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兩相與單相-浸沒式液冷技術

兩相與單相浸沒式液冷需求

因應現代IT快速、即時的應用服務的影響,資料中心面臨新興服務佈署的挑戰正迅速增加;例如新世代CPU、GPU加速器,偕同運算應用程式的興起、持續不中斷業務服務和即時資料同步運算等需求。由於IT設備關鍵零件的溫度不斷被推升,資料中心運營商爭先恐後地尋找符合永續投資ESG 議題的節能冷卻方案。

因此,技嘉科技因應ESG 議題,很早就針對”浸沒式液體冷卻技術”進行研究,最早正式推出供應兩相與單相浸沒式液冷技術的全新伺服器設計。

下列三種冷卻系統效益比較可以協助客戶辨別兩種看似相同,運作模式卻截然不同的浸沒式液冷架構。各類型冷卻技術架構沒有絕對的優勝劣敗,必須依據使用者的投資計畫與效能需求而設計。技嘉科技對於三種冷卻系統都有豐富的產品供給”資料中心”各種類型冷卻方案,滿足各個面向的消費者應用需求。

冷卻系統差異比較

兩相浸沒式液冷 單相浸沒式液冷 氣冷
結構複雜度 ★★★★☆ ★★★☆☆ ★★★★★
總建置成本 ★★★★☆ ★★★★☆ ★★★★★
冷卻效率 ★★★★★ ★★★★★ ★★★☆☆
常態營運成本 ★★★★☆ ★★★☆☆ ★★★★★
熱負荷容積比 ★★★★★ ★★★★☆ ★★★☆☆
高密度效能比 ★★★★★ ★★★★★ ★★★☆☆
可靠性維修比 ★★★★☆ ★★★★★ ★★☆☆☆
佈署靈活性 ★★★★☆ ★★★★★ ★★☆☆☆
 
浸沒式冷卻技術的結構與再生循環方式

兩相(Two-Phase)與單相(Single-Phase) 浸沒式液態冷卻,對比空氣導熱其冷卻效益更好,經由不導電液體介質接觸散熱,浸沒式液態冷卻其整體架構直接貼近整組發熱源供給散熱,得以更好的熱耗散能力。此外,這兩種冷卻架構,在IT伺服器都不需要:

  1. IT設備上的氣冷式散熱鰭片與風扇
  2. 機房冷凍空調系統(CRAC & CRAH)、高架活動地板
兩相浸沒式液冷系統

兩相浸沒式液態冷卻系統中,IT設備(伺服器)被安裝在特殊設計的密封機箱液體水槽內,內部載著不導電的碳氟化合物。液態碳氟化合物的沸點低(通常在50°C上下),伺服器所產生的熱能使各處發熱元件周遭的液體沸騰相變產生氣泡,自然形成冷熱流動帶走熱量,這就是”兩相”浸沒式液態冷卻的由來;散熱讓液體產生相變後的氣泡向上升起轉變成蒸氣,然後蒸氣透過密閉槽裡的冷凝盤管蒐集蒸氣冷卻再還原為液態並回落至備用液態池。密閉水槽透過環境控制器來維繫冷卻劑不斷的相變化過程,周而復始的循環進行熱交換。

兩相浸沒式液冷系統

單相浸沒式液冷系統

單相浸沒式液態冷卻系統中,IT設備(伺服器)同樣被安裝在不導電液態介質槽中,這類不導電介質使用類似礦物油或植物油的碳氫化合物流體,伺服器產生的熱透過冷卻介質與發熱零組件直接接觸。與兩相浸沒式液態冷卻不同,單相浸沒式液態冷卻系統需在冷卻裝置裡設置幫浦來吸引介質流入冷卻裝置中進行散熱介質循環,若冷卻劑問度無法適時降溫,需再透過額外一組冷卻設備來完成整個熱轉換循環;由於這類液體沸點較高、不易揮發特性,因此單相浸沒式液冷系統的液體槽通常無須嚴苛的密閉設計與環境控制要求。

單相浸沒式液冷系統

  
兩種浸沒式冷卻系統複雜度和建置差異

“兩相”與”單相”浸沒式液冷系統之間的主要三項差異:1.冷卻劑。2.冷卻液槽(Tank)。3.環境控制系統。其成本差異與所使用的介質以及液體槽環境控制系統息息相關。兩相浸沒式液冷的不導電冷卻介質,目前全球市場的領導品牌與主要供應商為3M,其冷卻液採用碳氟化合物調配;其次單相浸沒式冷卻介質則多以碳氫化合物(礦物油或植物油)為主體;液體槽針對冷卻液散熱方式則區分為兩相”密閉”與單相”非密閉”兩種型式設計。

兩相浸沒式液冷系統

兩相浸沒式液冷系統的設計稍微複雜,前期建置成本較高。雖然無需額外的幫浦帶動熱傳導循環,但需要非常緊密的密閉設計以及環境控制才能使系統維持不斷循環。當伺服器浸沒在3M碳氟化合物液體,外殼必須完全密封,避免冷卻介質的散逸揮發。但之後的設備維護仍須開閉槽體,仍有機會導致介質散逸,介質的揮發將增加營運成本,柏克萊實驗室(LBNL:隸屬於美國能源部的國家實驗室)曾做過一項研究,填補揮發介質的成本可能抵消兩相浸沒式液冷所帶來的節能成效,所以如何設計出密封但又方便維護才能減少冷卻介質揮發的系統,成為導入兩相浸沒式液冷系統的最大挑戰。(美國柏克萊實驗室參考資訊:https://datacenters.lbl.gov/sites/default/files/ImmersionCooling2016.pdf

單相浸沒式液冷系統

單相浸沒式液冷系統需要額外安裝幫浦來推動冷卻液體在系統中產生持續不斷的流動循環,藉以帶走IT設備所產生的熱。由於冷卻介質的低揮發性,槽體結構設計相對簡單。單相浸沒式液冷系統通常使用碳氫化合物流體(礦物油或植物油),其透明、無味、無毒所以也被廣泛應用於化妝品,材料有長久的被使用經驗,沒有全球暖化潛能值(Global Warming Potential, GWP)顧慮。雖然單相浸沒式液冷系統的構造簡單,讓IT設備的維護更方便;但當伺服器抽離液體槽時,仍需要以藥劑來除油清洗才能對設備進行維護。

冷卻效率和營運費用

在冷卻效率上,”兩相”與”單相”浸沒式液冷系統都遙遙領先氣冷式資料中心的制冷效果。”兩相”與”單相”浸沒式液冷均可再銜接外部氣冷或水冷循環系統以因應不同外在環境佈置。在已知較大規模機房應用上,”兩相”電力使用效率值(PUE)能達到1.02;另外單相浸沒式液冷也能透過銜接外部冷卻系統,其電力使用效率值(PUE)也能優化到1.03之範圍。

兩相浸沒式液冷系統

兩相浸沒式液冷透過冷卻液相變過程來產生系統內自動循環,提供生產力的IT設備制冷所需,無須額外幫浦推動,也無須考量機房的高耗電冷房需求。唯一的挑戰是導熱液揮發性高,所以在每次IT設備維護後,必須注意冷卻劑揮發而再補充冷卻介質。如何設計出高度密閉又方便維護的系統以及最佳化維護步驟的流程設計,將是影響營運費用的主要因素。

單相浸沒式液冷系統

單相浸沒式液冷的系統結構與耗材前期建置成本低,由於導熱液不易蒸發,所以也能很好的控制營運成本,有些介質更能使用長達15年之久。使用單相浸沒式液冷需要額外的液態介質循環幫浦耗電外,還需定期對導熱液進行品質測試,確保其關鍵特性不會隨時間降解質變。單相浸沒式液冷的IT設備維護容易,操作人員只需從液體浸沒槽中取出伺服器即可,但後續對設備主機的清潔以及導熱液的定期檢驗將是影響營運成本的主要因素。

Power Usage Efficiency Comparison

冷卻能力和高密度性能的關聯性

由於人工智慧、物聯網、邊緣運算等新一代IT應用增長趨勢,乃至伺服器核心元件不斷提高效能與耗電要求,應用浸沒式液冷的案例與其冷卻能力的報告也不斷被發表;冷卻液槽與系統環控裝置等核心零件的設計也逐漸成熟並邁向模組化設計。

兩相浸沒式液冷系統

透過一些已發佈的應用實例,兩相浸沒式液冷系統能支援超高密度的運算模組佈署,以標準機櫃材積估算,一組兩相液冷系統能支援高達250 kW耗能的設備運作,也因此讓開放運算計畫聯盟(Open Compute Plan, OCP)及大型資料中心業者,例如公有雲供應商特別青睞兩相浸沒式液冷架構新建置開發與相關產品標準化。

單相浸沒式液冷系統

以相同標準機櫃材積計算,單相浸沒式液冷系統可以處理200 kW功率。而事實上,當液冷系統銜接到通用的建築物本身既有的冷卻水塔進行熱交換時,大約能獲得130 kW的熱交換效能;在某些偏遠區域亦可選用貨櫃屋式的小型行動機房,例如電信業的行動中繼站,就很適合佈署單相浸沒式液冷系統。

KW Per Rack Potential

可靠度和佈署靈活性

無論採用兩相或單相浸沒式液冷,都是為了因應資訊通信技術的發展來提升IT生產工具可靠,靈活的佈署彈性;主要原因是浸沒式液冷不需要傳統風冷設備的複雜機電設施。由於減少了更多機電設備整合,免除諸多環控不穩定因素,例如散熱風扇。浸沒式液冷系統的可靠性條件與傳統氣冷式資料中心相比,對IT服務設備的平均無故障時間 (MTBF :Mean Time Between Failures)都有顯著提升。

透過技嘉伺服器管理套件(GIGABYTE Server Management, GSM)支援IPMI/Redfish/SNMP/Web GUI等API就能為混合式IT和軟體定義資料中心(Software Defined Data Center)提供簡便的機房管理,得以讓”兩相”與”單相”浸沒式液冷系統在遠離管理管者或偏遠地帶佈署邊緣運算基地站的最佳選擇。

兩相浸沒式液冷系統

兩相浸沒式液冷系統的介質流動依靠伺服器熱點所產生的相變推動,系統無需掛載任何風扇,環境被控制在穩定的密閉循環系統;由於沒有風扇震動導致機器內部元件疲勞而縮短運作壽命以及額外的電機設備維護;可以透過建築本身專供冷水設備來提高導熱液散熱效果,達成符合永續投資ESG 議題的節能目標。

單相浸沒式液冷系統

單相浸沒式液冷系統, IT伺服器硬體設備同樣安裝於不導電的液態冷卻槽中,導熱液與伺服器熱點直接接觸,透過介質冷卻裝置裡的幫浦吸引將導熱液推送至發熱源中進行熱交換,亦可透過建築物冷水設備來提高導熱液散熱效果。單相浸沒式液冷系統雖多了幫浦運作,其主要目的是推動介質的流動,不同於風冷設備的風扇運作以散熱為目的常需高速轉動,因此能提供比氣冷式架構更穩定可靠的運算散熱環境。

浸沒式液冷技術總結

浸沒式液冷擁有完整的物理性能指標與理論制冷潛力,兩相和單相浸沒式液冷系統也都具備各自的產品優勢。雖說這兩種類型資料中心的初期建置成本較高,需要前期環境評估與高度客製設計才能滿足形形色色的應用需求,以目前硬體高速運算傳輸元件的高熱耗能、以及節能減碳、企業CSR等等國際環保議題,才能滿足當今數據中心冷卻需求。

技嘉科技透過創新領先的驗證與專案研究,能提供適用於兩種浸沒式液冷解決方案的伺服器產品,並與多家異業合作夥伴預先投入新式機房環境控制與制冷設備整合實驗來降低總體營運成本;能協助公有雲、企業、政府、教育和電信商的營運發展,讓我們的客戶能輕鬆面對營運佈署上的永續投資(ESG)各種議題挑戰,為地球環境浸入一份心力。

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浸沒式冷卻
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