根據ColocationAmerica發布的數據，2020年全球數據中心單機柜平均功率將達到16.5kW，較之于2008年已經增長了175%。賽迪顧問預測，隨著數據中心算力飛速提升，高功率單機柜將迅速普及，預計2025年，全球數據中心單機柜平均功率有望達到25kW。

1.“液冷數據中心”來襲，可幫您省億元電費！

2.21年7月27日，北京市發展和改革委員會官網發布《關于印發進一步加強數據中心項目節能審查若干規定的通知》（以下簡稱：通知）。通知顯示，即日起北京市內新建、擴建數據中心若PUE值（評價源效率指標，理想值為1）超1.4，將被征收差別電價電費。伴隨新規定出臺，能耗大戶“數據中心”正迎來一場技術變革。

該規定意味擴建、新建PUE不達標數據中心，每年將付出數千萬、乃至上億元額外電費。這將促使，城市內數據中心加速步入綠色、液冷時代。

1.1 PUE超標將多繳億元電費

通知顯示，北京市將進一步加強市范圍內數據中心項目的節能審查，對于PUE>1.4且<=1.8的項目執行的電價加價標準為每度電加價0.2元；對于PUE>1.8的項目每度電加價0.5元。

此外，北京市內擴建數據中心，年能源消費量大于等于2萬噸標準煤且小于3萬噸標準煤的項目，PUE值不應高于1.2；年能源消費量大于等于3萬噸標準煤的項目，PUE值不應高于1.15。

以新建3000個標準機柜，單機柜平均功耗為18kW的中型數據中心為例。按北京市新規，其PUE值若超過1.4小于1.8，一年將支付差別電價電費9460萬元，若PUE值超過1.8則將支付差別電價電費2.36億元。

對目前的數據中心運營企業和單位來說，支付這些額外費用是難以承受的。而北京、深圳的數據中心規范和標準，對全國城市具有較強的示范作用。此外PUE值要低于1.4，數據中心的傳統風冷散熱技術已難以滿足。

1.2 降PUE遇“風冷”瓶頸

伴隨IT產業的高速發展，數據中心正快速成為新能耗大戶。

據報道，2018年全國數據中心總耗電量1500億千瓦時，占社會總用電量的2％。預計到2025年，這一占比將增加一倍達到4.05％。

高能耗的背后是PUE值的居高不下，據報道截至2019年年底，全國超大型數據中心平均PUE為1.46，大型數據中心平均PUE為1.55。

冷卻計算設備耗能一直是導致高PUE值的直接原因，傳統數據中心風冷模式，將使一半能耗用于冷卻計算設備，其PUE值普遍在1.4以上。

最為關鍵的，伴隨CPU等核心計算芯片的功耗升高，風冷模式下單機柜功率密度最高只能到30kW左右。

雖然芯片工藝制程不斷進步，但服務器端CPU、GPU功率已分別突破300W、400W大關。

伴隨人工智能等高密度計算場景增多，目前在運行數據中心不少單機柜功率早已突破30kW。

2 液冷技術的必要性

在數據中心行業，評價能耗水平的關鍵指標是電力使用效率（Power Usage Effectiveness），簡稱PUE，計算公式是：

PUE=總負載/IT負載

一個數據中心的PUE值越是接近1，則該數據中心的能耗則越低。但是因為數據中心機房總是需要額外的能耗來維持運轉，比如照明、冷卻和消防等等，那么這個數字就總是大于1。

降低PUE值是當前數據中心需要解決的迫切問題。隨著數據中心的IT設備和供電系統的高度集成化，機房的散熱量也在逐步升高，故而有強大的制冷系統來保證機房的溫度維持在一個合理范圍內是非常必要的。現在數據中心所消耗的電力僅有約1/3供給了IT負荷，而另外2/3則供給了散熱負荷。所以，降低IT設備的發熱量則可同時降低設備的散熱負荷，為數據中心節約大量電力，故而降低PUE值。

現在很多數據中心的設備的散熱采用的還是風冷技術，即是用空調通過壓縮的冷風把新鮮的冷風持續灌入設備內部，或通過IT設備上的風扇來進行散熱。然而，風冷卻有高能耗、低性能、高噪音的問題。采用液冷技術則很好地彌補了風冷技術的短板，實現了低耗能、低噪音、和全年自然冷卻的效果。

2.1 液冷技術原理

與風冷技術通過風扇和壓縮制冷不同，液冷技術是利用工作流體作為熱量傳輸的媒介，將熱量由熱區傳遞到遠處再進行冷卻。由于液體比空氣的比熱容高，散熱速度也遠遠快過空氣，因此液冷的制冷效率遠高于風冷，使數據中心的全年PUE值可下降到1.2以下。

液冷技術的制冷原理主要在于冷量傳輸的途徑差異，冷媒的全熱為顯熱與潛熱之和。顯熱是液體在加熱或冷卻過程中，溫度升高或降低而所需吸收或放出的熱量時不發生相變；而潛熱則是為單位質量的物質在等溫等壓情況下，從一個相變化到另一個相（例如從液體變為氣體）時所吸收或放出的熱量。

與風冷相比，液冷技術有三個優勢：

·與風冷那樣間接制冷不同，液冷技術允許冷卻劑直接導向熱源。

·與風冷相比，因為液體比熱容較大，液冷的散熱效率比風冷高1000-3000倍。

·液冷系統的噪音比風冷系統小很多，既降低了噪音，同時也節省了風扇和空調系統的電費和耗能。

·服務器CPU在低溫下計算性能和可靠性可顯著提高，大大增加了CPU的運算效率。

該技術可廣泛應用于高功率高密度的數據中心中服務器的散熱，為數據中心的散熱問題提供一個優異的解決方案。

2.2 液冷數據中心刻不容緩

根據行業研究，采用液冷方式可以很輕松把數據中心PUE做到1.1左右，如果單機柜功率密度達到20KW時候，采用液冷技術就可以節能。

3.液冷數據中心的優勢

除此之外，液冷數據中心還具備以下特點：

地理和環境條件無關

無論決定將地點設于何處，均可在全球范圍內部署冷卻基礎架構更為一致的數據中心。

數據中心設計更簡單，擴展也更高效

使用更小規模的數據中心和更簡單的數據中心拓撲結構（例如，機械、電氣、網絡），可以更高效地擴展。消除對復雜氣流管理的需求，可以簡化數據中心的設計難度。

減少資本支出和運營費用

更大限度地減少或消除空冷基礎設施（例如冷水機組、CRAC、CRAH、PDU、RPP、電信/網絡設備、設施占地面積等），可以滿足新的工作負載需求，同時減少資本支出。隨著冷卻效率提高，輔助冷卻所需求的專用電力的成本就會降低。

降低用電效率指標（PUE）和水資源的使用

當用電效率指標低至1.03時，可以構建更具能效、更可持續的數據中心。另外，通過單相或兩相浸沒式液冷，并使用干式冷卻器，可以減少或消除水資源的浪費。

3.1 液冷方式分類

噴淋式（冷媒接觸）

在機箱頂部儲液和開孔，根據發熱體位置和發熱量大小不同，讓冷卻液對發熱體進行噴淋，達到設備冷卻的目的。噴淋的液體和被冷卻器件直接接觸，冷卻效率高；但液體在噴淋的過程中遇到高溫物體會有飄逸和蒸發現象，霧滴和氣體沿機箱孔洞縫隙散發到機箱外面，造成機房環境清潔度下降或對其他設備造成影響。

浸沒式（冷媒接觸）

單相浸沒式液冷（維持液態）在單相浸沒式液冷中，電子氟化液保持液體狀態。電子部件直接浸沒在電介質液體中，液體置于密封但易于觸及的容器中，熱量從電子部件傳遞到液體中。通常使用循環泵將經過加熱的電子氟化液流到熱交換器，在熱交換器中冷卻并循環回到容器中。

兩相浸沒式液冷（液態和氣態）

在兩相浸沒式液冷中，通過電子氟化液的沸騰及冷凝過程，指數級地提高液體的傳熱效率。電子部件直接浸沒在容器中的電介質液體中，該容器密封但易于操作。在該容器內，熱量從電子部件傳遞到液體中，并引起液體沸騰產生蒸汽。蒸汽在容器內的熱交換器（冷凝器）上冷凝，將熱量傳遞給在數據中心中循環流動的設施冷卻水。

冷板式（冷媒非接觸）

直抵芯片冷卻通過泵循環液體介質經過裝配到電子部件的冷板進行散熱。液體不與電子設備直接接觸。盡管非電介質液體（例如水/乙二醇）通常用于直抵芯片冷卻，但是電介質電子氟化液也可用于直抵芯片應用，減輕泄漏相關風險，提高硬件/IT設備可靠性。可以使用單相和兩相技術實現直抵芯片冷卻。

冷板式圖示一

冷板式圖示二

3.2 冷卻液分類

礦物油

礦物油也是一種物美價廉的冷卻液。單相礦物油無毒無味不易揮發，粘性較高，容易在設備表面形成殘留。雖然燃點較高，但是在某些特定條件下還是有燃燒的可能。

氟化液

最大的特點是絕緣，且不燃。在數據中心液冷技術中是最安全的一種，目前應用最廣泛，但是價格高昂。

4 易飛揚液冷光模塊

2020年7月，易飛揚宣布完成對于液冷光模塊的技術研究。該研究成果適用于易飛揚研發的所有數據中心和5G BBU光模塊產品，可以為客戶的液冷數據中心提供高可靠性和高性價的光互連解決。

4.1 以易飛揚25G液冷光模塊為例

（1）內部結構

（2）針對性仿真

·除金手指外，其他部分的SI性能都很好。

·受限于金手指長度寬度及疊層，金手指的SI性能不是很好，但基本可以滿足需求。

1.MPD無架高塊 vs MPD有架高塊(100um)

2.MPD有架高塊(500um) vs MPD有架高塊(100um)

總結：

·MPD無架高塊 vs MPD有架高塊(100um)：MPD有架高塊(100um)的回損、插損和阻抗匹配都更好一些。

·MPD有架高塊(500um) vs MPD有架高塊(100um)：兩者的回損、插損和阻抗匹配都相接近。

建議：

·MPD有架高塊采用100um高度

·金線位置阻抗高，可以打4根金線（需評估空間）

·COC差分對阻抗偏高(約54.3ohm)，可以考慮加寬線寬

（3）驗證

常見的用來驗證的冷卻液有兩種：3M氟化液和硅油，它們有以下特點：

·3M氟化液：1-甲氧基-九氟代丁烷，C4F9OCH3，不易燃，價格貴

·硅油：聚二甲基硅氧烷，粘性高，有一定可燃性

實驗標準：液冷光模塊實驗室環境下沉浸累計6個月性能無突變。

通過72小時0.5公斤冷卻液加壓（提升冷卻液流動性）和冷卻液溫度在50℃帶電等測試，證明產品可靠性高，保障業務長期穩定。

4.2 易飛揚液冷產品優勢

具備以上關鍵技術及通過測試驗證的易飛揚浸沒式液冷光模塊，主要實現如下優點：

·支持直接浸沒式或者噴淋式液冷散熱方式。

·優化的光器件密封設計，能有效的防止冷卻液進入光路中，從而避免了溶液對光路的影響。

·通過72小時0.5公斤冷卻液加壓測試（提升冷卻液流動性），證明產品可靠性高，保障業務長期穩定。

·液冷環境的溫度范圍滿足10-55℃，在冷卻液中的工作深度滿足大于1m。光模塊物料選材滿足液冷的長期兼容性要求。

4.3 易飛揚液冷光模塊的產品線

具備以上關鍵技術及通過測試驗證的易飛揚浸沒式液冷光模塊，主要實現如下優點：

·支持直接浸沒式或者噴淋式液冷散熱方式。

·優化的光器件密封設計，能有效的防止冷卻液進入光路中，從而避免了溶液對光路的影響。

·通過72小時0.5公斤冷卻液加壓測試（提升冷卻液流動性），證明產品可靠性高，保障業務長期穩定。

·液冷環境的溫度范圍滿足10-55℃，在冷卻液中的工作深度滿足大于1m。光模塊物料選材滿足液冷的長期兼容性要求。

4.3 易飛揚液冷光模塊的產品線

審核編輯：郭婷