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摘要：數(shù)字技術的創(chuàng)新演進與蓬勃發(fā)展，推動算力需求持續(xù)提升，數(shù)據(jù)中心能耗呈指數(shù)型增長。在可持續(xù)發(fā)展、“雙碳”、新型數(shù)據(jù)中心等政策理念指引下，數(shù)據(jù)中心制冷技術正式邁入液冷階段。首先從芯片、設備、機柜散熱訴求，機房節(jié)能訴求等多個維度，深入探討液冷技術的必要性與優(yōu)勢，同時針對多種液冷技術方案從架構、原理、關鍵組成等方面進行深入分析。其次，通過散熱能力、節(jié)能效果、維護性、技術成熟度等方面的綜合對比，短中期單相冷板式液冷將更具優(yōu)勢。最后，探討了當前數(shù)據(jù)中心液冷在可靠性、散熱強化、低成本等維度的研究趨勢。
關鍵詞：散熱技術；機房節(jié)能；液冷散熱；冷板式液冷；浸沒式液冷
1 應用背景
1.1 節(jié)能政策驅動
伴隨著數(shù)字技術的創(chuàng)新演進，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、元宇宙等信息技術和實體經濟深度融合，推動數(shù)字經濟持續(xù)快速增長。數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經濟基礎設施的底座。數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長帶動數(shù)據(jù)中心市場快速增長。數(shù)據(jù)顯示，截至2023年底，中國在用數(shù)據(jù)中心機架總規(guī)模達到810萬標準機架。作為“能耗大戶”，數(shù)據(jù)中心的耗電量不斷刷新紀錄，數(shù)據(jù)中心的總用電量約占全社會用電量3%。在可持續(xù)發(fā)展、“碳達峰、碳中和”、新型數(shù)據(jù)中心等政策理念指引下，國家及地方政府相繼出臺相關政策，對數(shù)據(jù)中心電源使用效率（PUE）提出更高要求。
工業(yè)和信息化部于2021年7月印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021—2023年）》，明確到2023年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.3以下，東數(shù)西算樞紐節(jié)點及寒冷地區(qū)力爭降低到1.25以下。發(fā)改委2021年11月印發(fā)《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發(fā)展實施方案》，進一步明確“到2025年，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE降到1.3以下，國家樞紐節(jié)點降至1.25以下”。“東數(shù)西算”工程八大樞紐節(jié)點，要求東部地區(qū)PUE目標不超過1.25，西部地區(qū)不超過1.2，能效指標更加嚴格。
在典型數(shù)據(jù)中心能耗占比中，制冷系統(tǒng)占比達到24%以上，是數(shù)據(jù)中心輔助能源中占比最高的部分。因此，降低數(shù)據(jù)中心PUE的關鍵在于采用更加高效節(jié)能的制冷方案。
近年來，為了降低制冷系統(tǒng)電能消耗，業(yè)內對機房制冷技術進行了持續(xù)的創(chuàng)新和探索，如間接蒸發(fā)冷卻、冷板式液冷、浸沒式液冷等。其中，間接蒸發(fā)技術的PUE可達1.25，液冷技術則利用液體的高導熱、高傳熱特性，在進一步縮短傳熱路徑的同時充分利用自然冷源，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心PUE低至1.1的極佳節(jié)能效果。得益于綠色節(jié)能優(yōu)勢，近年來液冷技術也成為國家及地方政策明確鼓勵采用的重要節(jié)能技術，如表1所示。
表1 液冷數(shù)據(jù)中心政策
1.2 高散熱訴求
算力的持續(xù)增加促進通信設備性能不斷提升，市場主流芯片功耗和熱流密度也在持續(xù)攀升，CPU散熱設計功耗已達350~500W。AI技術快速發(fā)展推動GPU需求增長，GPU散熱設計功耗已超過800W。芯片功率密度的持續(xù)提升直接制約著芯片散熱和可靠性。
芯片功率密度的攀升同時帶來整柜功率密度持續(xù)增長。8kW以上單機柜功率密度成為目前新建數(shù)據(jù)中心的主流選擇。但為提升市場競爭力，人們也在通過升級改造的方式來提高單柜功率密度，目前通算最大功率密度已超過30kW/柜，如圖1所示。智算功率上升更快，已達100kW/柜。整機柜功率密度的提升對機房制冷技術提出了更高的要求。傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)受數(shù)據(jù)中心建筑面積與單位運營成本等因素的影響散熱上限一般為20kW/柜，越來越難以為繼。液冷技術采用液體替代空氣作為冷卻介質，將液體直接或間接接觸發(fā)熱器件，可使散熱效率大幅提升，能夠有效滿足單點、整機柜、機房的高散熱需求。
圖1 機柜功率密度與制冷方式
2 液冷技術分類
根據(jù)熱器件是否與冷卻液接觸，液冷技術可以分為直接接觸式和間接接觸式兩種：直接接觸式是指將冷卻液體與發(fā)熱器件直接接觸散熱，這類液體包括單相浸沒式液冷、兩相浸沒式液冷、噴淋式液冷；間接接觸式是指冷卻液體不與發(fā)熱器件直接接觸，通過散熱器間接散熱，這類液體包括單相冷板式液冷、兩相冷板式液冷。
液冷系統(tǒng)通用架構如圖2所示。其中，室外側包含室外冷源、一次側冷卻液，室內側包含冷量分配單元（CDU）、二次側冷卻液以及液冷機柜。該液冷系統(tǒng)的基本原理是：二次側冷卻液在機柜內吸收設備熱量，并通過 CDU內的換熱器將熱量傳遞給一次側冷卻液，一次側冷卻液通過室外冷源最終將熱量釋放到大氣環(huán)境中，完成散熱。
圖2 液冷系統(tǒng)通用架構圖
1）室外冷源：可選擇開式/閉式冷卻塔、干式冷卻器等，冷源的選擇應根據(jù)所在地的場地、氣象、水電等因素綜合考慮。
2）一次側冷卻液：常用的液冷液有去離子水、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液等，并配合具有一定緩蝕、殺菌、阻垢功能的化學藥劑使用。冷卻液的選擇需要根據(jù)液體熱物性、部署地理位置及氣候條件等綜合考慮。
3）CDU：按布置形式可分為集中式與分布式。其中，集中式CDU布置在機柜外，為多臺液冷機柜提供冷量，易于集中化部署和管理；分布式 CDU布置在液冷機柜內部，每臺機柜對應一個CDU，易于機柜功耗匹配。
二次側冷卻液、液冷機柜及內部液冷設備在不同液冷技術形態(tài)中略有差異，在后續(xù)章節(jié)中我們會具體介紹。
2.1 單相冷板式液冷
單相冷板式液冷通過液冷板將發(fā)熱器件的熱量間接傳遞給液冷板中的二次側冷卻液。二次冷卻液在設備吸熱和CDU放熱過程不發(fā)生相變。根據(jù)液冷板覆蓋范圍，這種液冷可以分為局部液冷或全液冷：局部液冷通常僅覆蓋高功耗器件，一般帶走設備70%左右的熱量，剩余30%熱量仍需通過機房空調或液冷背門以風冷的形式帶走；全液冷需要根據(jù)通信設備硬件架構和結構布局定制化設計液冷板，以覆蓋所有發(fā)熱器件。單相冷板式液冷系統(tǒng)架構如圖3所示，液冷機柜內包含分液器、液冷板、流體連接器、液冷管路、漏液檢測傳感器等。
圖3 單相冷板式液冷系統(tǒng)架構
1）二次側冷卻液：二次側熱量載體以去離子水、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液為主，根據(jù)具體場景進行選擇。二次側冷卻液需要定期檢測PH、濁度、殘留物、細菌等參數(shù)，并符合相關標準要求；
2）單相冷板CDU：可分為集中式和分布式。其中，集中式CDU布置在機柜外，每列機柜布置一臺或幾臺CDU，實現(xiàn)主用和備份關系，需要部署二次側管網，并考慮各液冷機柜間的流量分配；分布式CDU安裝在液冷機柜內，免二次側管路部署，可根據(jù)機柜功耗靈活部署。
3）分液器：用于機柜內流量分配與收集，將低溫二次側冷卻液分配到各設備節(jié)點，并收集與液冷板換熱升溫后的冷卻液。其設計選型過程中需要保證流量分配需要的均勻性，并結合機柜空間、重量等要求綜合考慮分液器的體積。
4）液冷板：液冷板設計需要根據(jù)設備芯片功耗進行芯片冷板設計、根據(jù)芯片布局及單板結構空間設計冷板連接管路路由，具有一定的定制化特性。但在進行設計時應盡量保證內部零件的通用性，如內部翅片規(guī)格、進出口規(guī)格應盡可能一致，以降低成本。此外，液冷板的設計還需要綜合考慮實際功耗、工作壓力、流速等。
5）流體連接器：可實現(xiàn)無泄漏通斷，在設計選型時需要綜合考慮工作流量、溫度、壓力、流阻特性、安裝方式、直插/盲插、接口規(guī)格等。
6）液冷管路：二次側冷卻液流通通路，參與液冷機柜內各設備節(jié)點的流量-流阻分配；液冷管路設計選型需要考慮材料兼容性、流速、管路布置、安裝方式、流量分配設計等。
7）漏液檢測傳感器：針對沿液冷板、液冷管路、分液器等可能出現(xiàn)液體泄漏的位置或路徑布置，及時檢測泄漏狀態(tài)，并觸發(fā)漏液告警策略，及時告知運維人員發(fā)現(xiàn)漏液事故，便于及時處理，有效地保護液冷系統(tǒng)與機房安全。漏液檢測傳感器可分為檢測線、檢測帶、光電式、電極式、浮子式等，適用于不同的泄漏位置和泄漏場景。
單相冷板式液冷技術對通信設備和機房基礎設施改動較小，業(yè)內已具備多年研究積累，目前技術成熟度最高，它已成為滿足芯片高熱流密度散熱需求、提升數(shù)據(jù)中心能效、降低總體擁有成本（TCO）的有效方案。
2.2 兩相冷板式液冷
兩相冷板液冷系統(tǒng)架構與單相液冷板液冷相似，其系統(tǒng)架構如圖4所示。所不同的是二次側冷卻液在設備內通過液冷板吸熱發(fā)生汽化，在CDU內冷凝為液態(tài)，充分利用了冷卻液的相變潛熱，綜合散熱能力更強，可達300W/cm2以上。由于運行過程中系統(tǒng)內冷卻液發(fā)生相變，兩相冷板液冷系統(tǒng)的壓力會高于單相冷板液冷，其二次側冷卻液、液冷板、流體連接器、液冷管路等為了適配系統(tǒng)壓力也要滿足一定的特殊化要求。
圖4 兩相冷板式液冷系統(tǒng)架構
1）二次側冷卻液：以制冷劑、氟化液等低沸點工質為主，在選型時主要考慮熱物性、環(huán)保性、安全性、工作溫區(qū)和壓力、材料兼容性等因素。
2）兩相冷板CDU：兩相冷板液冷系統(tǒng)壓力等級通常較高，其壓力控制系統(tǒng)區(qū)別于單相系統(tǒng)，一般采用溫控型壓力控制方案。同時，兩相CDU補液系統(tǒng)在設計時也需要考慮工質充注量對于系統(tǒng)壓力的影響。
3）兩相液冷板：其結構與單相液冷板相似，在設計時需要重點考慮冷板承壓能力，增加汽化核心、促進氣泡脫離以提升散熱性能，常見的方案有表面微處理、多孔介質填充等。
4）兩相流體連接器：高壓系統(tǒng)對流體連接器的插拔操作和帶壓維護都提出了很高的要求。目前螺紋旋擰連接器能夠較好地滿足需求。
5）液冷管路：考慮系統(tǒng)壓力及氣相工質泄漏風險，優(yōu)選金屬軟管或汽車空調橡膠管。
兩相冷板式液冷核心技術的優(yōu)勢在于能夠滿足超高熱流密度散熱需求，但現(xiàn)階段技術成熟度仍較低，相關產業(yè)鏈還有待完善。
2.3 單相浸沒式液冷
單相浸沒式液冷通過將發(fā)熱元件浸沒在冷卻液中，直接吸收設備產生的熱量。臥式浸沒液冷系統(tǒng)架構如圖5所示，通信設備豎插在浸沒機柜內，二次側低溫冷卻液由浸沒機柜底部流入。二次側冷卻液在循環(huán)散熱過程中始終維持液相。
圖5 單相浸沒式液冷系統(tǒng)架構（臥式）
1）二次側冷卻液：單相浸沒技術通常使用高沸點的冷卻液。這類冷卻液不發(fā)生相變，同時需要具有高絕緣、低黏度以及良好的兼容特性，例如氟碳化合物和碳氫化合物（礦物油、合成油等）。
2）浸沒機柜：現(xiàn)階段應用較多的為臥式機柜（通常稱為TANK），業(yè)內常用的尺寸規(guī)格覆蓋12U~54U。為了實現(xiàn)臥式架構下的流量均衡性，TANK底部需配置均流板。冷卻液由底部進入，經均流板分液后流入設備。為便于通信設備的安裝和維護，TANK設計需要有一定的槽位導向和固定功能。同時，TANK上蓋與腔體之間需要具備良好的密封性，防止運行過程中冷卻液耗散。
3）單相浸沒CDU：單相浸沒液冷系統(tǒng)在維護過程中需要打開TANK上蓋，系統(tǒng)直接與機房環(huán)境連通，屬于一種“半開式”系統(tǒng)，因此其CDU設計對循環(huán)泵、系統(tǒng)過濾、冷卻液監(jiān)控等要求更高。
單相浸沒液冷實現(xiàn)了100%液體冷卻，無須配置風扇，使機房極致節(jié)能、靜音。但其應用過程需要將通信設備完全浸沒在冷卻液中，所有材料、器件均需要重新選型評估，并開展兼容性測試驗證以保證應用的可靠性。同時，由于不導電液體熱物性普遍較差且液體流速低，因此單相浸沒液冷散熱能力普遍較低，這在一定程度上制約了其推廣應用。
根據(jù)浸沒機柜形態(tài)，單相浸沒式液冷可以進一步細分為臥式浸沒和立式浸沒。傳統(tǒng)臥式浸沒液冷設備維護時需要打開TANK上蓋，并配備可移動機械吊臂或專業(yè)維護車以實現(xiàn)設備的豎直插拔，維護復雜度高、耗時長，且開蓋維護過程有一定的冷卻液揮發(fā)問題，增加了運行成本。為了解決這一問題，業(yè)內將浸沒機柜形態(tài)調整為立式架構，即單相立式浸沒液冷，如圖6所示。立式浸沒機柜架構與冷板式相似，但通信設備本身需要實現(xiàn)板級密封功能，兼具冷板式液冷的維護便利性和浸沒式液冷的節(jié)能優(yōu)勢。
圖6 單相浸沒式液冷系統(tǒng)架構（立式）
2.4 兩相浸沒式液冷
兩相浸沒液冷二次側冷卻液在設備內吸熱由液態(tài)轉化為氣態(tài)，通過冷凝器冷凝放熱由氣態(tài)轉化為液態(tài)。這種液冷技術充分利用液體的相變潛熱，散熱能力相比于單相浸沒顯著提升。需要指出的是，兩相浸沒液冷同樣存在臥式和立式兩種技術形態(tài)。
兩相臥式浸沒二次側冷卻液僅在浸沒腔體內部循環(huán)。浸沒腔體的頂部為氣態(tài)區(qū)，底部為液態(tài)區(qū)。冷卻液吸收設備熱量后發(fā)生相變，即液態(tài)冷卻液變?yōu)闅鈶B(tài)冷卻液。氣態(tài)冷卻液匯聚到浸沒腔體頂部，與安裝在頂部的冷凝器發(fā)生換熱后冷凝為低溫液態(tài)冷卻液，隨后在重力作用下回流至腔體底部，實現(xiàn)對通信設備的散熱，如圖7所示。
圖7 兩相浸沒式液冷系統(tǒng)架構（臥式）
兩相立式浸沒將每個設備節(jié)點作為一個獨立的小型浸沒腔體，可有效避免相變冷卻液的運維耗散問題，且架構兼容性更優(yōu)、維護操作更便捷。因此，現(xiàn)階段兩相浸沒以立式架構為主要研究方向。兩相浸沒立式系統(tǒng)架構如圖8所示，它包含二次側冷卻液、密封殼體、兩相沸騰散熱器等關鍵部件。
圖8 兩相浸沒式液冷系統(tǒng)架構（立式）
1）二次側冷卻液：考慮密封殼體的承壓設計，目前主要選用低沸點氟碳類工質。二次側冷卻液需要根據(jù)具體場景進行選擇，并主要考慮熱性能、環(huán)保安全性能、工作溫區(qū)和壓力、材料兼容性等因素。
2）密封殼體：通信設備節(jié)點全密封設計，節(jié)點內部充滿冷卻液。工作時殼體上部為氣體，下部為液體，通過流體連接器與CDU形成氣液循環(huán)。密封殼體的關鍵點在于設備電、網、液接口處的密封設計。
3）兩相沸騰散熱器：通過界面材料與芯片接觸，將芯片產生的熱量通過冷卻液的相變帶走。這類散熱器一般采用多孔介質設計方案，以增加汽化核心和散熱面積。
兩相浸沒液冷兼具高節(jié)能、高散熱的技術優(yōu)勢，可同時滿足高功率芯片的散熱需求，實現(xiàn)機房極致節(jié)能效果。但現(xiàn)階段該技術仍在試點研究中，其密封可靠性、系統(tǒng)控制穩(wěn)定性等有待持續(xù)優(yōu)化。
2.5 噴淋式液冷
噴淋式液冷屬于直接接觸式液冷。二次側冷卻液由頂部進入服務器，在重力或系統(tǒng)壓力的作用下，通過噴淋板精準噴淋發(fā)熱器件，冷卻液直接與發(fā)熱器件接觸，通過對流換熱為器件散熱，如圖9所示。為了實現(xiàn)精準噴淋與有效散熱，液冷機柜及設備需要一定的特殊化設計。
圖9 噴淋式液冷系統(tǒng)架構
1）二次側冷卻液：通常為不導電液體，可以是油基或氟碳類，換熱過程不發(fā)生相變。
2）液冷設備：上蓋集成噴淋腔體和噴淋孔，可根據(jù)器件功耗、布局、尺寸設置不同的噴淋孔大小、位置、密集程度等。
3）液冷機柜：設備內噴淋會有一定的冷卻液飄逸，為了避免冷卻液損耗，以及機房環(huán)境污染，液冷機柜需要具備一定的密封性。
4）儲液箱：一般放置于噴淋機柜的底部，利用重力收集吸熱溫升后的冷卻液，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時（如發(fā)生泄漏），也可收集泄漏液體，增加系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。
噴淋式液冷實現(xiàn)了100%液冷，使PUE優(yōu)于單相冷板液冷。同時，通過噴淋結構，這種液冷技術可實現(xiàn)對高功率芯片的精準噴淋，使流經芯片的液體流速有一定的提升，其散熱能力略高于傳統(tǒng)單相浸沒液冷。因此，噴淋液冷可以看作是實現(xiàn)冷板式液冷節(jié)能、單相浸沒液冷散熱的折中方案。
2.6 液冷技術綜合對比
算力攀升驅動數(shù)據(jù)中心液冷市場需求保持逐年增長的態(tài)勢。業(yè)內多條液冷技術路線快速發(fā)展，針對不同應用場景各具優(yōu)勢，如表2所示。其中，單相冷板式液冷在液冷數(shù)據(jù)中心的應用占比達90%以上，是現(xiàn)階段及未來一段時間業(yè)內主流的液冷技術方案。單相浸沒式液冷節(jié)能優(yōu)勢更突出，且近年來該技術逐步趨于成熟，相關產業(yè)鏈快速發(fā)展完善，小規(guī)模商用不斷推進。此外，噴淋式、兩相冷板式、兩相浸沒式這3種液冷方案的技術研究和產業(yè)生態(tài)尚需完善。
表2 不同液冷技術方案對比
3 液冷技術展望
數(shù)據(jù)中心液冷正處于快速發(fā)展階段。隨著液冷技術的規(guī)?；瘧茫黝悊栴}也逐漸暴露出來。例如：冷板式液冷水基工質泄漏導致設備短路燒毀；單相浸沒式液冷散熱能力受液體流速約束，散熱能力表現(xiàn)較弱，無法滿足更高功耗CPU/GPU的散熱需求；液冷系統(tǒng)制冷量未隨負載變化及時調控，導致節(jié)能收益不明顯；現(xiàn)階段液冷數(shù)據(jù)中心的建設成本高等。這些均在一定程度上制約了液冷技術在數(shù)據(jù)中心領域的應用。為了解決這些問題，業(yè)內一直在持續(xù)探索研究，以提升數(shù)據(jù)中心液冷技術在安全可靠、散熱能力、建設成本等方面的優(yōu)勢。
3.1 非水冷板式液冷
單相冷板式液冷一般采用水基工質作為二次側冷卻液，但水基工質存在腐蝕、泄漏導電等應用可靠性風險。除了基礎的機械結構防泄漏外，中興通訊創(chuàng)新性地提出非水冷板式液冷技術，將二次側冷卻液由水基工質更換為氟碳類或油基不導電液體，從冷卻液本身解決泄漏導電問題。非水冷板式液冷架構與單相冷板式液冷相同。
非水冷板式液冷方案配合機械防泄漏結構設計，能夠實現(xiàn)對液冷系統(tǒng)的多維度泄漏防護，真正做到泄漏有效防護、不損傷設備，且保留了冷板式液冷的高散熱優(yōu)勢，能夠滿足現(xiàn)階段各類通信設備的散熱需求。同時，由于氟碳類、油基工質均屬于大分子化合物，很難被微生物所分解，因此，非水系統(tǒng)中微生物腐蝕導致的風險會大大降低。
非水冷板式液冷因工質更換，其系統(tǒng)方案在設計過程也需要有一定的調整：
1）液體潤濕面材料與不同工質的兼容性存在差異，更換工質后需要重新開展材料與工質間的兼容性測試驗證，以保證長期應用可靠性。
2）CDU：需要對補液裝置改進，避免補液過程空氣中的水分或雜質進入液冷系統(tǒng)中，引起非水工質的水解產生酸性物質，導致腐蝕風險問題。
3）漏液檢測：二次側冷卻液為不導電液體，因此傳統(tǒng)導電型漏液檢測傳感器不再適用，需要更換為光電式、電容式、浮子式漏液檢測方式。針對氟碳類工質，因其揮發(fā)性較強，泄漏后有一定的氣態(tài)工質產生，可以采用吸氣式漏氟檢測儀器。
3.2 全液冷冷板
傳統(tǒng)冷板式液冷通常只覆蓋CPU、GPU等個別高功耗芯片，設備節(jié)點或整機柜液冷占比通常在60%~80%之間，存在液冷占比低、節(jié)能收益不顯著的問題。為此，業(yè)內已經開始布局全液冷冷板技術，即通過液冷板為設備內的所有發(fā)熱器件進行散熱。
以通算服務器產品為例，液冷板覆蓋CPU、內存、硬盤、電源等，95%以上的熱量通過液冷板帶走，剩余約5%的熱量通過設備節(jié)點內風液換熱器中的冷卻液帶走，進而實現(xiàn)100%液冷。與傳統(tǒng)的單相冷板式液冷相比，全液冷冷板技術具有更低的系統(tǒng)能耗，PUE可低至1.1，能夠有效降低數(shù)據(jù)中心的運營成本。
全液冷冷板雖然可以大幅提升液冷占比，提升節(jié)能效果，但涉及液冷部件較多，液冷系統(tǒng)相對復雜，需要專業(yè)的維護人員進行操作和維修，同時內存、硬盤等可插拔部件的應用可靠性仍有待提升。從長期收益來看，全液冷冷板技術得益于其高效的散熱性能及更低的能耗，在數(shù)據(jù)中心領域會有更廣泛的應用。
3.3 單相浸沒強化散熱
單相浸沒液冷液體流速低，使系統(tǒng)解熱能力受限。在當下智算如火如荼大力發(fā)展的過程中，高功耗、高熱流密度的CPU/GPU散熱需求，驅動人們不斷探索散熱強化的創(chuàng)新路線，如引入主動驅動力，調整系統(tǒng)架構，改善冷卻液熱物性等，以滿足高功耗、高熱流密度芯片的散熱需求。
單相浸沒液冷通過引入外部驅動部件，如封閉風機、微泵等，可以顯著提升芯片局部區(qū)域的冷卻液流速和湍流程度，實現(xiàn)較高的換熱效率。例如，Submer和英特爾共同開發(fā)了一款強制對流散熱器，其通過在翅片散熱器前方加裝風機，搭配限流器外殼，使在散熱器鰭片區(qū)域的冷卻液產生強制對流，提高了冷卻液的換熱效率，從而改善散熱器的熱性能。
除了模塊化設計的強制對流散熱器方案，系統(tǒng)架構調整的散熱模式也是浸沒液冷發(fā)展方向之一。例如，中興通訊與英特爾合作開發(fā)的浸沒液冷架構強化方案，采用雙回路設計，高功耗器件CPU/GPU等支持重力驅動強化散熱方式，支持單節(jié)點散熱能力2000W+，CPU散熱能力大于550W。
冷卻液方面，目前單相浸沒冷卻液以碳氟類和油基工質為主，相比于水溶性液冷，雖然可以有效地解決絕緣性問題，但是仍存在粘度大、比熱容低、導熱能力差的缺點。為了提升介電液體的散熱能力，納米流體成為當下研究方向之一。納米流體借助納米顆粒的高導熱系數(shù)和液體與顆粒之間的對流，可以顯著提高導熱系數(shù)和對流傳熱系數(shù)。雖然采用納米流體可以有效提升換熱性能，但是其穩(wěn)定性差、制備難度大、生產成本高是實際應用中存在的主要問題，現(xiàn)階段仍需要持續(xù)優(yōu)化。
3.4 液冷智能溫控技術
液冷系統(tǒng)的極致節(jié)能離不開管理層的優(yōu)化調控。與風冷系統(tǒng)相比，液冷系統(tǒng)耦合性更強，系統(tǒng)控制點位更多、更復雜。傳統(tǒng)的液冷系統(tǒng)調控邏輯或群控模式無法匹配業(yè)務和負載率變化進行主動調控，在一定程度上存在冷量浪費的問題。現(xiàn)階段的AI調優(yōu)測試主要基于數(shù)據(jù)模型，通過對歷史數(shù)據(jù)的深度學習、強化學習等，僅利用有限場景下的純數(shù)據(jù)樣本，數(shù)據(jù)成本高，歷史數(shù)據(jù)依賴性強，訓練周期長，且不具有可解釋性，容易反邏輯控制，在極端工況下可靠性低。
為了提高液冷系統(tǒng)溫控策略的節(jié)能效果及運行穩(wěn)定性，人們提出了“數(shù)據(jù)+機理”的雙驅AI技術。該技術將AI與傳統(tǒng)暖通熱力學模型相結合，構建機理和數(shù)據(jù)融合驅動的系統(tǒng)熱力學模型，并針對機理模型中難以建立“白箱”模型的部分，可以利用采集數(shù)據(jù)構建數(shù)據(jù)模型來解決，也可以利用數(shù)據(jù)驅動方法對機理模型中的參數(shù)進行優(yōu)化。雙驅AI控制策略遵循熱學原理，脫離純數(shù)據(jù)依賴，避免反邏輯，具有更高可靠性、更優(yōu)節(jié)能效果，能夠通過對兩種預測模型取長補短，最大程度提高預測的準確性，使計算復雜度及成本顯著降低。
在具體應用中，需要將盡可能地將影響液冷系統(tǒng)節(jié)能與運行穩(wěn)定性的因素納入數(shù)據(jù)中心基礎設施管理（DCIM）監(jiān)管和調控中，通過雙驅模型對數(shù)據(jù)中心建立多輸入和輸出間的擬合關系，使各工況點均具有可預測性。融合機理模型和數(shù)據(jù)模型的雙驅動仿真系統(tǒng)，借助可視化平臺開發(fā)，可建立數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的數(shù)字孿生預測模型。液冷系統(tǒng)基于該模型不僅能實現(xiàn)極佳的節(jié)能溫控策略，還能針對極端場景提前制定可能的風險場景應對策略，提升運維人員的響應效率和數(shù)據(jù)中心的運行可靠性。
3.5 低成本液冷系統(tǒng)
與傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)相比，液冷技術應用存在初期投資成本高的問題，這影響了液冷技術的規(guī)模應用與推廣。此外，液冷物料本身也需要進一步研究。原材料和加工成本較高，需要引入新材料或新工藝以進一步降低成本?；诖耍信d通訊開發(fā)了低成本液冷系統(tǒng)，通過引入高可靠、低成本材料，改善工藝條件，使液冷數(shù)據(jù)中心投資成本綜合降本15%以上。引入的材料包含鋁合金冷板、高分子材料等。其中，高分子材料包括高分子工程管網、高分子分液器、高分子流體連接器等。
1）鋁合金冷板：液冷板散熱底板由銅材更換為鋁材。冷板上蓋板等非散熱接觸面材料采用高分子材料，并通過注塑成型，降低了成本。同時，液冷板取消焊接密封工藝，采用膠圈密封的方式，節(jié)省了焊接費用。
2）高分子材料應用：工程管網、分液器等由不銹鋼材料更換為高分子材料，且一體式注塑成型，工藝成本低，且所選材料經過兼容性測試驗證，應用可靠性高。
3.6 芯片級液冷
芯片制程工藝向更小尺寸發(fā)展，芯片功耗和熱流密度不斷攀升，加之2.5D/3D封裝和異構芯片的快速發(fā)展，使得芯片內熱阻占比越來越大。當前芯片散熱主要考慮導熱界面材料（TIM）和外部系統(tǒng)散熱技術兩個方面，但仍無法解決芯片內熱阻大的問題。未來隨著各種新型封裝形式的演進，外部液冷散熱方案將難以滿足超高功率密度芯片的散熱需求。液冷散熱方案將深入到芯片內部，從熱源根本上解決散熱問題。這種散熱技術稱為芯片級液冷技術。
芯片級液冷沿用冷板式液冷架構，所不同的是其將微尺度流道（微米級通道寬度）刻蝕在芯片內部，液體工質直接從芯片內部帶走熱量，大大降低芯片內熱阻或者界面熱阻，同時可解決多Die堆疊引起的散熱問題，使散熱能力得到極大提升，并可滿足超高散熱需求。從1981年開始，國內外陸續(xù)有一些高校、科研機構和芯片廠商已經布局芯片級液冷散熱技術研究，包括對微尺度液冷基礎原理的研究、微尺度（硅基）流道加工工藝的探索改進、先進微尺度流道設計方案的研究等。按芯片與液冷微通道的耦合形態(tài)，芯片級液冷又可分為分體式（含TIM）和一體式（無TIM）兩種，預計均可滿足300W/cm2以上的散熱需求。但由于相關技術成熟度還較低，目前業(yè)內還暫無應用案例。
4 結束語
在“數(shù)字經濟”和“雙碳”的大背景下，不斷提升的芯片熱流密度和更嚴苛的設備能耗設計要求，成為數(shù)據(jù)中心制冷技術不斷演進的兩大重要驅動力。液冷技術具有低能耗、高散熱、低噪聲、低TCO等優(yōu)勢，是解決芯片散熱問題、打造綠色低碳數(shù)據(jù)中心的關鍵技術。
