

現(xiàn)在很多數(shù)據(jù)中心的設(shè)備的散熱采用的還是風(fēng)冷技術(shù)，即是用空調(diào)通過壓縮的冷風(fēng)把新鮮的冷風(fēng)持續(xù)灌入設(shè)備內(nèi)部，或通過IT設(shè)備上的風(fēng)扇來進行散熱。然而，風(fēng)冷卻有高能耗、低性能、高噪音的問題。采用液冷技術(shù)則很好地彌補了風(fēng)冷技術(shù)的短板，實現(xiàn)了低耗能、低噪音、和全年自然冷卻的效果。

2.1 液冷技術(shù)原理

與風(fēng)冷技術(shù)通過風(fēng)扇和壓縮制冷不同，液冷技術(shù)是利用工作流體作為熱量傳輸?shù)拿浇椋瑢崃坑蔁釁^(qū)傳遞到遠處再進行冷卻。由于液體比空氣的比熱容高，散熱速度也遠遠快過空氣，因此液冷的制冷效率遠高于風(fēng)冷，使數(shù)據(jù)中心的全年P(guān)UE值可下降到1.2以下。

液冷技術(shù)的制冷原理主要在于冷量傳輸?shù)耐緩讲町悾涿降娜珶釣轱@熱與潛熱之和。顯熱是液體在加熱或冷卻過程中，溫度升高或降低而所需吸收或放出的熱量時不發(fā)生相變；而潛熱則是為單位質(zhì)量的物質(zhì)在等溫等壓情況下，從一個相變化到另一個相（例如從液體變?yōu)闅怏w）時所吸收或放出的熱量。

與風(fēng)冷相比，液冷技術(shù)有三個優(yōu)勢：

·與風(fēng)冷那樣間接制冷不同，液冷技術(shù)允許冷卻劑直接導(dǎo)向熱源。

·與風(fēng)冷相比，因為液體比熱容較大，液冷的散熱效率比風(fēng)冷高1000-3000倍。

·液冷系統(tǒng)的噪音比風(fēng)冷系統(tǒng)小很多，既降低了噪音，同時也節(jié)省了風(fēng)扇和空調(diào)系統(tǒng)的電費和耗能。

·服務(wù)器CPU在低溫下計算性能和可靠性可顯著提高，大大增加了CPU的運算效率。

該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于高功率高密度的數(shù)據(jù)中心中服務(wù)器的散熱，為數(shù)據(jù)中心的散熱問題提供一個優(yōu)異的解決方案。

2.2 液冷數(shù)據(jù)中心刻不容緩

根據(jù)行業(yè)研究，采用液冷方式可以很輕松把數(shù)據(jù)中心PUE做到1.1左右，如果單機柜功率密度達到20KW時候，采用液冷技術(shù)就可以節(jié)能。

3.液冷數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢

除此之外，液冷數(shù)據(jù)中心還具備以下特點：

地理和環(huán)境條件無關(guān)

無論決定將地點設(shè)于何處，均可在全球范圍內(nèi)部署冷卻基礎(chǔ)架構(gòu)更為一致的數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心設(shè)計更簡單，擴展也更高效

使用更小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心和更簡單的數(shù)據(jù)中心拓撲結(jié)構(gòu)（例如，機械、電氣、網(wǎng)絡(luò)），可以更高效地擴展。消除對復(fù)雜氣流管理的需求，可以簡化數(shù)據(jù)中心的設(shè)計難度。

減少資本支出和運營費用

更大限度地減少或消除空冷基礎(chǔ)設(shè)施（例如冷水機組、CRAC、CRAH、PDU、RPP、電信/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、設(shè)施占地面積等），可以滿足新的工作負載需求，同時減少資本支出。隨著冷卻效率提高，輔助冷卻所需求的專用電力的成本就會降低。

降低用電效率指標（PUE）和水資源的使用

當用電效率指標低至1.03時，可以構(gòu)建更具能效、更可持續(xù)的數(shù)據(jù)中心。另外，通過單相或兩相浸沒式液冷，并使用干式冷卻器，可以減少或消除水資源的浪費。

3.1 液冷方式分類

噴淋式（冷媒接觸）

在機箱頂部儲液和開孔，根據(jù)發(fā)熱體位置和發(fā)熱量大小不同，讓冷卻液對發(fā)熱體進行噴淋，達到設(shè)備冷卻的目的。噴淋的液體和被冷卻器件直接接觸，冷卻效率高；但液體在噴淋的過程中遇到高溫物體會有飄逸和蒸發(fā)現(xiàn)象，霧滴和氣體沿機箱孔洞縫隙散發(fā)到機箱外面，造成機房環(huán)境清潔度下降或?qū)ζ渌O(shè)備造成影響。

浸沒式（冷媒接觸）

單相浸沒式液冷（維持液態(tài)）在單相浸沒式液冷中，電子氟化液保持液體狀態(tài)。電子部件直接浸沒在電介質(zhì)液體中，液體置于密封但易于觸及的容器中，熱量從電子部件傳遞到液體中。通常使用循環(huán)泵將經(jīng)過加熱的電子氟化液流到熱交換器，在熱交換器中冷卻并循環(huán)回到容器中。

兩相浸沒式液冷（液態(tài)和氣態(tài)）

在兩相浸沒式液冷中，通過電子氟化液的沸騰及冷凝過程，指數(shù)級地提高液體的傳熱效率。電子部件直接浸沒在容器中的電介質(zhì)液體中，該容器密封但易于操作。在該容器內(nèi)，熱量從電子部件傳遞到液體中，并引起液體沸騰產(chǎn)生蒸汽。蒸汽在容器內(nèi)的熱交換器（冷凝器）上冷凝，將熱量傳遞給在數(shù)據(jù)中心中循環(huán)流動的設(shè)施冷卻水。

冷板式（冷媒非接觸）

直抵芯片冷卻通過泵循環(huán)液體介質(zhì)經(jīng)過裝配到電子部件的冷板進行散熱。液體不與電子設(shè)備直接接觸。盡管非電介質(zhì)液體（例如水/乙二醇）通常用于直抵芯片冷卻，但是電介質(zhì)電子氟化液也可用于直抵芯片應(yīng)用，減輕泄漏相關(guān)風(fēng)險，提高硬件/IT設(shè)備可靠性。可以使用單相和兩相技術(shù)實現(xiàn)直抵芯片冷卻。

冷板式圖示一

冷板式圖示二

3.2 冷卻液分類

礦物油

礦物油也是一種物美價廉的冷卻液。單相礦物油無毒無味不易揮發(fā)，粘性較高，容易在設(shè)備表面形成殘留。雖然燃點較高，但是在某些特定條件下還是有燃燒的可能。

氟化液

最大的特點是絕緣，且不燃。在數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)中是最安全的一種，目前應(yīng)用最廣泛，但是價格高昂。

4 易飛揚液冷光模塊

2020年7月，易飛揚宣布完成對于液冷光模塊的技術(shù)研究。該研究成果適用于易飛揚研發(fā)的所有數(shù)據(jù)中心和5G BBU光模塊產(chǎn)品，可以為客戶的液冷數(shù)據(jù)中心提供高可靠性和高性價的光互連解決。

4.1 以易飛揚25G液冷光模塊為例

（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（2）針對性仿真

·除金手指外，其他部分的SI性能都很好。

·受限于金手指長度寬度及疊層，金手指的SI性能不是很好，但基本可以滿足需求。

1.MPD無架高塊 vs MPD有架高塊(100um)

2.MPD有架高塊(500um) vs MPD有架高塊(100um)

總結(jié)：

·MPD無架高塊 vs MPD有架高塊(100um)：MPD有架高塊(100um)的回損、插損和阻抗匹配都更好一些。

·MPD有架高塊(500um) vs MPD有架高塊(100um)：兩者的回損、插損和阻抗匹配都相接近。

建議：

·MPD有架高塊采用100um高度

·金線位置阻抗高，可以打4根金線（需評估空間）

·COC差分對阻抗偏高(約54.3ohm)，可以考慮加寬線寬

（3）驗證

常見的用來驗證的冷卻液有兩種：3M氟化液和硅油，它們有以下特點：

·3M氟化液：1-甲氧基-九氟代丁烷，C4F9OCH3，不易燃，價格貴

·硅油：聚二甲基硅氧烷，粘性高，有一定可燃性

實驗標準：液冷光模塊實驗室環(huán)境下沉浸累計6個月性能無突變。

通過72小時0.5公斤冷卻液加壓（提升冷卻液流動性）和冷卻液溫度在50℃帶電等測試，證明產(chǎn)品可靠性高，保障業(yè)務(wù)長期穩(wěn)定。

4.2 易飛揚液冷產(chǎn)品優(yōu)勢

具備以上關(guān)鍵技術(shù)及通過測試驗證的易飛揚浸沒式液冷光模塊，主要實現(xiàn)如下優(yōu)點：

·支持直接浸沒式或者噴淋式液冷散熱方式。

·優(yōu)化的光器件密封設(shè)計，能有效的防止冷卻液進入光路中，從而避免了溶液對光路的影響。

·通過72小時0.5公斤冷卻液加壓測試（提升冷卻液流動性），證明產(chǎn)品可靠性高，保障業(yè)務(wù)長期穩(wěn)定。

·液冷環(huán)境的溫度范圍滿足10-55℃，在冷卻液中的工作深度滿足大于1m。光模塊物料選材滿足液冷的長期兼容性要求。

4.3 易飛揚液冷光模塊的產(chǎn)品線

具備以上關(guān)鍵技術(shù)及通過測試驗證的易飛揚浸沒式液冷光模塊，主要實現(xiàn)如下優(yōu)點：

·支持直接浸沒式或者噴淋式液冷散熱方式。

·優(yōu)化的光器件密封設(shè)計，能有效的防止冷卻液進入光路中，從而避免了溶液對光路的影響。

·通過72小時0.5公斤冷卻液加壓測試（提升冷卻液流動性），證明產(chǎn)品可靠性高，保障業(yè)務(wù)長期穩(wěn)定。

·液冷環(huán)境的溫度范圍滿足10-55℃，在冷卻液中的工作深度滿足大于1m。光模塊物料選材滿足液冷的長期兼容性要求。

4.3 易飛揚液冷光模塊的產(chǎn)品線

審核編輯：郭婷