خنک‌کنندگی مایع در کاربردهای مراکز داده موضوع جدیدی نیست. می‌توان آن را به دهه ۱۹۶۰ بازگرداند، زمانی که در رایانه‌های مرکزی IBM برای حل چالش‌های خنک‌کنندگی دستگاه‌های حالت جامد((Solid-state devices)) که به‌طور فشرده‌ای بسته‌بندی شده و دماهای عملیاتی مجاز کمتری داشتند، استفاده می‌شد. اما معرفی فناوری نیمه‌هادی اکسید فلز مکمل (CMOS) در اوایل دهه ۱۹۹۰ جایگزین فناوری نیمه‌هادی دوقطبی شد و مصرف انرژی را کاهش داد. در نتیجه، خنک‌کنندگی با جریان هوای همرفت دوباره به عنوان گزینه پیش‌فرض خنک‌کنندگی تجهیزات فناوری اطلاعات مطرح شد.

خنک‌کنندگی با جریان هوای همرفت همچنان در مراکز داده غالب است، اما پذیرش خنک‌کنندگی مایع در بازی‌های ویدیویی، استخراج رمز ارز و کاربردهای High-performance computing (HPC) که نیاز به ظرفیت محاسباتی بالاتر با سرورهای ویژه دارند، گسترده‌تر شده است.

خنک‌کنندگی مایع هنوز در صنعت مراکز داده به طور گسترده پذیرفته نشده است، عمدتاً به این دلیل که تقاضای محاسباتی با افزایش تعداد هسته‌های منطقی که در محدوده های توان معقول باقی می‌مانند، تأمین شده است. علاوه بر این، صنعت مراکز داده به طور کلی محافظه‌کار است و فناوری‌ها و معماری‌های جدید با نرخ پذیرش کندی مواجه هستند.

دو دسته اصلی از خنک‌کنندگی مایع وجود دارد – مستقیم به چیپ Direct to Chip (که گاهی به آن صفحه سرد نیز گفته می‌شود) و غوطه ور. از این دو دسته، مجموعاً پنج روش اصلی خنک‌کنندگی مایع استخراج می‌شود، در شکل 1 نشان داده شده است.

خنک‌کنندگی مایع مستقیم به چیپ – تک‌فازی (Direct to chip liquid cooling – single-phase)

در روش مستقیم به چیپ، مایع خنک‌کننده مستقیماً به اجزای داغ‌تر (پردازنده‌ها یا کارت‌های گرافیک) همراه با یک صفحه سرد روی چیپ داخل سرور هدایت می‌شود. اجزای الکترونیکی IT در تماس فیزیکی مستقیمی با مایع خنک‌کننده قرار نمی‌گیرند (شکل2). همچنین برخی از طراحی‌ها شامل صفحات سرد اطراف ماژول‌های حافظه می‌شوند. در این روش، همچنان نیاز به فن‌ها برای تأمین جریان هوا در سراسر سرور جهت حذف حرارت باقی‌مانده وجود دارد. این به این معناست که زیرساخت خنک‌کنندگی هوایی متداول کاهش می‌یابد اما همچنان مورد نیاز است.

می‌توان از آب یا مایع دی‌الکتریک به عنوان مایع خنک‌کننده برای صفحات سرد استفاده کرد. استفاده از آب در صورت نشت، خطر توقف سیستم را ایجاد می‌کند، اما راه‌حل‌هایی مانند سیستم‌های جلوگیری از نشت (LPS: Leak Prevention Systems) وجود دارند.

تک‌فازی به این معناست که سیال در حین حذف حرارت حالت فیزیکی خود را تغییر نمی‌دهد. برای روش مستقیم به چیپ، عمدتاً از مایعات خنک‌کننده بر پایه آب تک‌فازی استفاده می‌شود، اما برخی از طراحی‌ها از مایعات دی‌الکتریک مهندسی‌شده نیز بهره می‌برند.

خنک‌کنندگی مایع مستقیم به چیپ – دو فازی  (Direct to chip liquid cooling – two-phase)

این روش مشابه روش قبلی است، با این تفاوت که سیال دو فازی است به این معنا که سیال از یک حالت به حالت دیگر تغییر می‌کند  به عبارتی از مایع به گاز در فرآیند حذف حرارت. دو فازی در دفع حرارت نسبت به تک‌فازی بهتر است، اما نیاز به کنترل‌های اضافی سیستم برای تضمین عملکرد صحیح دارد. برای خنک‌کنندگی مایع مستقیم به چیپ دو فازی، از مایع دی‌الکتریک مهندسی‌شده استفاده می‌شود. این موضوع خطر تماس آب با تجهیزات فناوری اطلاعات را از بین می‌برد. بخار دی‌الکتریک می‌تواند به کندانسور بیرونی منتقل شود تا حرارت خود را دفع کند.(شکل 4)

خنک‌کنندگی مایع غوطه‌وری – شاسی IT – تک‌فازی (Immersive liquid cooling – IT chassis – single-phase)

در خنک‌کنندگی مایع غوطه‌وری، مایع خنک‌کننده در تماس فیزیکی مستقیم با اجزای الکترونیکی IT قرار دارد. سرورها به‌طور کامل یا جزئی در یک مایع خنک‌کننده دی‌الکتریک غوطه‌ور می‌شوند که برد و اجزا را می‌پوشاند و اطمینان می‌دهد که تمام منابع حرارتی حذف شوند. این روش از دی‌الکتریک تک‌فازی استفاده می‌کند. در سیستم‌های خنک‌کنندگی مایع غوطه‌وری، امکان حذف تمامی فن‌های موجود در سرور فراهم می‌شود. در این روش، اجزای الکترونیکی در محیطی قرار می‌گیرند که واکنش کند نسبت به تغییرات دمایی خارجی دارد و به این ترتیب از تأثیر رطوبت و آلاینده‌ها محافظت می‌شود. علاوه بر این، عدم وجود فن منجر به عملکرد تقریباً بی‌صدا در این سیستم می‌گردد.

شکل 5، رویکرد شاسی IT تک‌فازی در سیستم‌های خنک‌کنندگی مایع غوطه‌وری را به تصویر می‌کشد. در این روش، سرور در یک شاسی مهر و موم‌شده قرار می‌گیرد و قابلیت جاگذاری به عنوان IT رک‌ماونت استاندارد یا تجهیزات مستقل را دارد. اجزای الکترونیکی به وسیله مایع دی‌الکتریک خنک می‌شوند که می‌تواند از طریق هدایت و همرفت طبیعی به‌صورت غیرفعال یا از طریق همرفت اجباری به‌صورت فعال عمل کند، و حتی ترکیبی از هر دو روش مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، مبدل‌های حرارتی و پمپ‌ها می‌توانند در داخل سرور یا در چیدمان جانبی مستقر شوند، به طوری که حرارت از دی‌الکتریک به حلقه آبی منتقل گردد.

خنک‌کنندگی مایع غوطه‌وری – وان – تک‌فازی (Immersive liquid cooling – Tub – single-phase)

در روش وان (که به آن حمام باز نیز گفته می‌شود)، تجهیزات IT به‌طور کامل درون سیال غوطه‌ور می‌شوند. در رک‌های سنتی IT، سرورها به‌صورت افقی از پایین تا بالا در یک رک چیده می‌شوند. با این حال، به دلیل استفاده از وان، این روش شبیه به قرار دادن یک رک سنتی از سرورها به صورت خوابیده است. به جای خارج کردن سرورها در یک صفحه افقی، سرورهای غوطه‌وری وان در یک صفحه عمودی بیرون کشیده می‌شوند.

در بسیاری موارد، این روش شامل منابع تغذیه متمرکز برای تأمین برق تمامی سرورها درون وان است. حرارت موجود در مایع دی‌الکتریک از طریق مبدل حرارتی با استفاده از پمپ یا همرفت طبیعی به یک حلقه آبی منتقل می‌شود. این روش معمولاً از دی‌الکتریک مبتنی بر روغن به عنوان سیال استفاده می‌کند. مبدل حرارتی ممکن است در داخل یا خارج از وان نصب شود.

خنک‌کنندگی مایع غوطه‌وری – وان – دو فازی (Immersive liquid cooling – Tub – two-phase)

درست مانند روش وان تک‌فازی، تجهیزات IT به‌طور کامل درون سیال غوطه‌ور است. تفاوت اینجا استفاده از مایع خنک‌کننده دی‌الکتریک دو فازی است. باز هم، این بدان معناست که سیال در حین حذف حرارت از یک حالت به حالت دیگر تغییر می‌دهد  یعنی از مایع به گاز. به دلیل تغییر فازی مورد نیاز، این سیال باید از نوع مهندسی‌شده باشد.