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1. 數(shù)據(jù)中心簡介

數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，簡稱IDC）是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的核心，它們承擔(dān)著存儲、處理和管理海量數(shù)據(jù)的重要任務(wù)，對于支撐現(xiàn)代社會的數(shù)字運作具有不可或缺的作用，并逐漸成為現(xiàn)代社會基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。

2.數(shù)據(jù)中心能耗問題

AI的快速發(fā)展與我國產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)帶動數(shù)據(jù)中心算力需求大幅提升。過去十年間，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增，其耗電量在2020年突破2000億千瓦時，約占全社會用電量的2.71%。其中冷卻系統(tǒng)能耗占總能耗的40%左右。[1] 溫控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的重要組成部分。IT設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)運算、存儲和交換的過程中同時產(chǎn)生大量的熱量，隨著芯片性能的提高，數(shù)據(jù)中心熱流顯著升高。國際能源署預(yù)計，2024年數(shù)據(jù)中心電力消耗量將比2023年增長30%。提高數(shù)據(jù)中心冷卻效率，降低能耗對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要。

3.數(shù)據(jù)中心制冷方式及評價標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心制冷方式可大體區(qū)分為風(fēng)冷和液冷。傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式利用空氣進(jìn)行熱量交換，成本較低，但由于空氣比熱容小等原因，已逐漸無法滿足數(shù)據(jù)中心能源效率的要求，因此需要能源效率更好的液冷方式。液冷方式中，根據(jù)發(fā)熱部件與冷卻液是否直接接觸，可分為直接液冷和間接液冷。直接液冷包含噴淋式液冷和浸沒式液冷，根據(jù)冷卻液是否發(fā)生相變又可以將浸沒式液冷分為單相浸沒式液冷和雙相浸沒式液冷。間接液冷包含冷板式液冷方法。

PUE是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，PUE = 數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗，基準(zhǔn)是2，PUE值越接近于1，表示數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高。

3.1 冷板式冷卻液簡介

冷板式液冷主要通過銅、鋁等高導(dǎo)熱金屬構(gòu)成的封閉腔體將芯片、CPU/GPU、內(nèi)存等高熱密度元器件的熱量間接傳遞給封閉在循環(huán)管道中的冷卻液體，然后利用冷卻液體將熱量帶走，其根據(jù)工作流體的傳遞特點將中間熱量運輸?shù)胶蠖诉M(jìn)行冷卻，通過一次側(cè)和二次側(cè)的結(jié)合實現(xiàn)了冷板式液冷系統(tǒng)的整機(jī)液體循環(huán)，進(jìn)而達(dá)到為IT設(shè)備散熱的目標(biāo)。相比于風(fēng)冷，PUE可以從1.5將至1.2左右。冷板法的硬件（CPU、CDU）不直接接觸冷卻液，因此系統(tǒng)兼容性好，散熱效果比風(fēng)冷好，且噪音少。但冷板式冷卻液也面臨一定的挑戰(zhàn)，包括定制設(shè)計、制造、維護(hù)成本高，漏液問題，覆蓋程度直接決定散熱效率等問題。

數(shù)據(jù)中心冷板式液冷主要使用乙二醇、丙二醇和去離子水作為冷卻液。乙二醇、丙二醇通常以20%到30%的濃度使用，這個濃度的選擇是基于平衡散熱性能和防凍、抑制微生物滋生的需求。適用于乙二醇型、丙二醇型冷卻液的測試方法有：YD/T 3982 數(shù)據(jù)中心各類冷卻液、T/CCSA 274 數(shù)據(jù)中心各類冷卻液、GB 29743.2 新能源車?yán)鋮s液。

去離子水‌也是一種常見的冷卻液選擇，它具有良好的傳熱性能且無毒安全。然而，去離子水需要添加緩蝕劑和殺菌劑以防止銅腐蝕和細(xì)菌滋生。去離子水的冰點為0℃，因此在某些特定條件下需要考慮防凍問題。

3.2 浸沒式冷卻液簡介

浸沒式液冷技術(shù)的工作原理‌主要涉及將發(fā)熱的電子設(shè)備或電池直接浸泡在具有良好熱傳導(dǎo)性和電絕緣性的液體中，通過液體吸收設(shè)備運行時產(chǎn)生的大量熱量，然后通過液體與外部環(huán)境的熱交換完成熱量的排出，從而實現(xiàn)對設(shè)備的冷卻。這種技術(shù)利用液體的高比熱容和熱傳導(dǎo)率，相比傳統(tǒng)的空氣冷卻方式，能夠更有效地傳遞熱量，并且不需要風(fēng)扇等空氣攪動設(shè)備，從而降低了運轉(zhuǎn)噪音。浸沒式液冷技術(shù)使用的液體通常是合成氟化液、礦物油或其他絕緣液體，這些液體具有良好的熱傳導(dǎo)性能，同時也是電絕緣體，不會導(dǎo)致IT設(shè)備短路。

浸沒式液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用尤為廣泛，通過將服務(wù)器整體浸泡在特殊設(shè)計的液體中，有效地降低了數(shù)據(jù)中心的能耗比，即PUE值，為數(shù)據(jù)中心提供了綠色節(jié)能的能力。這種技術(shù)通過直接接觸的方式將熱量從服務(wù)器內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部液體中，避免了傳統(tǒng)風(fēng)冷方式中由于空氣流動不暢導(dǎo)致的散熱效率低下問題。此外，浸沒式液冷技術(shù)還適用于鋰離子電池的冷卻，通過將電池浸泡在冷卻液中，吸收電池產(chǎn)生的熱量，然后通過液體與外部環(huán)境的熱交換完成熱量的排出，實現(xiàn)對電池的有效冷卻‌。

浸沒式冷卻液遇到的挑戰(zhàn)有：機(jī)房部署成本高，想從原來風(fēng)扇或冷板散熱升級成浸沒式液冷，幾乎重新投資新建一個場地。運維成本高。冷卻液成本高。有安全隱患，以氟化液為例，氟化液穩(wěn)定性好，所以無法自然降解，在自然界和人體長久累積。生產(chǎn)氟化液時產(chǎn)生嚴(yán)重環(huán)境問題。使用中會揮發(fā)，不可避免的對人健康造成影響。

單相浸沒法（one-phase）的冷卻液沸點較高，冷卻時不發(fā)生相變，目前此方案占比超過90%。在單相浸沒式液冷中，電子部件直接浸沒在液體中，熱量從電子部件傳遞到液體中，通過循環(huán)泵將加熱的冷卻液流到熱交換器中冷卻，并循環(huán)回到容器中，維持液態(tài)進(jìn)行散熱。這種技術(shù)不僅提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性，還因為其散熱效率相對較低，不需要頻繁補(bǔ)充冷卻液或頻繁更換服務(wù)器組件。單相浸沒式冷卻液類型有氟化液、合成油、改性硅油。氟化液主要為碳氟氧化合物，具備流動性好、不導(dǎo)電、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不燃燒等特點；合成油及礦物油以其卓越新能，現(xiàn)屬于快速發(fā)展階段；改性硅油即有機(jī)硅具有閃點高、兼容性好等優(yōu)勢。適用于浸沒式液冷系統(tǒng)單相冷卻液（礦物油/合成油/硅油）的方法有：YD/T 3982 數(shù)據(jù)中心各類冷卻液技術(shù)要求和T/SHSIC 0202數(shù)據(jù)中心浸沒式液冷系統(tǒng)單相冷卻液要求。

雙相浸沒法（two-phase）的冷卻液沸點低，通過液態(tài)-氣態(tài)相互轉(zhuǎn)變帶走熱量，效率更高，液體汽化吸收大量的能量。此方案目前市場占比小于10%。雙相浸沒式冷卻液使用低沸點氟化液，其PUE效能最好。在使用過程中，冷卻液經(jīng)歷氣態(tài)-液態(tài)的反復(fù)循化，因此需要做氣密處理。冷卻液在運行過程中產(chǎn)生大量氣泡，會撞擊部件，對芯片產(chǎn)生影響。并且也具有泄漏的風(fēng)險。

半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)Ψ河芯薮笮枨?，一方面，隨著新能源汽車、工業(yè)制造、新一代移動通訊、新能源及數(shù)據(jù)中心等新興市場的發(fā)展，全球?qū)A的需求量不斷增長。圓晶新廠廠房和產(chǎn)線投產(chǎn)首次需充注大量的氟化疊加日常生產(chǎn)時的損耗補(bǔ)充，進(jìn)而拉動氟化液需求。另一方面，清洗工藝步驟不斷增加，清洗工藝變得更加復(fù)雜和重要，同樣會拉動氟化液需求的增長。適用于浸沒式冷卻液碳氟類（氟化液）包括單相和雙相冷卻液的方法有：YD/T3982數(shù)據(jù)中心各類冷卻液技術(shù)要求、T/CA 307 數(shù)據(jù)中心浸沒液冷系統(tǒng)碳氟類冷卻液技術(shù)要求和測試規(guī)范。T/CA 307提到：對累計運行1000h及以上時間的浸沒式液冷服務(wù)器，隨機(jī)抽取樣品與未使用的同牌號樣品，進(jìn)行分析比較，判斷冷卻液長期可靠性。氟化液生產(chǎn)廠家行業(yè)內(nèi)通常約半年一次進(jìn)行檢測。

氟化工原料螢石-主要成分-氟化鈣（CaF2）。螢石作為一種重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，對于國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要影響。隨著科技的進(jìn)步和環(huán)保意識的提高，螢石資源的合理開發(fā)和利用將變得更加重要。中國氟化液產(chǎn)業(yè)主要集中在：江蘇常熟新材料產(chǎn)業(yè)園、東岳氟硅材料產(chǎn)業(yè)園（淄博）、淄博高青化工產(chǎn)業(yè)園、自貢川南新材料化工園區(qū)（四川） 、阜新氟產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)（遼寧）等。

4. 總結(jié)

2021年7月，工信部印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃(2021—2023年)》，指出“到2023年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心電能利用效率（PUE）值降低到1.3以下，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)力爭降低到1.25以下。”隨著超大規(guī)模計算、超級計算、高性能計算、邊緣計算、加密貨幣等領(lǐng)域?qū)λ懔π枨蟮纳仙约皩?shù)據(jù)存儲要求的提高，數(shù)據(jù)中心散熱要求也隨之提高，浸沒式液冷將在超算中心等高密化場景得到進(jìn)一步推廣。預(yù)計到2025年，我國液冷服務(wù)器市場規(guī)模將達(dá)到1300億元。其中，浸沒式液冷市場占約530億元，占比將超過40%。液冷數(shù)據(jù)中心對氟化液需求也將同步增長。預(yù)計2025年，氟化液在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場的需求有望超3萬噸。[2] 未來氟化液產(chǎn)品必將呈現(xiàn)多元化的發(fā)展態(tài)勢，藍(lán)海已現(xiàn)，未來可期！

參考文獻(xiàn)：

[1] 2021年中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/210625-4d6806f4.html

[2] AI產(chǎn)業(yè)爆發(fā)有望拉動液冷數(shù)據(jù)中心較快發(fā)展 氟化液迎機(jī)遇https://news.qq.com/rain/a/20231023A00XRC00