雙碳戰略下，數據中心的“冷”與“熱”
在《碟中諜5》中有這樣一個場景：一座位於摩洛哥的數據中心被直接“泡”在了水裡，為了讓自己的技術支持班吉·鄧恩通過一個需要步態識別的走廊，阿湯哥縱身一躍，跳入了漩渦之中，順着水流就被推入了計算機中樞，從而黑掉了安保系統……
這部電影的上映時間是2015年，場景看似科幻，但其實就在同一年，阿里雲已經開始進行浸沒式液冷技術的概念驗證。
所謂浸沒式液冷，就是將布滿密密麻麻紅黃色線頭的服務器浸泡在水一樣的液體里，只是這些液體並不是普通的水，而是特殊的絕緣冷卻液，服務器運算中產生的熱量被冷卻液吸收后，再進入外循環冷卻。
數據中心的能耗大致由通信及網絡設備､供電配電系統､照明及輔助設備和冷卻系統組成,其中冷卻部分的能耗約佔數據中心總能耗的40%左右｡
以往由於風冷成本低、部署簡單，一直被廣泛使用。但近年來，隨着高密度計算興起，芯片、服務器性能和單機櫃功率密度持續提升，浸沒式液冷開始受到青睞。
以阿里雲在杭州的雲數據中心為例，作為國內規模最大的全浸沒液冷集群，整體節能超70%，年均PUE低至1.09。相比傳統數據中心，每年可以省電7000萬度，相當於西湖周邊所有路燈連續點亮8年的耗電量。
尤其是今年2月，我國“東數西算”工程正式全面啟動。其中，提出了三個發展方向：綠色節能、算力調度、安全可靠。綠色節能被放在了優先位置。
“無論從政策角度、市場需求還是技術成熟度來講，均標志著數據中心進入‘液冷時代’。”中國电子節能技術協會秘書長呂天文此前在2022數據中心液冷技術研討會上說道。
數據中心的能耗焦慮
數據中心的概念起源於20世紀50年代末，當時美國航空公司與IBM合作，創建了一個屬於美國Sabre公司的乘客預定系統，使其主要商業領域的這一部分變得自動化。
不過，早期的數據中心還只能靠幾台大型主機完成本地數據計算，不僅不能做分佈式運算，也無法對外提供服務。直到90年代中期，互聯網出現並對市場產生了巨大影響。隨着公司對互聯網業務應用的支撐需求，數據中心作為一種服務模式為大多數公司所接受。
2010年以後，隨着雲計算技術的興起，雲數據中心又逐漸走進了大家的視線。與之前相比，雲數據中心的基礎設備更加規模化、標準化和智能化，建設成本更低、承載的業務更多。
回顧數據中心發展歷史不難發現：數據逐漸成為了新型生產要素，對於生產力發展的重要性在不斷提升。
在我國，自2020年數據中心被納入“新基建”以來，各地数字化相關產業發展浪潮愈發風起雲涌。在日前舉辦的世界5G大會Tech-Talk2022前瞻論壇上，國家信息中心信息化和產業發展部主任單志廣表示，全國國家數據中心集群建設中，2022年新開工項目25個，投資超過1900億元。
不過，數據中心的繁榮，也帶來了一系列問題，比如需要佔用更多的場所、增加能耗等等。在首屆“東數西算”粵港澳大灣區（廣東）算力產業大會上，南方科技大學清潔能源研究院院長、澳大利亞國家工程院外籍院士劉科在大會現場表示，飛速增加的數據中心帶來了飛速增加的能源消耗，截至2020年底，中國數據中心耗電量已經突破2000億千瓦時，能耗佔全國總用電量的2.7%，預計2022年耗電量將達到2700億千瓦時。
這一能耗量之所以引人關注，可以從一組對比数字看出端倪。截至2020年12月31日24時，三峽電站2020年全年累計生產清潔電能1118億千瓦時。也就是說，2020年數據中心一年的耗電量相當於當年兩個三峽電站的發電量。
宏觀的能耗数字凸顯了問題的急迫性，而細微的能耗環節則讓摸清能耗來源以及尋找解決方案更加有的放矢。
眾所周知，數據中心的載體是一個個IT設備，而所有IT設備的計算能力是由芯片來決定。從目前來看，整個服務器的主流芯片的功耗是不斷增長的，甚至在最近幾年出現了一個斜率相當大的上升。隨着服務器芯片的功率從100W、200W增長到350W、400W，服務器的功耗會有一個翻倍的增長，這就決定單機櫃功率密度從最早的4KW、6KW增長到15KW到20KW。
不久前，在2022英特爾中國數據中心合作夥伴技術峰會上，英特爾數據中心平台技術與架構部中國區總經理王飛透露，2025年英特爾預計有50億顆CPU核心投入運營。這就意味着，一方面算力的發展在支撐着數據中心、數據經濟和全球經濟的發展；但另一方面，這也會給全球經濟的可持續發展，以及數據中心的節能減碳帶來更多挑戰。他介紹說，2030年数字中心將消耗全球3%-6%的電能。
顯然，在這樣的趨勢下，傳統的風冷方式已經無法滿足數據中心的散熱和製冷需求。“目前，風冷技術仍然被大規模使用。隨着我們對風冷技術的不斷增強，比如說增加它的體積、面積、熱管技術和各種先進技術，以及在數據中心級跟機架級和節點上做各種優化，數據中心的PUE也可以降到1.2左右。 但之後我們也發現，即使有這麼多的優化，仍然有高達20%的能耗浪費在數據中心的散熱和維護上面，另外還要加上系統風扇的能耗。這對於減碳目標來說，仍然不夠理想。”王飛說道。
PUE監管更加嚴格
一邊是數據中心革新能效的自我驅動，另一邊，隨着雙碳目標的確定，從中央到地方，均將限制高PUE寫入政策，對數據中心的監管更加嚴格。
什麼是PUE？PUE是數據中心總能耗與IT設備能耗的比值，基準是2，數值越接近1代表其用能效率越高。一般來說，對數據中心的的評價指標主要有三個，分別是PUE（電能利用效率）、可再生能源結構比例以及碳排放量。其中，PUE是主要的政策抓手。
6月，工信部等六部門聯合印發《工業能效提升行動計劃》，該計劃中指出：到2025年，新建大型、超大型數據中心電能利用效率優於1.3。
過去數據中心作為地方政府的經濟抓手，廣受歡迎。近幾年，各大一線城市已經紛紛對數據中心的節能指標做出了嚴格的要求。
北京在《北京市新增產業的禁止和限制目錄(2018年版)》中明確規定，全市禁止新建和擴建PUE大於1.4的數據中心。上海在《上海市推進新一代信息基礎設施建設助力提升城市能級和核心競爭力三年行動計劃(2018-2020年)》中指出，新建數據中心PUE要限制在1.3以下。
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相比之下，深圳則最為嚴格。在《深圳市發展和改革委員會關於數據中心節能審查有關事項的通知》中強調，只有PUE低於1.25的數據中心才可以享受新增能源消費量40%以上的支持。
從地方政府態度不難看出，GDP產值固然重要，但更重要的還是單位能耗的GDP產值要上升。對於身處其中的企業來說，既然傳統風冷逐漸無法滿足數據中心散熱需求，那就必須找到一種合適的技術，完成經濟效益和發展效益的平衡。
浸沒式液冷，突破能耗高牆
早在2015年，正在做雲計算以及推廣的阿里雲意識到算力的迅速增長對未來的挑戰。這個挑戰不光是芯片本身的散熱問題，同時也有數據中心能耗大幅度增長的問題。
“當時我們就認為未來一定需要找到一種合適的技術，做到充分釋放計算的潛能，同時也可以做到可持續發展。”阿里雲服務器研發資深技術專家鍾楊帆在2022英特爾中國數據中心合作夥伴技術峰會說道。
當時，液冷的概念剛剛出現不久。於是，阿里找到英特爾開始共同投入研究液冷技術。“當時也是一個摸索，我們對市面上所有液冷的方向和技術都做了探索和實踐，包括冷板的技術，兩相、單相的技術，也做了一些樣機和試驗。”鍾楊帆說道。
作為技術服務商，英特爾圍繞浸入式液冷所面臨的材料兼容性、電氣信號完整性、芯片散熱特性、服務器系統散熱特性、服務器及機櫃結構設計等課題，從處理器定製和服務器系統開發與優化着手，突破芯片功耗牆功耗和冷卻兩大影響算力提升的關鍵問題，使得液冷服務器在阿里雲數據中心從實驗逐漸發展到大規模部署。且英特爾對液冷技術的研究不僅於CPU，對FPGA等部件在液冷條件下的兼容性驗證也有相關的研究。
2016年，阿里雲首發了浸沒式液冷系統。2017年後不斷擴大規模，2018年建成首個互聯網行業最大規模浸沒式液冷服務器集群，開啟了浸沒式液冷的正式商用。2020年，阿里雲又投產了首個5A級綠色液冷IDC。
從2015年探索開始，至今7年的時間，阿里雲為何會從眾多的實驗路線中選定浸沒式液冷路線？
與傳統的風冷服務器相比，液冷技術一方面存在能效上的優勢。因為它有更好的熱捕獲能力，對於浸沒式液冷來說，甚至可以達到100%的熱捕獲能力。據鍾楊帆介紹，在液冷技術的加持之下，阿里雲的浸沒式液冷數據中心的PUE甚至可以降到1.09左右。而傳統風冷的年均PUE則是1.5，相比之下，能耗下降了34.6%。
另外，隨着整個數據中心能耗的提高，能源或者熱能的回收再利用也成為一個非常重要的話題。對於數據中心來說，在理論上它產生的熱能都可以被回收再利用，如果可以做到比較好的熱能捕獲，就可以回收再利用，甚至銷售由這些熱能轉化的能源，而液冷技術恰恰可以更好地支持熱能的捕獲和回收再利用。
除此之外，由於液冷的熱傳導效率比傳統的風冷要高很多，因此能突破傳統風冷製冷能力的瓶頸，從而讓單機櫃功力密度提升了很多。鍾楊帆介紹說，傳統風冷技術下，單機櫃一般是10KW左右的散熱能力，但採用全浸沒液冷技術可以做到100KW以上。
再加上浸沒式液冷數據中心在地域上並不“挑剔”，具有更強的普適性，因此布局難度有所降低。在浸沒式液冷技術下，設備處於較低溫度運行，再加上取消風扇后沒有了震動，設備的可靠性進一步提升，噪音進一步減少。阿里雲通過實際的運行實驗發現，浸沒液冷技術能夠讓設備的故障率下降50%。
研發“無人區”，標準、成本如何解？
根據MordorIntelligence的報告,2020年全球數據中心浸沒式液冷市場的整體規模為2.97億美元,預計到2026年將達到7.03億美元,期間複合年增長率為15.27%｡
數據中心浸沒式液冷技術發展迅速，優勢也顯而易見，能突破散熱瓶頸，實現更優能效比，但真正應用的企業並不多，即使是在數據中心領域有着非常大技術投資的互聯網巨頭，也沒有真正規模化應用這項技術。這就意味着浸沒式液冷技術的研發就像行走在“無人區”，前面沒有領路人，很多技術方向都是需要摸索，也就不得不面臨技術難度、成本偏高、缺乏標準化，還有腐蝕、漏液等問題。
浸沒式液冷技術的原理是用液體去代替空氣進行換熱，它同傳統的風冷技術相比，革命性的地方不只是散熱方式的變化，還會涉及到整個數據中心的生態，服務器、網絡設備、監控乃至數據中心整體設計都將被改變和重新定義。“比如不導電的液體有很多種，哪種液體能夠滿足長期演進和長期使用？RD設備放在液體中是否能夠長期穩定工作？甚至如何運維等等。”鍾楊帆說道。
為此，阿里雲聯合了全球數十家合作夥伴，從芯片到服務器整機到機櫃再到數據中心等多個供應商。比如芯片的重要合作夥伴是英特爾，其第三代英特尓®至強®可擴展處理器、以及高性能可編程芯片FPGA等產品都需要在浸沒液冷系統中高效並可靠地運行。通過聯合供應商聯合研究開發驗證，一點點地迭代部署來發現問題，解決問題，從而實現規模化部署。
處於行業初期，供應鏈、生產鏈並不健全導致標準也缺失，比如業界對液冷材料兼容性、液冷產品材料選型、浸沒液冷機櫃和服務器結構、光模塊等均沒有規範標準。“如果沒有標準，特別是行業標準，就沒有規模經濟，就很難降低成本，也就很難做到復用去支持可循環經濟的產業鏈的發展。”王飛說道。
為了推動行業標準發展，阿里雲先是在去年與中國信通院雲計算與大數據研究所、OPPO共同發起“浸沒液冷智算產業發展論壇”，並在今年5月舉辦的第一屆浸沒液冷智算產業發展論壇上，發布了新的浸沒式液冷技術的三大技術標準和兩項白皮書。
英特爾則是發起成立了綠色數據中心技術創新論壇，集合20家ICT產業上下游廠商，橫跨多個領域，覆蓋整個數據中心產業鏈。該論壇的成立，旨在通過技術創新和產業合作，加速數據中心運營模式的綠色轉型，推動數據中心節能減排、可持續發展，支撐数字基礎設施建設、碳中和計算，實現碳達峰、碳中和的“雙碳”目標。
另外，對新技術的引入、研發等存在成本。浸沒式液冷系統的部署成本不僅包含液冷設備罐體和冷卻液的價格以及後續的維護成本,還包括泵､換熱器､過濾器､傳感器等一系列用來滿足液冷系統設計實踐的其它設施的改造和維護成本｡尤其是對於那些已按照風冷系統建設完成的數據中心來說,改造成本往往是巨大的｡據了解，當前由於浸沒式比起傳統方式初期投入構建成本高，大約都有幾倍的價差。
為了解決成本高昂的問題，據TomsHardware報道，英特爾持續研發浸沒式液冷散熱解決方案，讓數據中心更多地採用浸沒式液冷散熱，同時不需要耗費大量資金設計定製解決方案，這將大幅度降低成本及碳排放。
任何技術在發展初期，具體發展道路都是曲折的、迂迴的，伴隨着數據中心節能減碳的需要與高密度數據中心的發展，政策驅動、巨頭出手，數據中心浸沒式液冷正進入大規模商用加速道。（本文首發鈦媒體app 作者｜韓敬嫻）
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