冷却液体的介电常数Dk测试方法

         冷却液的介电常数测试方法。液冷作为一种更高效的热管理方案，正在成为AI时代数据中心的关键“降温答案"。本文将带你走进液冷世界，探索浸没式液冷在数据中心的发展，以及是德科技如何用测量科技，为这场“冷静革命"提供坚实支撑。

一、浸没式液冷发展历程与应用现状

         浸没式液冷是液冷方案，将整台服务器乃至整个机柜浸泡在绝缘冷却液中，实现所有元件同时冷却。浸没冷却因其更高的传热效率和对超高功率密度的支撑能力，近年来受到了极大关注。

         进入2020年代，随着AI算力激增，浸没液冷开始在超算中心和云计算数据中心试点部署。据统计，中国已有多个浸没液冷项目落地，包括国家超算深圳中心二期；互联网公司等均建设了浸没液冷机柜集群。微软曾试验将双相浸没冷却应用于其Azure服务器，Meta和谷歌也投资相关研发。随着标准化推进和成本下降，浸没液冷正迎来加速增长拐点。

二、冷却液类型

         冷却液是浸没式液冷的核心。单相浸没液体主要分为四大类：

1、烃类：如矿物油、合成烃等。

2、氟化液：含氟有机液体，介电性能好且不燃。

3、天然酯类：由植物油提炼的酯类，如菜籽油基绝缘液。

4、合成酯类：人工合成的酯类冷却液。

      双相浸没目前主要使用氟化液工质，因为需要低沸点且绝缘的液体。

三、冷却液关键电气特性

        根据OCP《浸没式冷却液体基础规范》（2022），对用于浸没液冷的液体提出了关键参数要求：

1、介电强度 > 6 kV/mm（保障绝缘性）

2、介电常数 (Dk) ≤ 2.3（20MHz–40GHz频段）

3、介质损耗因子 (Df) ≤ 0.05（20MHz–40GHz频段）

4、体积电阻率 > 1×10^11 Ω·cm

(注：Dk越接近1越接近空气，Df越低电介质损耗越小。上述要求旨在减小液体对高速信号的电气影响。)

四、浸没式液冷挑战与问题

        尽管前景诱人，浸没式液冷的大规模应用仍面临诸多挑战：

1、技术工程挑战：

       相比传统方案，浸没液冷在工程实施上要克服很多新问题。例如，液槽密封与防漏设计、液体蒸发损耗控制、服务器插拔和维护便利性、液体老化和更换周期等。

2、材料和化学兼容性：

       绝大多数现有服务器元件（PCB板材、芯片封装、接插件、胶黏剂等）初并非针对长期泡在化学液体中设计。即使液体不导电，其对材料的相容性仍是隐患。例如某些塑料、密封胶可能被液体溶胀或析出物质污染液体；接插件长时间浸液也可能加速腐蚀或老化。这需要对服务器选材进行调整，并建立行业标准测试（OCP规范中要求检验液体对典型材料的影响）。

3、电气兼容性与信号完整性：

       这是浸没液冷区别于风冷的大挑战之一。液体介质的介电常数ε_r约在1.8~2.2，比空气的~1.0高出近一倍。电子元件工作在介电环境改变后，其高频电气特性会发生明显变化。例如PCB走线和连接器原本按空气介电常数设计，浸入液体后特征阻抗会降低（约降10Ω以上），导致信号反射增大、带宽下降。这在高速数字信号（如PCIe Gen5/6、112G PAM4链路）上表现为回波损耗变差、串扰和插损增加，信号眼图裕度缩小。研究表明，PCIe 5.0（32Gbps NRZ）在空气和液体中基本性能相当，而PCIe 6.0（64Gbps PAM4）在液体中误码率可能相比空气增高两个数量级！这意味着在浸没环境下高速链路更容易出现误码，需要额外的均衡（DFE/FFE）和信号优化设计。

4、安全与政策：

       液冷引入新材料和安全考虑。例如一些液体可燃或具温室气体属性，造成消防和环保顾虑。法规标准需更新以覆盖液冷设施的消防规范、泄漏应急、废液处理等。

5、液体管理与维护：

5.1 过滤与纯化

       冷却液长期循环会夹带铜屑、焊料微粒与塑化剂；必须配置 1–5 µm 线绕滤芯或离心分离器，并定期监测水分(<50 ppm)与酸值 (TAN) 以延缓老化。

5.2 电性参数漂移

       随着温度-氧化-污染累积，液体 DK/DF 会偏离初值并影响高速链路，需要在线采样或使用射频探头校验，并在阈值外及时更换。

五、标准化与测试方法（DK/DF电性参数及标定）

       行业正在制定相应标准和测试方法来保障互操作性和性能。一大重点是冷却液的关键电气参数（介电常数DK、介质损耗DF）的测试与标定方法。

       OCP在《浸没式液体基础规范》中提到了是德科技的射频探头法：

图1: OCP《浸没式液体基础规范》

         是德科技Keysight N1501A介电探头套件和N1500A材料测试软件，配合矢量网络分析仪测量材料在高频下的复介电常数。

         该测试方法是将探头浸入被测液体，由网络分析仪测量液体的S参数并计算DK和DF，频率范围覆盖200MHz至50GHz。这是一种宽频测试方法，也是OCP推荐用于液冷液体介电测量的方法。其优点是频带宽，适用产品全生命周期，包括设计、质检等。

六、使用是德科技的材料测试仪器测试材料性能和测量介电特性

         是德科技提供丰富的材料能测试解决方案，包括测试方法和建议、仪器、夹具以及软件，它们能够帮助高效、有效地表征被测材料的电气和电磁（EM）特性。通过准确表征材料特性，为研究人员提供关键信号，帮助打造下一代技术和产品。

图2：是德科技网络分析仪

图3：是德科技材料测试套件

图4: 是德科技材料测试方案

         相较于风冷，液冷对材料相容性、电气性能和系统可靠提出了更高的技术挑战，特别是浸没式液冷，虽具强大散热潜力，但在液体介电特性、电气兼容性等方面仍需持续攻关。

         是德科技凭借在高频信号测试、材料介电测量、电气可靠性验等方面的技术，构建了完整的液冷测试方案，已被 OCP、ODCC 等国外和国内标准组织推荐，成为推动液冷产业标准化的力量之一。

七、Keysight AI（KAI）整体解决方案

         除了电源能效这块，是德科技今年推出了Keysight AI（简称 KAI），是面向 AI 数据中心推出的端到端测试与验证架构，覆盖从预研、设计、测试到部署运营的全生命周期。通过 KAI，用户可以在部署前对 AI 集群进行全栈验证，优化硬件设计与网络拓扑，提高系统性能，并显著缩短上线周期。

        KAI 包括四大模块：

1、Compute：验证 DDR、PCIe、CXL等高速数字接口设计，确保物理层信号完整性与合规性，辅以误码率测试、示波器分析等工具支持高速AI芯片开发。

2、Interconnect：针对高达1.6 Tbps速率的光/电互联通道执行全面测试，包括224 Gb/s通道级别验证，以保障信号质量和网络稳定性。

3、Network：基于真实AI训练（LLM）流量执行 workload emulation，通过 AresONE 等流量生成仪模拟 RoCEv2/RDMA，评估网络延迟、尾部时延和拥塞瓶颈，提高集群 job completion time 性能。

4、Power：分析功耗效率与电源完整性，帮助优化数据中心能源管理与热稳定性。

图5: Keysight AI 完整解决方案

         是德科技致力于推动数据中心从风冷迈向液冷、从传统走向智能，协助行业客户构建更高效、更安全、更环保的算力基础设施。从冷却液介电性能测试到系统信号完整性验证，再到全面的AI数据中心测试架构——KAI平台，是德科技正在以专业力量，守护每一瓦能耗、每一个比特的数据流动。

         随着产业链协同推进和测试体系逐步完善，液冷将在未来 5–10 年加速进入数据中心与边缘算力中心。届时，“服务器泡在液体里"将不再是科幻场景，而是绿色高效计算的新常态。