液冷数据中心：向微模块部署的转变

为什么液冷技术不再仅限于超大规模数据中心

多年来，液体冷却一直是研究实验室和少数拥有专业工程团队来管理该技术的超大规模设施的专属领域。这种情况正在发生变化。随着芯片功率密度攀升至每机架30千瓦以上，且边缘部署需要在更小的空间内提供更强的计算能力，液体冷却数据中心的设计正逐渐适用于微模块和预制设施。 简而言之：如果您正在规划新的微模块部署，液冷技术值得认真考虑——它不再是未来主义的选项，而是近期的工程选择。

是什么推动了数据中心向液冷技术的转型

主要驱动因素是物理原理。 风冷在一定范围内效果良好——通常在每机架15–20 kW左右，前提是气流管理得当。超过这个范围，你需要要么增加气流（这意味着需要更多风扇和更多能耗），要么通过液体来带走热量。单位体积的水传热效率大约是空气的3,500倍。 这并非营销噱头，而是热学特性。因此，当机架功率达到30、50甚至100千瓦时，液体冷却已非奢侈之选——这是在不将数据中心变成风洞的前提下，将组件温度控制在限值范围内的唯一途径。

现代 CPU 和 GPU 的设计原理是，当其结温超过阈值时会进行降频或关机——对于硅基芯片而言，该阈值通常约为 100°C。实际上，我们需要将温度控制在该阈值远低于的水平，通常要求芯片温度维持在 60–80°C 之间。 液冷系统能够将温度控制在该范围内，具体取决于设计，其进水温度通常在25–45°C之间。正是由于这一较宽的温度范围，液冷数据中心架构才极具吸引力：它允许使用温度较高的冷却水，这意味着压缩机的运行时间更短，能耗更低 PUE.

微型模块化数据中心制冷：完美之选

微型模块数据中心——即在单一机柜内集成了机架、制冷、配电和监控功能的独立单元——传统上一直依赖空调系统。但随着它们被部署在边缘、工厂或电信枢纽中，其计算密度正在不断提升。 并非总能增加占地面积。液冷技术使您能够在相同的占地面积内容纳更多的IT设备，这正是微模块用户所需要的。

以一个典型的、由六个机架组成的微型机柜为例。采用风冷方式时，每个机架的功率可能被限制在10千瓦，总功率为60千瓦。若改用直接芯片液冷技术，通常可将每个机架的功率提升至40千瓦甚至更高——也就是说，在同一机柜内即可实现240千瓦的总功率。 对于人工智能推理、视频处理或高频交易而言，这种密度至关重要。这不仅关乎性能，更关乎部署方案能否适应现有的空间和功耗限制。

两种主要的液体冷却方法

将液体冷却引入微模块主要有两种方式：直冷（冷板）和浸没式冷却。 直接芯片冷却是通过安装在CPU或GPU上的散热板让冷却液流通，从而在热源处直接散热。浸没式冷却则是将整个服务器浸入介电液体中。这两种方式各有其适用场景，但在改造项目中，直接芯片冷却更为常见，因为它兼容标准服务器，且对IT生态系统所需的改动较少。

另一方面，浸没式冷却能够应对更高的密度——某些设计支持每机架100千瓦甚至更高的功率——但它需要专用硬件和不同的运营思路。 对于大多数微模块部署而言，直接芯片冷却是务实的起点。这种方案技术门槛较低，维护更简便，且与风冷相比仍能大幅降低制冷能耗。

液冷技术对PUE和运营成本的影响

PUE（电源使用效率）是设施总能耗与IT能耗之比。典型的风冷数据中心的PUE值在1.3到1.5之间，这意味着每1 kW的IT负载，还需要额外消耗0.3–0.5 kW的能耗用于制冷和配电。 液冷技术可将该数值降至 1.1 甚至更低，因为液冷是通过水泵而非压缩机和风扇来传导热量的。这直接降低了电费支出和碳足迹。

让我们用具体数字来说明一下。假设您的微型机房IT负载为200 kW。当PUE为1.4时，总耗电量为280 kW。 若PUE降至1.1，总功耗将降至220 kW。按一年计算，可节省约525,000 kWh——这足以供数十户家庭使用。 按每千瓦时 $0.10 计算，每年可节省 $52,500。这可不是小数目。而在电费高昂或征收碳税的地区，节省的金额会更大。

此外还有用水量的问题。一些液体冷却系统采用蒸发式冷却塔，这会消耗水。但许多微模块设计采用闭环干式冷却器或冷水机组，这些设备用水量极少甚至完全不用水。 如果您所在地区面临水资源短缺问题，这一点值得向供应商确认。例如，VERHI提供的液冷解决方案可根据现场条件与干式冷却器配合使用，从而完全避免用水。

在微模块中部署液冷系统的实际考虑因素

改用液冷不仅只是更换散热器那么简单。你需要考虑整个系统。在做出决定之前，请先检查以下关键事项：

• 机架与服务器的兼容性 – 你们的服务器支持冷板吗？目前大多数主要OEM厂商都提供液冷版本，但您需要在购买时特别指定。
• 冷却液分配 – 每个机架都需要一个冷却液分配单元（CDU），用于控制流量、温度和压力。CDU 还能将设施回路与 IT 回路隔离，从而避免泄漏导致整个系统受到污染。
• 泄漏检测与控制 – 即使安装得再妥当，也难免会发生泄漏。请预先准备好滴水盘、传感器和自动截止阀。
• 设施给排水系统 – 您需要供回水管路，以及一个热量排放系统（干式冷却器、冷水机组或冷却塔）。对于微型模块，这通常意味着需要一个小型外部机组。
• 维护技能 – 你的团队需要掌握如何处理冷却液、从回路中排气以及更换快速接头。这虽然不算什么高深技术，但与更换空气滤清器还是有所不同的。

从部署工作中我学到的一点是：不要低估CDU的重要性。它是液体冷却系统的核心。 设计精良的CDU即使在IT负载波动时也能保持温度稳定，并能保护服务器免受压力骤升的影响。VERHI的CDU配备了冗余水泵和智能控制系统，但您仍应根据实际负载情况核对其技术规格。

特殊情况：何时液冷可能不值得

液冷并非万能之选。如果机架功耗低于 10 kW，风冷通常就足够了，而且安装成本更低。此外，如果您的设施是短期租赁，或者预计会频繁搬迁微模块，那么增加的管路复杂性可能得不偿失。 在某些地区，找到能够维护液冷回路的技术人员可能颇具挑战——尽管随着该技术的普及，这种情况正在发生变化。

另一个需要考虑的因素是总体拥有成本。液冷设备的初期成本通常高于空调。但若将节能效益以及支持更高密度IT设备的能力计算在内，投资回收期往往不到两年。对于大多数运营商而言，这是一项合理的投资。

VERHI 如何开展液冷数据中心项目

在VERHI，我们多年来一直致力于制造精密空调和微型模块化数据中心，因此我们将液体冷却视为这一专业技术的自然延伸。我们绝不会只是向您出售一台中央冷却单元（CDU）就置之不理。 我们会协助您确定系统规格，将其与您的配电系统集成，并确保监控软件能让您清晰掌握冷却液温度、流速及泄漏状况。

例如，在最近为中亚一家制造行业客户实施的项目中，我们为一个50千瓦的人工智能训练集群提供了一款具备直接芯片冷却功能的微型模块。室外干式冷却器的设计可应对-30°C的冬季环境，而中央冷却单元（CDU）全年都能将冷却液温度稳定维持在35°C。 该客户的PUE值从1.6（其旧有的风冷系统）降至1.15。这是一个真实案例，而非产品规格表上的承诺。

值得关注的是：液冷标准和指南仍在不断演进。ASHRAE 等组织已发布了针对液冷数据中心的热管理指南，而开放计算项目（Open Compute Project）也已将部分设计开源。但目前尚无单一的'即插即用'标准。 因此，在与供应商洽谈时，请询问其过往业绩、泄漏保修条款以及服务网络。这是一项新兴技术，您需要选择一位在实战中积累了丰富经验的合作伙伴。

微型模块液冷技术的核心要点

液冷技术正从边缘领域走向主流，而微型模块化数据中心与之可谓天作之合。其带来的密度提升、节能效益以及更低的PUE值，其吸引力之大不容忽视。无论您是计划新建部署还是升级现有设施，都应尽早展开相关讨论。 向您的服务器供应商咨询液冷方案，与制冷合作伙伴商讨 CDU 的选型，并模拟总体拥有成本。技术已经就绪——关键在于您的规划流程是否准备就绪。