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引言
盡管冷板式液冷目前是全球數(shù)據(jù)中心的主流冷卻方式，且預(yù)計(jì)未來(lái)在中國(guó)將有約90%的數(shù)據(jù)中心采用此技術(shù)，但浸沒(méi)式液冷（Immersion Cooling）作為另一種重要的冷卻方案，同樣備受矚目。
根據(jù)Dell‘s Oro Group的預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，全球數(shù)據(jù)中心液冷市場(chǎng)中浸沒(méi)式液冷的份額預(yù)計(jì)將逐漸上升。
來(lái)源：Dell‘s Oro Group
浸沒(méi)式液冷的定義、分類及工作原理
1、定義
浸沒(méi)式液冷是指將發(fā)熱的電子元器件（如CPU、GPU、內(nèi)存和硬盤等）整體或部分地直接浸沒(méi)在裝有非導(dǎo)電惰性流體介質(zhì)（即冷卻液，Coolant/Cooling Fluid）的機(jī)箱（如Tank、Tub或Pod）中，實(shí)現(xiàn)循環(huán)散熱的一種液冷方式。與直接芯片液冷（即冷板式液冷）類似，浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)也分為兩個(gè)循環(huán)：一次側(cè)循環(huán)和二次側(cè)循環(huán)。
在一次側(cè)循環(huán)中，室外冷卻設(shè)備如冷卻塔或冷水機(jī)組與熱交換單元（包括CDU、流體冷卻器、其他熱交換器等，為方便起見(jiàn)，下文統(tǒng)一用CDU表示）進(jìn)行熱交換，從而帶走冷卻液中的熱量。
而在二次側(cè)循環(huán)中，CDU則與液冷箱內(nèi)的IT設(shè)備進(jìn)行熱交換，將IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻液。這樣，通過(guò)兩個(gè)循環(huán)的協(xié)同作用，浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)能夠高效地將IT設(shè)備的熱量散發(fā)出去，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
2、分類及工作原理
根據(jù)冷卻液在循環(huán)散熱過(guò)程中是否發(fā)生相變，分為單相浸沒(méi)式液冷（Single-Phase Immersive Cooling）和雙相浸沒(méi)式液冷（Two-Phase Immersive Cooling）。
2.1 單相浸沒(méi)式液冷（Single-Phase Immersive Cooling）：液體通過(guò)液-液熱交換器傳遞熱量
（1）單相浸沒(méi)式液冷采用具有高沸點(diǎn)的冷卻液，如碳?xì)浠衔铮òǖV物油、植物油等）、硅基油。這些冷卻液在吸收熱量后仍能保持穩(wěn)定的液態(tài)，從而確保了在現(xiàn)有泵、管道和散熱設(shè)備（熱交換器、冷卻塔、冷水機(jī)組或干式冷卻器等）中的安全應(yīng)用。由于散熱過(guò)程中冷卻液幾乎不蒸發(fā)，因此無(wú)需使用氣密密封容器。
（2）根據(jù)冷卻液的循環(huán)方式，單相浸沒(méi)式液冷可分為泵驅(qū)動(dòng)和自然對(duì)流兩種類型，但以泵驅(qū)動(dòng)為主。
泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心是CDU（Coolant Distribution Unit，冷卻液分配單元），該單元由泵、熱交換器、傳感器和過(guò)濾器組成，泵驅(qū)動(dòng)冷卻液在Tank內(nèi)部循環(huán)以吸收電子元器件的熱量。加熱后的冷卻液進(jìn)入CDU，并與室外冷卻設(shè)備的低溫液體進(jìn)行熱交換而得到冷卻，隨后低溫冷卻液返回冷池，完成整個(gè)循環(huán)散熱過(guò)程。
自然對(duì)流則利用液體受熱后體積膨脹、密度減小的特性，實(shí)現(xiàn)較熱冷卻液的上浮和冷卻后的下沉，從而完成循環(huán)散熱。
（3）從本質(zhì)上講，單相浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)是一個(gè)倒置的、充滿了單相電介質(zhì)流體的機(jī)架——服務(wù)器不再是水平安裝，而是垂直安裝。
（4）對(duì)于數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而言，CDU通常作為獨(dú)立組件安裝在Tank附近或數(shù)據(jù)中心周邊。然而，在某些情況下，集中式CDU也可能被采用以滿足特定的散熱需求。
單相浸沒(méi)式液冷循環(huán)
來(lái)源：GRC、Submer
2.2 兩相浸沒(méi)式液冷（Two-Phase Immersive Cooling）：在遇熱的情況下由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后通過(guò)冷凝器將氣態(tài)冷卻液轉(zhuǎn)化回液態(tài)
（1）兩相浸沒(méi)式冷卻與單相浸沒(méi)式冷卻在原理上基本一致，但存在一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：兩相浸沒(méi)式冷卻液必須能夠在受熱時(shí)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。這一特性使得兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)能夠更有效地利用相變潛熱進(jìn)行散熱，從而提高散熱效率。
（2）兩相浸沒(méi)式液冷的冷卻液以氟化液為主。
（3）兩相浸沒(méi)式液冷技術(shù)中，冷卻液在吸收IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量后會(huì)經(jīng)歷氣液狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。具體來(lái)說(shuō)，IT設(shè)備被完全浸沒(méi)在裝有低沸點(diǎn)冷卻液的密閉罐體中，設(shè)備產(chǎn)生的熱量被冷卻液吸收后，冷卻液的溫度會(huì)升高至沸騰點(diǎn)，從而由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。形成的蒸汽會(huì)從液體中上升，在罐體內(nèi)形成氣相區(qū)。當(dāng)氣相區(qū)的冷卻液蒸汽與CDU接觸后，會(huì)凝結(jié)成液體并滴落回容器中，再次參與循環(huán)。同時(shí)，CDU中被加熱的冷卻液則通過(guò)循環(huán)冷卻系統(tǒng)將熱量排出。
兩相浸沒(méi)式液冷循環(huán)
來(lái)源：GRC
從全球來(lái)看，單相浸沒(méi)式液冷比兩相的應(yīng)用范圍更大，成熟度更高，主要是因?yàn)椋?
單相浸沒(méi)式液冷冷卻液價(jià)格相對(duì)更低，部署成本更低；
風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低：
兩相液冷的冷卻液氟化液在健康方面面臨巨大質(zhì)疑，隨著3M的逐漸停產(chǎn)，以微
軟為代表的客戶暫停在兩相浸沒(méi)式液冷的布局，未來(lái)如何開(kāi)發(fā)出符合條件的兩相冷卻液將成為大家的關(guān)注點(diǎn)。
在兩相交換的過(guò)程中存在許多潛在的風(fēng)險(xiǎn)。例如，相變的存在要求液冷系統(tǒng)必須保持密閉，以防止蒸汽外溢流失，在相變過(guò)程的氣壓變化可能會(huì)使系統(tǒng)中產(chǎn)生非常高的壓力，對(duì)系統(tǒng)的安全性提出了更高要求；大多數(shù)兩相冷卻系統(tǒng)需要將水直接引入數(shù)據(jù)中心以冷卻冷凝器并去除熱量，這增加了數(shù)據(jù)中心的故障風(fēng)險(xiǎn) 。
相變過(guò)程中產(chǎn)生的微空化現(xiàn)象可能會(huì)侵蝕IT設(shè)備和冷卻系統(tǒng)的金屬部件，導(dǎo)致設(shè)備故障和金屬顆粒污染。
需要的維護(hù)少，如果需要調(diào)整，更容易進(jìn)入和維修。
浸沒(méi)式液冷的關(guān)鍵零部件和供應(yīng)商
浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)的核心組成部分為芯片和IT設(shè)備、機(jī)箱（Tank）、CDU和冷卻液。
1、芯片和IT設(shè)備廠商
Intel（美國(guó)）、NVIDIA（美國(guó)）、曙光（中國(guó)）、Iceotope（英國(guó)）、HPE（美國(guó)）、Dell Technologies（美國(guó)）、Super Micro（美國(guó)）、iXsystems （美國(guó)）、AMAX（美國(guó)）、2CRSi（法國(guó)） 、IBM（美國(guó)）、Quanta Computer（中國(guó)臺(tái)灣）、CISCO（美國(guó)）、Penguin Computing（美國(guó)）、GIGABYTE（中國(guó)臺(tái)灣）、LiquidCool Solutions（美國(guó)）、Hypertec（加拿大）、Boston Limited（英國(guó)）。
2、機(jī)箱（Tank）
典型廠商：Submer（西班牙）、GRC（美國(guó)）、TMGcore（美國(guó)）、Modine（美國(guó)）、Firmus（澳大利亞）。
3、冷卻液分配單元（CDU）
浸沒(méi)式和冷板式CDU密封材質(zhì)和泵不一樣，功能設(shè)置也有差別，現(xiàn)在基本是定制的。
典型廠商：國(guó)外CDU廠商主要有GRC（美國(guó)）、Submer（西班牙）、Vertiv（美國(guó)），國(guó)內(nèi)有中航、高瀾等。
4、冷卻液（Coolant/Cooling Fluid）
考慮到短路和電化學(xué)腐蝕，在選擇冷卻液時(shí)，主要考慮的是避免電氣短路的能力以及安全和健康問(wèn)題，無(wú)毒能力，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和不可燃性，此外，全球變暖潛力（GMP值）也很重要。
典型廠商：3M Novec（將于2025年停產(chǎn)，美國(guó)）、Shell （荷蘭）、Cargill（美國(guó)）、ExxonMobil（美國(guó)）、SK Enmove（韓國(guó)）、Chemours（美國(guó)）、Castrol（英國(guó)）、ENEO（日本排名第一的潤(rùn)滑油公司）、Solvay（比利時(shí)），Honeywell（美國(guó)）、Envirotech（美國(guó)）、DXC Technology（美國(guó)）、Engineered Fluids（美國(guó)）、思康（中國(guó)）、諾亞化工（中國(guó)）。
5、集成商
典型廠商：Midas Green Technologies（美國(guó)）、GRC（Green Revolution Cooling，美國(guó)）、Submer（西班牙）、TAS（美國(guó)）、MIVOLT（英國(guó)）、THPC（意大利）、XComputing Technologies（印度）、Asperitas（荷蘭）、Zutacore（美國(guó)）、LiquidStack（美國(guó)）、綠色云圖。
6、全球浸沒(méi)式液冷用戶（大部分處于試點(diǎn)階段）
服務(wù)提供商：Microsoft（美國(guó)）、Meta（美國(guó)）、 阿里云、ResetData（澳大利亞云服務(wù)提供商）、STT GDC（新加坡）、OVHcloud（法國(guó)）、NTT Data（日本）、Standard Power（美國(guó)俄亥俄州，加密挖礦數(shù)據(jù)中心公司）、OneAsia （香港）、Macquarie Data Centres（澳大利亞）、Bytesnet（荷蘭）、ZELEN DATACENTAR（塞爾維亞）、Infosys 、百度。
教科研：Vienna Scientific Cluster（奧地利）、東京工業(yè)大學(xué)（日本）、德克薩斯州高級(jí)計(jì)算中心（美國(guó)）、約翰·保羅大帝天主教大學(xué)（美國(guó)）。
通信：Telefónica（西班牙）、中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)。
金融：Crédit Agricole（法國(guó)農(nóng)業(yè)信貸銀行）、中國(guó)銀聯(lián)。
石油天然氣：CGG（法國(guó)）、Down Under Geo Solutions（DUG）（澳大利亞）。
政府：美國(guó)空軍、美國(guó)國(guó)家安全局物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)能源部、國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心深圳中心、合肥先進(jìn)計(jì)算中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算鄭州中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算成都中心、國(guó)家超級(jí)計(jì)算昆山中心。
其他：CBT Nuggets
浸沒(méi)式液冷—全球產(chǎn)業(yè)鏈圖譜
來(lái)源：編者整理
浸沒(méi)式液冷面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向
1、以3M為代表的氟化液被證明屬于PFAS化學(xué)品，被對(duì)人體健康具有長(zhǎng)久的危害，已被多個(gè)國(guó)家限制，未來(lái)研發(fā)符合政策要求的冷卻液將成為重點(diǎn)。
以Fluorinert?和Novec?兩大系列為代表的3M 電子氟化液此前廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心液冷，其中3M? Fluorinert 電子氟化液主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心單相和兩相浸沒(méi)式液冷；而3M? Novec?電子氟化液體既可用于數(shù)據(jù)中心浸沒(méi)式液冷（單相和兩相），也可應(yīng)用于冷板式液冷（單相和兩相）。
近年來(lái)，各國(guó)政府和環(huán)保機(jī)構(gòu)對(duì)PFAS化學(xué)品所帶來(lái)的危害越來(lái)越關(guān)注。美國(guó)環(huán)保署署長(zhǎng)邁克爾·里根（Michael Regan）于2021年初成立了美國(guó)環(huán)保署PFAS委員會(huì)，并于2022年3月公布了研究結(jié)果，表明PFAS可能會(huì)影響人類的生殖和發(fā)育，損害免疫系統(tǒng)并增加患某些癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。歐洲化學(xué)品管理局（ECHA）也發(fā)表了類似的發(fā)現(xiàn)，歐盟表示希望到2025年限制所有PFAS化學(xué)品。包括加拿大、澳大利亞和亞洲在內(nèi)的其他地方的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也開(kāi)始注意到PFAS的風(fēng)險(xiǎn)。
2022 年 12 月 20 日，3M 宣布計(jì)劃在 2025 年底前逐步淘汰其PFAS 化學(xué)品產(chǎn)品線，F(xiàn)luorinert和Novec冷卻液首當(dāng)其中：
“3M今天宣布，計(jì)劃退出全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的生產(chǎn)，并努力在2025年底前停止在其產(chǎn)品組合中使用PFAS。這一投資組合決策基于對(duì)外部環(huán)境的仔細(xì)考慮和全面評(píng)估，包括多種因素，例如加速監(jiān)管趨勢(shì)，重點(diǎn)是減少或消除環(huán)境中PFAS的存在，以及改變利益相關(guān)者的期望“。
來(lái)源：3M官網(wǎng)
注：PFAS化學(xué)品，也稱為全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)，屬于人造化學(xué)品，在環(huán)境中具有高度持久性，不易分解，自 1940 年代以來(lái)被廣泛使用， 2023 年 5 月，美國(guó)環(huán)保署 提出了“PFAS”一詞的定義：至少包含以下三種結(jié)構(gòu)之一的化學(xué)物質(zhì)：
1. R–（CF2）–CF（R′）R“，其中 CF2CF部分是飽和碳
2. R-CF2OCF公司2–R′，其中 R 和 R′ 可以是 F、O 或飽和碳
3. 囊性纖維化3C（CF3）R′R“，其中R′和R”可以是F或飽和碳。
由于以3M為代表的氟化液被歸類為PFAS化學(xué)品，對(duì)人體健康具有潛在危害并受到多國(guó)限制，未來(lái)浸沒(méi)式液冷技術(shù)將更加注重環(huán)保冷卻液的研發(fā)。未來(lái)的冷卻液不僅需要具備出色的熱傳導(dǎo)性能，還需滿足低毒性、易回收和生物可降解等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。此外，冷卻液的穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命也是研發(fā)的重點(diǎn)，以減少頻繁更換和維護(hù)的成本。
2、應(yīng)用解決方案有待成熟
浸沒(méi)式液冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用需要一套完整且便捷的應(yīng)用解決方案作為支撐，涵蓋從設(shè)備的上下架、運(yùn)維管理、清洗操作到溶液處理等多個(gè)方面。然而，當(dāng)前市場(chǎng)上缺乏這樣成熟且完善的解決方案，這在一定程度上限制了技術(shù)的推廣和應(yīng)用。隨著眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的投入，解決方案逐步成熟，浸沒(méi)式液冷技術(shù)市場(chǎng)有望迎來(lái)全新的發(fā)展機(jī)遇。
3、運(yùn)維難度大
浸沒(méi)式液冷需要改變現(xiàn)有的維護(hù)流程，冷卻液需要特殊處理，且遭遇故障時(shí)需要將服務(wù)器從冷卻液中取出，對(duì)IT運(yùn)維人員提出了新的技能要求。未來(lái)AI與浸沒(méi)式冷卻的融合將成為重要發(fā)展方向。為確保浸沒(méi)式IT設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和性能優(yōu)化，冷卻液的持續(xù)監(jiān)測(cè)與分析至關(guān)重要。AI技術(shù)的引入，使得冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控流體狀態(tài)，預(yù)測(cè)性能退化趨勢(shì)，并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換。此外，基于AI的預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)的維護(hù)需求，從而顯著降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本，提高資源利用效率。
4、成本高
首先，數(shù)據(jù)中心采用浸沒(méi)式冷卻需要重新鋪設(shè)管道，為溫水回路鋪設(shè)冗余管道。其次，浸沒(méi)式液冷需要使用專用的冷卻液，且用量大，建設(shè)成本高。
5、IT設(shè)備兼容性問(wèn)題
浸沒(méi)式液冷技術(shù)需要根據(jù)IT設(shè)備定制冷板，不同型號(hào)的設(shè)備可能需要不同的冷板設(shè)計(jì)，這增加了技術(shù)推廣的復(fù)雜性。
為進(jìn)一步提高冷卻效率，以英特爾和英偉達(dá)等科技巨頭為代表的公司不斷探索浸沒(méi)式液冷技術(shù)。英特爾通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的散熱器結(jié)構(gòu)、涂層技術(shù)和封裝技術(shù)，如珊瑚形散熱器、沸騰增強(qiáng)涂層和微型噴射器等，不斷提升其產(chǎn)品的冷卻效果。而英偉達(dá)則傾向于將直接到芯片液冷（DLC）與浸沒(méi)式液冷的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，創(chuàng)造出一種全新的混合冷卻方案，這種方案傾向于保留大多數(shù)風(fēng)冷和直接液冷機(jī)箱中使用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝外形，將IT設(shè)備主板浸入冷卻液中，同時(shí)CPU和GPU采用直接液體冷卻，旨在完全消除風(fēng)扇的使用，同時(shí)保持IT設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝外形，從而為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)更高的能效和更低的噪音水平。預(yù)計(jì)2026 年將推出測(cè)試系統(tǒng)，其主要合作伙伴包括BOYD Corp、 Durbin Group、Honeywell、Vertiv、賓厄姆頓大學(xué)、維拉諾瓦大學(xué)、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。
英偉達(dá)結(jié)合DLC和浸沒(méi)式液冷的技術(shù)
來(lái)源：英偉達(dá)官網(wǎng)
總結(jié)
（1）中國(guó)未來(lái)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還將以冷板式液冷為主，相比之下，全球在浸沒(méi)式液冷的布局和發(fā)展更快。
（2）與兩相浸沒(méi)式液冷相比，單相液冷在成本、風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)維難度方向相對(duì)較低，應(yīng)用相對(duì)成熟。
（3）盡管浸沒(méi)式液冷在技術(shù)上擁有一些優(yōu)勢(shì)，但由于冷卻液的限制、解決方案的成熟度不高、運(yùn)維難度大、成本高以及IT設(shè)備兼容性等方面的限制，目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。
