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1、智算中心發(fā)展背景
隨著AI大模型的快速發(fā)展，各種深度學(xué)習算法和機器學(xué)習模型在復(fù)雜性和規(guī)模上都有了顯著增長。為了支撐這些先進模型的訓(xùn)練與推理，需要強大的計算能力，由此引發(fā)了智算中心(人工智能計算中心) 的技術(shù)升級和方案變革。智算中心基礎(chǔ)設(shè)施不同于傳統(tǒng)機房，需以算力為中心，在算力需求不斷增長和綠色節(jié)能的政策要求共同驅(qū)動下，液冷技術(shù)已成為解決智算中心高密散熱難題的首要選擇。
智算中心是指專門配置了用于執(zhí)行人工智能算 法的高性能計算資源的數(shù)據(jù)中心。它們專為訓(xùn)練復(fù)雜的機器學(xué)習模型、支持深度學(xué)習任務(wù)以及處理大 量AI工作負載而設(shè)計。智算中心通常搭載了大量高性能的CPU、GPU或TPUs等處理器以提供必要的計算能力，采用并行計算架構(gòu)來提高處理速度和效率，配有高速且容量巨大的存儲系統(tǒng)用于處理和存儲大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。為了滿足AI訓(xùn)練常用的數(shù)據(jù)并行、模型并行、流水線并行等混合并行策略的通信需求，需要為芯片間和節(jié)點間提供低延遲、高帶寬的互聯(lián)，因此AI訓(xùn)練集群化帶來了數(shù)據(jù)中心高密化需求，從而衍生出了散熱問題的技術(shù)革命。高性能計算(HPC)和AI應(yīng)用產(chǎn)生的熱量巨大，這對智算中心機房的冷卻系統(tǒng)提出了極高要求，同時減少能源消耗和提高能源效率也是降低運營成本和實現(xiàn)綠色低碳的關(guān)鍵。
國家對PUE日益嚴格的要求也在激發(fā)數(shù)據(jù)中心采用更高效的制冷技術(shù)。國家發(fā)展改革委、國務(wù)院國資委、工信部等七部聯(lián)合印發(fā)的《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動計劃(2022—2025年)》指出到2025年，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE優(yōu)于1.3；國家發(fā)展改革委、國家數(shù)據(jù)局、中央網(wǎng)信辦、工信部、 國家能源局印發(fā)的《關(guān)于深入實施“東數(shù)西算”工程加快構(gòu)建全國一體化算力網(wǎng)的實施意見》提出推進數(shù)據(jù)中心用能設(shè)備節(jié)能降碳改造，推廣液冷等先進散熱技術(shù)。在國家政策的大力驅(qū)動下，液冷已成為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展的重要技術(shù)手段。
2、冷板式液冷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
液冷技術(shù)對比傳統(tǒng)風冷散熱技術(shù)具有諸多優(yōu)勢。由于液體比空氣具有更高的熱容和熱導(dǎo)率，可以更有效地吸收和傳輸熱量，這意味著液冷系統(tǒng)可以更快速地從熱源(如處理器)中抽取熱量，并有效地將其傳輸?shù)綗峤粨Q器或冷卻塔中，從而使設(shè)備運行在較低的溫度下，減少局部熱點的產(chǎn)生，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。由于液冷系統(tǒng)的高效率，對冷卻液泵的功率要求遠低于空調(diào)或風扇系統(tǒng)所需的功率，減少了電力消耗，降低了運行成本。液冷技術(shù)使得服務(wù)器可以進行更緊湊的組件布局，減少所需的基礎(chǔ)設(shè)施和空間，滿足數(shù)據(jù)中心高密化演進需求。傳統(tǒng)空調(diào)冷卻系統(tǒng)依賴于大量使用能量密集的壓縮機和潛在環(huán)境危害的制冷劑(氫氟碳化物)，液冷技術(shù)減少了對這些制冷劑的依賴，有助于減少溫室氣體排放。
液冷技術(shù)主要分為冷板式液冷和浸沒式液冷兩個方向，其中冷板式液冷是目前國內(nèi)應(yīng)用最成熟和交付規(guī)模體量最大的液冷方式。冷板式液冷可以兼 容多種服務(wù)器架構(gòu)，容易與現(xiàn)有的空氣冷卻數(shù)據(jù)中心設(shè)計整合，使得過渡到使用液冷技術(shù)的門檻較低。與浸沒式液冷相比，冷板式液冷的設(shè)計和工程實施相對簡單。冷板可直接替代傳統(tǒng)的風冷散熱器安裝到現(xiàn)有的服務(wù)器硬件上，對服務(wù)器硬件的修改設(shè)計要求更低，并且更容易標準化，實現(xiàn)服務(wù)器與機柜解耦。冷板式液冷系統(tǒng)相對容易維護，初期投資和運維成本相比浸沒式液冷較低。冷板式液冷技術(shù)目前得到了大量的實踐檢驗，解決方案較為豐富，供應(yīng)鏈相對完善。但在場景應(yīng)用、方案選擇、成本優(yōu)化、 交付模式、運維模式等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)。因此深入研究冷板式液冷技術(shù)具有較大的現(xiàn)實意義和發(fā)展空間。
在數(shù)據(jù)中心的冷板式液冷解決方案中，整機柜交付方式與解耦交付方式是兩種不同的商業(yè)模式和工程實施方式。數(shù)據(jù)中心需要綜合考慮需求差異性、 成本、運營效率、生態(tài)成熟度、長期發(fā)展計劃等多方面因素選擇兩種交付方式。
整機柜交付方式指的是由設(shè)備廠商預(yù)先將服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、供電系統(tǒng)以及必要的管路連接系統(tǒng)集成為一體柜形式整體交付給用戶側(cè)。整機柜交付可以實現(xiàn)快速部署，減少現(xiàn)場安裝和配置的工作量，加快數(shù)據(jù)中心建設(shè)部署速度。整機柜設(shè)備的所有組件通常都是由同一家廠商提供的，確保了系統(tǒng)的兼容性和可靠性，但是由于液冷系統(tǒng)和IT設(shè)備緊密耦合，更換或升級單個組件相比解耦交付方式會更為復(fù)雜。整機柜產(chǎn)品在研發(fā)階段對于技術(shù)要求較高，生產(chǎn)廠商需具有較高的集成能力和設(shè)計能力，系統(tǒng)驗證周期較長，研發(fā)成本較大，不同廠商間易存在技術(shù)壁壘。
解耦交付方式指的是液冷機柜與IT設(shè)備分開提供和安裝，交付時先部署液冷機柜，隨著需求的增長再逐步部署IT負載，這種方式為用戶側(cè)提供了更大的靈活性，可以分階段進行服務(wù)器上架，并且可以選擇不同廠商的IT設(shè)備配合特定的液冷機柜，根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行定制和優(yōu)化。解耦交付相比整機柜交付而言可以通過形成統(tǒng)一的設(shè)計標準來減少產(chǎn)品研發(fā)成本，降低對生產(chǎn)廠商的技術(shù)能力要求，減輕供應(yīng)鏈壓力。解耦后整個系統(tǒng)更加白盒化，可促進液冷生態(tài)良性發(fā)展，為用戶側(cè)節(jié)省成本。因此解耦交付有助于推動整個液冷生態(tài)朝著標準化、經(jīng)濟化、 規(guī)?；焖侔l(fā)展。
3、冷板式液冷解耦化研究
冷板式液冷系統(tǒng)的工作原理是通過冷板(通常由銅、鋁等高導(dǎo)熱金屬構(gòu)成的封閉腔體)將發(fā)熱元器件的熱量間接傳遞給封閉在循環(huán)管路中的冷卻液體，然后通過冷卻液體的循環(huán)將熱量帶走。其主要組成部分包括冷板、冷卻液、分集液器、流體連接器、 冷卻液分配單元(CDU)、室外冷卻設(shè)備、供電系統(tǒng)等。解耦冷板式液冷系統(tǒng)的特點主要體現(xiàn)在IT設(shè)備與液冷機柜生產(chǎn)來源不同，可能存在冷卻液兼容材質(zhì)、流體連接器接口類型、供電形式等方面的差異， 導(dǎo)致在交付適配時無法使用。實現(xiàn)冷板液冷系統(tǒng)解耦化的關(guān)鍵問題在于如何保證液冷機柜與不同IT設(shè)備之間的兼容性和運行可靠性。因此需要對流體連接器、冷卻液、供電形式等方面進行統(tǒng)一接口定義實現(xiàn)標準化。
3.1 流體連接器
流體連接器是一種不依靠工具、能夠反復(fù)連接和斷開的連接組件，具有快速、簡便、安全的特點，可以實現(xiàn)流體的傳輸與通斷，是連接服務(wù)器與機柜的核心組件，冷板式液冷的解耦化進程需依托流體連接器的標準化產(chǎn)品定義、完善的第三方測試體系建設(shè)及規(guī)模化產(chǎn)品驗證等多維度舉措來實現(xiàn)。流體連接器的傳輸介質(zhì)為液體或氣體，具有雙向自密封功能，插合和斷開過程中不會有液體泄漏，在液冷系統(tǒng)敏捷交付要求下扮演著至關(guān)重要的角色。其安裝簡單、操作快捷，大大提高了電子設(shè)備的可維護性。在冷板式液冷解耦中，需定義好流體連接器的類型、 材質(zhì)、公差等重要規(guī)格，以保證流體連接器的安全可靠性，防止冷卻液泄露帶來設(shè)備受損、業(yè)務(wù)中斷甚至安全問題。
根據(jù)操作方式，流體連接器可以分為手插式和盲插式兩大類別。如圖1和圖2所示，手插流體連接器與盲插流體連接器相比，內(nèi)部密封設(shè)計、閥芯 結(jié)構(gòu)完全相同，區(qū)別僅在于鎖緊機構(gòu)和浮動結(jié)構(gòu)。手插流體連接器是指流體連接器在公頭和母頭進行插合和分離時，需要通過人為手動的形式進行插拔。當手動插合后，流體連接器通過自身的鎖緊機構(gòu)進行鎖定，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速連接和鎖緊，并確保產(chǎn)品密封可靠。手插流體連接器通常公頭為固定端，母頭為活動端，且母頭與軟管配合使用，達到柔性補償?shù)哪康摹?
盲插流體連接器與手插則不同，在公頭和母頭插合、分離過程中均不需要人為手動去操作流體連接器，而是依靠設(shè)備與框架之間的導(dǎo)軌、導(dǎo)向，通過推/拉動設(shè)備實現(xiàn)與框架之間的連接/分離。當盲插流體連接器插合后，流體連接器不具備鎖緊機構(gòu)， 依靠外部裝置鎖定。盲插流體連接器可以節(jié)省外部軟管，從而節(jié)省大量布線空間。盲插結(jié)構(gòu)集成度更高， 適用于服務(wù)器高密化的使用場景，支持向未來免人工安裝、維護演進。
實現(xiàn)冷板式液冷解耦化需重點保證流體連接器的安全可靠連接。在流體連接器設(shè)計及使用過程中會有很多因素導(dǎo)致故障，從而引發(fā)密封失效、漏液、腐蝕等問題，嚴重影響液冷系統(tǒng)安全性。其中常見故障原因及解決建議如表1所示，需對冷卻液介質(zhì)、 流體連接器材質(zhì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計進行嚴格要求，對操作流程進行嚴格把控，以保證解耦后的液冷系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。
3.2 冷卻液
在解耦冷板式液冷系統(tǒng)中，冷卻液是至關(guān)重要的組成部分，它的主要功能是傳輸熱量，將熱量從熱源輸送到散熱器或熱交換器中，然后將熱量釋放到周圍環(huán)境中。冷卻液的類型和質(zhì)量對整個系統(tǒng)的性能、效率和可靠性都有顯著的影響。
冷卻液應(yīng)具有良好的熱傳導(dǎo)性能，能夠快速吸收和傳遞熱量，從而提高系統(tǒng)的散熱效率。冷卻液還應(yīng)具有良好的流動特性，使得在泵送和循環(huán)過程中的壓降和能耗降至最低。冷卻液應(yīng)維持穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，即在工況溫度范圍內(nèi)仍能維持緩蝕、抑菌、 阻垢等作用。目前市面上冷板式液冷主流冷卻液包括乙二醇型冷卻液、丙二醇型冷卻液、去離子水型冷卻液。
冷卻液應(yīng)與系統(tǒng)中部件使用的材料兼容、如銅或鋁冷板、不銹鋼管道、不銹鋼或黃銅閥件、橡膠軟管、橡膠密封件、塑料水泵葉輪等，以避免兼容性不佳引起的腐蝕泄漏、密封件失效等問題。冷卻液應(yīng)具備緩蝕、抑菌、阻垢、抗泡的功能，需要添加緩蝕劑，以減緩金屬部件的腐蝕；需要添加抑菌劑， 避免微生物滋長導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生沉積物污染；需要添加阻垢劑，防止冷卻液中水垢積聚；需要添加消泡劑， 防止冷卻液循環(huán)過程中產(chǎn)生大量氣泡影響傳熱效率。
因此在解耦液冷系統(tǒng)中需針對冷卻液進行充分的使用性能評測，確保冷卻液可支持解耦液冷系統(tǒng)安全、 可靠、長效運行。
冷卻液未來也應(yīng)考慮朝著低電導(dǎo)率配方體系進行研發(fā)設(shè)計，防止液體泄漏后帶來的電氣短路和設(shè)備損壞風險。在液冷技術(shù)廣泛應(yīng)用的發(fā)展趨勢下， 冷卻液的使用還應(yīng)兼顧生物安全與環(huán)境友好性，冷卻液的回收和處理也應(yīng)遵守相關(guān)的環(huán)保監(jiān)管法規(guī)。這不僅是對液冷系統(tǒng)性能提升的需求響應(yīng)，更是企業(yè)履行社會責任、推動可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)。要保證液冷系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，科學(xué)的選擇和維護冷卻液至關(guān)重要。冷卻液需定期監(jiān)測來對其有效性進行評估和預(yù)警，通過監(jiān)測結(jié)果來進行維護處置或整體更換。必要時根據(jù)項目需求可設(shè)置在線水質(zhì)監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測關(guān)鍵性能指標；或設(shè)置在線凈化處理裝置，維持冷卻液的可用性。
3.3 供電形式
目前液冷系統(tǒng)中機柜內(nèi)服務(wù)器的供電形式主要為分布式供電和集中供電兩種形式。分布供電指的是電源分布在每個服務(wù)器節(jié)點上，主要由電源分配單元(PDU)和每個服務(wù)器節(jié)點內(nèi)的電源組成。集中供電指的是將服務(wù)器電源集中部署在機柜內(nèi)部的電源框中進行池化管理，統(tǒng)一為服務(wù)器供電，主要由電源框、電源模塊、供電母排和電源連接器組成。
分布式供電在數(shù)據(jù)中心被廣泛應(yīng)用著，通常通過PDU為服務(wù)器提供雙路供電，可充分保證供電安全性和可靠性。如采用智能PDU則能實現(xiàn)監(jiān)控和管理功能，如環(huán)境監(jiān)測、警報設(shè)置、電源使用報告、 自動化控制等。分布式供電形式在服務(wù)器高密部署的場景存在一定的局限性。由于服務(wù)器功率不斷升高，單柜內(nèi)服務(wù)器數(shù)量不斷增加，分布式供電需配置的PDU數(shù)量也在增多，走線問題變得更加棘手， 需要更多的柜內(nèi)空間才能滿足要求。因此在單機柜功率密度迅速增長的未來，集中供電形式可能更適用于液冷機柜使用。
集中供電將各個服務(wù)器中的電源模塊統(tǒng)一池化集成在了機柜內(nèi)部的電源框中，將輸入電通過電源框及電源模塊進行轉(zhuǎn)換，輸出直流電通過供電母排直接實現(xiàn)服務(wù)器供電。集中供電可實現(xiàn)服務(wù)器與機柜盲插設(shè)計，免除電纜布線空間，配合盲插流體連接器可大幅提升服務(wù)器安裝運維效率。綜合來說， 集中供電形式是未來冷板液冷供電演進的重要方向。
4、結(jié)語
在人工智能快速發(fā)展的背景下，實現(xiàn)冷板液冷服務(wù)器與機柜解耦是是生態(tài)發(fā)展的不可逆需求，具有多方面優(yōu)勢。解耦設(shè)計使得數(shù)據(jù)中心更能適應(yīng)快速變化的AI技術(shù)，確保能夠高效、靈活并可持續(xù)地支持AI應(yīng)用的發(fā)展。對于整個液冷生態(tài)來說，實現(xiàn)服務(wù)器與機柜解耦有助于整個行業(yè)向標準化方向發(fā)展，加快液冷相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和迭代速度，降低技術(shù)門檻，擴大生態(tài)參與度，促進液冷生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。本文針對解耦冷板式液冷系統(tǒng)中流體連接器、冷卻液和供電形式的選擇進行了研究，為解耦冷板式液冷系統(tǒng)中規(guī)劃設(shè)計提供理論依據(jù)。
