3M科技有限公司液冷首席科学家蓝滨发表致辞
谢谢主持人、大家听了一个下午的液冷,前面有很多朋友讲到了系统、机器、用户、应用等等,关于液冷我们觉得还有一个非常关键的因素就是其中使用的液体. 前面大家听到了冷板式的液冷应用, 使用的液体和需要散热的器件是相隔绝的,在这样的应用中, 我们可以使用水或者是相应的水基液体,除非应用中要求液体有很高的绝缘性,否则其他有机类液体很难在传热能力上与这类液体相比拟. 从我们的角度我把这类水基的液体归类为低绝缘性或非绝缘性液体,即使某些液体如去离子水本身有一个比较好的绝缘性,但因为其离子溶解性, 在溶解其他的物质之后,它的绝缘性就会大大的降低,这一类的液体一般只能使用在冷板或和发热的器件需要隔绝的环境中,另一类是具有高度绝缘性的有机液体,比如我们公司主要生产的碳氟化合物液体。这类液体本身具有很高的绝缘性,同时在使用环境当中它的惰性和绝缘性很难破坏的。这其中就包括许多的有机物质,像硅油、矿物油以及一些氟碳的化合物等。这些液体可以应用在直接和工作器件接触的浸没式冷却应用中。
今天我演讲的主要内容包括3M公司氟化液和传热应用的历史,以及通过所拥有的这些产品, 对于浸没液冷相应技术的开发以及成功的案例. 3M公司是一家老牌的公司,本身存在已经超过了一百年的历史,对于整个氟化液的开发生产到应用也超过了半个世纪的时间,在半个世纪的应用历史之中,传热是氟化液产品一个非常重要的应用,可以说从3M开始生产这一类的氟碳液体起,我们就一直进行着氟化液这样一些传热的应用开发。
3M科技有限公司液冷首席科学家蓝滨
3M氟化液最早在传热的应用是1958年对西屋公司变压器的喷淋冷却应用,早期因为液体氟碳类的液体成本比一般碳氢液体高,所以它们集中使用在对性能和可靠性要求较高苛刻的使用环境中,如在军工、航天以及大功率变器件的冷却。在计算机这个行业我们也有了一个比较早的进入,在19世纪80年代超算蓬勃发展的初期,3M的氟化液就作为超算的冷却介质,为当时在世界排名第一的超级计算机, Cray2中进行一个直接接触的高效喷淋冷却的应用,这一台机器如果大家有兴趣的话可以到美国硅谷的计算机博物馆参观,这在当年是一个里程碑式的应用。
在近十年我们也和多家国内外的企业开展了浸没冷却的开发合作,包括施耐德林总提到的ICEOTOPE单相浸没式刀片服务器的应用,以及我们在超算大规模数据中心和超级计算机的使用,此外在一些边缘的应用比如在比特币挖矿中,3M的氟化液和浸没冷却方案也得到非常成功的拓展。
3M现有的氟化液平台主要有两个产品系列,其中包括产品名为Fluorinert系列,这是我们一直沿续生产的产品平台,因为这个系列优异的稳定性和绝缘性,在之前大家听到半导体加工的应用有着不可替代的使用,我们在本身氟化液的基础上也是不断有新产品产生,另外一个系列Novec系列,就是有更好的可持久性和环保性,正在得到越来越多的应用场景。我们用以传热的产品主要是以液态的形式,最低的沸点到34度,最高的超过200的产品,我们会在较适合传热应用的34到174度沸点液体的产品中,根据不同的应用推荐选择相应的产品。
评测我们整个的产品线主要性质可以划分成三点,性能方面要保证具有氟化液独特的基本性能,比如是绝缘性、惰性也包括耐腐蚀性,还有和物质的相容性等等,环保方面刚才大家刚听过关于ODP臭氧破坏物质的介绍,而在我们所有的产品里面是找不到的ODP分子成分,而且我们有很好的健康和人体接触的可靠性,保证你在应用的过程当中不会因为毒性或者是对人体产生的危害而影响你的使用。同时因为氟化液的不燃性和灭弧性,也提升了应用的安全性。
从理论上来讲,我们的氟化液产品也可以使用冷板的方式,就是放入冷板当中作为循环液体使用,但是局限于氟碳化合物的物理特性,它与同体积的水相比,只有其三分之一到五分之一的带热量,除非客户有非常特定的要求,比如水不能进入我的核心机房,或者对泄露有很大担心的情况下,客户也许会牺牲成本、空间,或者加大流速、换热面积等,使用这类氟化液作为冷板传热的介质,当然这些同样有一定的应用场景,我们现在在国内也有一些合作伙伴,使用3M的氟化液进行直接单相冷板式传热的合作。
而我们更加推崇的另外一个应用方式就是浸没式,它更好利用了氟化液绝缘性和惰性的特性,可以把我们发热的器件长期带电浸泡工作在液体环境中,通过液体不同方式的循环达到传热的目的。这其中包括一类是液体单相循环的方法,也就是像GRC和云图刚刚介绍的,在使用过程当中浸没液体保持液体的形式,通过液体本身的比热吸收热量,再使用循环泵把热量带出去,最后还需要通过外界的板换和水循环把热量带走。氟化液的低粘度和低表面能使液体不易附着在器件上,维护更换中更加便捷。液体的不燃性也提升了设备的安全性。
另一类浸没应用我们会选择沸点比较低的氟化液,这是无论是碳氢还是硅油类液体安全性上无法实现的,这些液体沸点比较低的氟化液在使用环境中,可以通过液体在低于器件工作温度的一定沸点的相变作用把热量吸走,再通过冷凝等等形式重新回到液腔,达到传热的目的,这样相变的过程比单独使用比热吸热的导热效率是几十倍甚至是上百倍的提升。
我们公司生产这样一些独特的产品,如何让它们在浸没冷却这一领域发挥作用,就涉及到从如何可用、到如何适用甚至是如何好用的应用开发过程,要实现业界认可的浸没冷却方案,我们自己做了很多的探索,这其中包括从理论的验证,我们到底怎么样可用,通过浸没的方式能够更好的把热量传出去,包括怎么适用,你要浸没的器件是不是跟我们的液体相容,在什么条件下对污染有什么样的预防措施,以及怎么样好用,如何提高液体的使用效率, 我们都进行了大量研究,开发了很多除液体外的辅助性技术,比如说我们开发的促进蒸发的技术,可以在很小的温差范围内使液体大量蒸发,降低液体沸点和实际器件使用温度之间的差距,达到更好的传热功能,在此期间,我们也是从一开始的家用电脑,稍大一点的服务器,甚至服务器阵列做了很多的实际原型机的开发和测试确认工作。
我们希望通过自己的一些实验室工作,以及从客户来的一些反馈,能够把这项技术和相应各种配套使用的一些技术和概念,做到更加完善和标准化,当然这个也是缺少不了在ODCC这个开放的平台下, 和各位在座合作伙伴一起进行摸索,建立浸没冷却的生态圈。
在国内在座的有很多我们的合作伙伴、朋友等等,对于我们在国内的应用推广很多人也都是耳熟能详的,今天我就介绍一些我们在国际上的应用案例。这个是我刚刚提到的在计算机领域最早的里程碑式的使用,Cray2,它是直接把液体循环到器件上形成像瀑布一样的应用过程,这个在当时甚至是现在也是非常新颖使用的形态,因为后续的半导体器件工艺的发展,实际的电子器件没有那么热,这种直接接触的液冷方式曾经逐渐丧失了它的使用场景,可能确实使用的液体太多了。而随着器件功率性能的提高,氟化液浸没应用又显示出巨大的性能效率优势。如果大家关心一些计算机特别是HPC界的新闻,应该知道美国的IBM重新夺回TOP500第一名,而在TOP500以外,同时还进行对这最快的500超级计算能效的排行榜,Green500,在这个榜单上前三名全部是用浸没式液冷的案例,其中使用的就是一款3M单相冷却的氟化液。刚刚GRC的李总说他很骄傲地说他们当年在13-14 曾经连续两年拿到了Green500第一名,而从那以后连续五年全部是使用3M氟化液的浸没冷却计算机拿到这个能效榜的世界第一。
另外在比特币挖矿风行的最近几年我们还有这样的一项应用,通过氟化液两相式的蒸发冷却达到很好的效果,不但起到节电的目的,而且把硬件的密度大大压缩到浸没缸体之内, 提高了液体的使用效率,这是我们在2015年支持的40MW的挖矿设施,每个缸体装置250千瓦的ASIC计算芯片,整体的PUE是在1.01到1.02,这是币圈非常轰动的案例。今年我们又做了一个项目,还是在国外的,项目总功率增加到160MW,我们觉得这种应用形态非常贴近我们所预想的适合使用两相式相变传热的高密度计算方案。另外还有我们和ICEOTOPE合作的刀片式的结构,也是获得多项能效奖项的国际案例,除了在国际以外,在中国的客户之间我们也有非常多的合作项目正在进行或者马上启动,我们也是希望通过和在座各位的合作,能在ODCC的平台上,使浸没冷却这个创新的技术更加蓬勃发展,谢谢大家!