什麼是液態冷卻?
液體冷卻是一種先進的冷卻方法，可用於管理高效能運算系統、伺服器和資料中心所產生的熱量。與依賴風扇和氣流的傳統空氣冷卻不同，液體冷卻使用液體介質 (通常是水或專用冷卻劑) 來吸收CPU、GPU 和其他發熱硬體等關鍵元件的熱量並將其傳走。
為了有效運作，液冷系統需要數種專門技術。這些技術包括：直接安裝在元件上以促進熱傳導的冷板；幫助冷卻液在系統中循環的冷卻液分配模組 (CDM) 和冷卻液分配單元 (CDU)；以及在元件和外部冷卻設施 (包括熱交換器或冷卻器) 之間傳輸冷卻液的管道，以去除液體中吸收的熱量。
液冷技術旨在高效移除高運算負載系統的熱量，使其成為人工智慧（AI）、機器學習（ML）、高效能運算（HPC）及資料中心等應用領域的關鍵解決方案——在這些場景中，傳統散熱方式往往力有未逮。液冷技術的優勢在於液體相較於空氣具備更優異的熱傳導特性，能實現更快速的熱量消散，並創造更穩定的運作環境。
液體冷卻的種類
目前有多種液態冷卻技術在使用中。以下是最顯著的例子。
直連晶片液冷技術
直接對晶片液體冷卻，也稱為 DLC，是資料中心最常見的液體冷卻方式之一。在這種方法中，冷板直接附著在處理器或其他產生熱量的元件上。這些冷板充滿液態冷卻劑，吸收熱量並透過管道的閉環系統將熱量帶走。DLC 可為個別元件提供高度針對性的冷卻，非常適合精度要求極高的高效能運算環境。
浸沒式冷卻
浸入式冷卻是將整個伺服器元件或硬體浸入不導電的液態冷卻劑中。這種方法可確保周圍的液體有效吸收熱量，與傳統的冷卻方法相比，可大幅降低熱阻。浸入式冷卻在處理需求極高的環境中非常有效，因為它可以同時冷卻多個元件，同時降低能耗和噪音。
後門熱交換器
後門式熱交換器安裝在伺服器機架的背面，當熱量離開伺服器時，它們會使用液態冷卻劑來捕捉和散熱。這種方法不會干擾內部元件，而是在機架出口處捕捉熱量，因此無需複雜的安裝即可有效散熱。後門式熱交換器非常適合在現有資料中心加裝液態冷卻功能，而無需對硬體進行重大修改。
液體對空氣冷卻
液體對空氣冷卻是一種混合方法，利用液體吸收內部元件的熱量，然後透過氣流或外部空氣冷卻熱交換器冷卻受熱液體。這種方法適用於需要液體冷卻，但又無法直接實施浸入式或直接對晶片解決方案的情況。它提供了系統設計的彈性，同時仍能受惠於液體冷卻的效率。
液態冷卻發展年表
- 1960 年代早期：最初的概念
- 20 世紀 60 年代，液體冷卻技術首次被用來管理早期高效能運算系統 (例如 IBM 的 Stretch (7030)) 所產生的熱量。
- 流體作為更有效的散熱媒介被引入。
- 1980s:大型機的液體冷卻
- 大型主機電腦，例如 IBM 的 System/360，利用液體冷卻來處理日益增加的熱負荷。
- 水冷系統的實施可提高資料密集環境的作業效率。
- 2000年代初期：高性能運算（HPC）的崛起
- 隨著對更優異熱管理需求增加，液冷技術再度受到關注，尤其在高效能運算（HPC）領域。
- 直接對晶片冷卻技術的推出，可在密集運算環境中針對特定元件進行冷卻。
- 2010 年代中期：浸入式冷卻與資料中心的採用
- 隨著運算能力需求的飆升，浸入式冷卻技術在超大型資料中心獲得了廣泛的應用。
- 此方法可有效冷卻多台伺服器，降低能源消耗並提升整體運作穩定性。
- 2020年代：廣泛應用於AI、機器學習與邊緣運算領域
- 液冷技術已成為處理先進技術所產生熱量的關鍵解決方案，這些技術包括人工智慧（AI）、機器學習（ML）及邊緣運算。
- 資料中心越來越多採用液態冷卻解決方案，以符合能源效率目標和現代應用的高運算需求。
資料中心以外的液態冷卻應用
雖然液冷技術因能有效管理伺服器與IT基礎設施的高熱負載，常與資料中心聯想在一起，但其應用範圍遠不止於此。 研究機構與科學實驗室中的高效能運算（HPC）系統，仰賴液冷技術在氣候模擬與基因定序等高強度運算中維持效能。同理，汽車產業運用液冷技術管理電動車（EV）電池、馬達及自動駕駛技術所用先進處理器產生的熱能。這些應用案例彰顯液冷技術在各產業中，如何成為管理先進高耗能系統散熱的關鍵解決方案。
除了運算和汽車領域，液冷還應用於電信和工業領域。隨著 5G 基礎設施的發展，電信公司利用液體冷卻來管理高密度網路設備產生的熱量。在工業製造領域，機器人、雷射機器和其他高功率裝置都使用液冷來確保運作穩定性並防止過熱。甚至在醫療保健領域，液體冷卻也用於醫療影像設備，包括 MRI 和 CT 掃描器，以確保穩定的效能和長壽命。這些多樣化的應用突顯出液冷作為熱能管理解決方案在不同產業的多樣性。
液體冷卻的商業效益
液體冷卻因其毋庸置疑的優點而被廣泛應用於各種工業應用中。其優點包括
- 能源效率：降低整體耗電量，與空氣冷卻系統相比，能源成本更低。
- 更高的硬體密度：在更小的空間內支援更多的設備，而不會有過熱的風險，最大化設施的使用率。
- 減少維護：比氣冷式系統更可靠，因此可降低保養與維修成本。
- 延長硬體壽命：讓關鍵元件保持低溫，延長其操作壽命並減少更換頻率。
- 降低營運成本：降低冷卻基礎建設需求，減少長期支出。
- 運作更安靜：減少對高噪音風扇的依賴，為資料中心或工業空間創造更安靜的環境。
常見問題
- 液態冷卻對硬體安全嗎？
是的，只要正確安裝和維護，液態冷卻對硬體是安全的。現代液體冷卻解決方案的設計採用不導電的冷卻劑和安全的配件，以防止洩漏，確保它們安全運作，而不會有損害敏感元件的風險。 - 液態冷卻是否比空氣冷卻更好？
是的，液體冷卻通常比空氣冷卻更有效率，尤其是對於高效能系統而言。液體具有更佳的熱傳導性，可更有效地散熱，並使元件保持較低溫度。這可改善效能、降低能源消耗並延長硬體壽命，尤其是在傳統空氣冷卻可能難以維持理想溫度的環境中。 - 液態冷卻系統可使用多久？
如果維護得當，液冷系統通常可以使用數年。其壽命取決於多種因素，例如元件的品質、使用的冷卻液類型，以及定期保養，包括更換冷卻液和確保沒有洩漏。已知維護良好的系統可可靠運作 5 到 10 年或更長時間。 - 液冷需要更多的維護嗎？
與空氣冷卻相比，液態冷卻需要一些額外的維護，例如定期更換冷卻液和檢查洩漏。然而，現代液態冷卻系統的設計相對較不需要維護，而且在冷卻效能和硬體壽命方面的優勢，往往超過所需的額外工作。