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浸沒式液體冷卻 助數據中心省電費

【明報專訊】傳統上,數據中心和企業的伺服器等都是靠風冷設備和空調系統散熱。近幾年市場上出現一種「浸沒式液體冷卻方案」,可以直接整部電腦完全浸在不導電的冷卻液,散熱效果更勝風冷技術。納米及先進材料研發院(NAMI)近兩年應企業要求,成功研發出全新的不導電冷卻液,在散熱效果和成本上,比市場現有產品更具優勢。

明報記者 薛偉傑 攝影 賴俊傑

納米及先進材料研發院(NAMI)高級技術經理郭志豪博士、高級工程師李偉聰、工程師龍麒元表示,最初是在2019年,有兩家分別製造伺服器風冷設備和散熱材料的公司提出,問他們能否開發出不導電的液體,直接將伺服器浸沒來冷卻。

約8、9年前,市場上已開始出現這種「浸沒式液體冷卻方案」,暫時不算普及,美國和中國內地有部分數據中心採用,但香港的業者則沒有採用。因為市場上的相關方案通常有兩個缺點,第一,是冷卻液的吸熱能力不夠強;此外,部分冷卻液的沸點偏高,很難利用到它們汽化來吸熱;第二是冷卻液非常貴,每噸售價逾100萬元。

商業化後可比同類產品廉宜一半

他們分析後,覺得浸沒式液體冷卻方案應該甚有需求和前景,尤其是未來人工智能、5G、超級電腦等勢必愈來愈普及,於是在2020年開始研發。經過兩年努力,他們成功研發出兩種全新的含氟冷卻液,其中一種的沸點約70度,使用過程中可以利用到它汽化來加強吸熱(即所謂「兩相」);另一種的沸點約160度至170度,使用過程中不會汽化(即所謂「單相」),好處是系統的氣密性要求較低,製造成本略低。

若與現時市場上最出色的同類不導電冷卻液相比,兩者的「比熱容」(即每單位重量升高1度所吸收的熱量)要高出30%至40%。此外,他們研發的低沸點冷卻液的「汽化潛熱」,亦比市場上最出色的同類冷卻液高出約50%。至於售價方面,他們估計,商業化生產後,會比市場現有的同類產品廉宜一半,每噸價格料數十萬元。

郭志豪指出,數據中心行業有一個指數用來比較節能效果,稱為「電力使用效率」(PUE),是將一間數據中心總用電量除以它IT設備用電量,PUE愈接近1,代表花在IT設備之外的用電量(主要用於冷卻)愈少。

適合大量運算低延時系統

根據業界的數據,採用風冷式方案的數據中心的PUE是約1.3,採用浸沒式液體冷卻方案的數據中心的PUE約是1.05(因為可以節省冷氣費)。由於NAMI的全新冷卻液吸熱能力比市場現有的強,若製成全套系統應用於數據中心,相信可以令PUE低於1.05。

另一方面,浸沒式液體冷卻方案散熱效果好,可以讓企業將處理器的時脈設定得高一點。他們曾用同一部電腦運行一個測試程式來比較,若只使用普通風冷技術散熱,那枚處理器16個核心的時脈只能夠達到約2.8GHz;若改用NAMI的浸沒式液體冷卻方案,16個核心的時脈可以提高至約3.8GHz,比前者高出約35.7%。

郭志豪認為,對於一些需要做大量運算而又要求低延時(如與5G相關)的電腦系統,浸沒式液體冷卻方案更適合。相反,若只用風冷技術散熱,中央處理器和圖像處理器可能來不及散熱,而自動降低頻率。

截至10月,他們研製的原型已經用來冷卻一部個人電腦約1200小時。而且,他們令電腦高速運算,令其溫度比冷卻液的沸點高出約20度,這樣做是為了模擬已經使用了幾千小時的效果。

可為電動車鋰電池降溫

郭志豪認為,除了節能和推高電腦性能之外,浸沒式液體冷卻方案可以應用在電動車的鋰電池上,以避免鋰電池出現過熱失火或爆炸等意外,快速充電站亦可以用這種方案來降溫。若再修改一下,甚至有可能應用於滅火方面。

現時,他們正在申請兩項專利,並進行更多物理兼容性測試,例如,觀察各電子元件的插腳會否因為被冷卻液長期浸沒而出現腐蝕等,預期明年第一季完成;之後會完成吸入、吞食、接觸的毒理測試。至於商業量產,可能在明年底開始,由取得授權的企業負責。

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