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雙碳”趨勢(shì)下，零碳數(shù)據(jù)中心如何打造，要重點(diǎn)考慮"電從哪里來(lái)？熱到哪里去?"（三）

發(fā)布時(shí)間：2024-12-16

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三、液冷技術(shù)方案的應(yīng)用

創(chuàng)新技術(shù)是推動(dòng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減碳的核心動(dòng)力、制冷方式的革新、設(shè)計(jì)建設(shè)方式的優(yōu)化。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，服務(wù)器的數(shù)量決定了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)處理能力，而中大型數(shù)據(jù)中心服務(wù)器都是以數(shù)千臺(tái)來(lái)計(jì)算，按照一個(gè)機(jī)架放置10臺(tái)服務(wù)器，大型數(shù)據(jù)中心就需要數(shù)百個(gè)機(jī)架。這樣巨量的服務(wù)器設(shè)備同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，按照每臺(tái)運(yùn)行功率300W來(lái)計(jì)算，一萬(wàn)臺(tái)就要3兆瓦，所以如果每臺(tái)服務(wù)器都能節(jié)省一點(diǎn)能耗，一萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器節(jié)省的能耗就非常可觀。因此有不少的專(zhuān)家從服務(wù)器入手，在服務(wù)器上下功夫，在不降低服務(wù)器運(yùn)行性能的前提下，盡量降低運(yùn)行的能耗和改善服務(wù)器的運(yùn)行環(huán)境，在這樣的迫切需求情況下，更加高效的系列液冷方案就應(yīng)運(yùn)而生。液冷的冷卻能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)風(fēng)冷的冷卻能力，同體積的空氣和水相比，比如1個(gè)立方的水和空氣，在常溫下溫度變化1℃時(shí)，空氣的傳熱大約是1.3千焦, 而水的傳熱大約是4200千焦，可見(jiàn)水的傳熱能力超過(guò)空氣的3000倍多。

目前，我國(guó)液冷數(shù)據(jù)中心還處于快速發(fā)展階段，但已經(jīng)部分大型企業(yè)和機(jī)構(gòu)開(kāi)始嘗試部署液冷技術(shù)，如阿里巴巴、騰訊、華為等公司都在新建或改造部分?jǐn)?shù)據(jù)中心為液冷數(shù)據(jù)中心。此外，還有一些創(chuàng)業(yè)公司也在液冷領(lǐng)域進(jìn)行探索和實(shí)踐，如云酷智能、綠色云圖、依米康、海悟、申菱等。

目前液冷技術(shù)主要有三大類(lèi)，分別是噴淋式液冷、浸沒(méi)式液冷、冷板式液冷，其示意原理圖如下：

1. 噴淋式液冷：將冷卻液通過(guò)噴淋的方式淋在服務(wù)器的散熱元件上帶走服務(wù)器產(chǎn)生的熱量。

2. 浸沒(méi)式液冷：將服務(wù)器的發(fā)熱元器件完全浸沒(méi)在冷卻液中，通過(guò)冷卻液的對(duì)流或相變將服務(wù)器的熱量帶走的散熱系統(tǒng)。根據(jù)目前主流氟化液的單相換熱能力是同體積空氣換熱能力的1200倍以上。如果采用相變浸沒(méi)式，氟化液的相變換熱能力是同體積空氣換熱能力的10000倍以上。

3. 冷板式液冷：在服務(wù)器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱，其他少量發(fā)熱器件（如硬盤(pán)、接口卡等）仍采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。冷板液冷優(yōu)點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有機(jī)房的架構(gòu)影響不大，采用水的散熱能力是同體積空氣散熱能力的3200倍，而且具備低噪音、空間利用率高、熱能可回收的特點(diǎn)。

其中，冷板式液冷技術(shù)開(kāi)發(fā)較早，是目前成熟度最高、行業(yè)布局最多、應(yīng)用最廣泛的液冷散熱方案，根據(jù)CCID前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的調(diào)研數(shù)據(jù)，2022年我國(guó)液冷市場(chǎng)規(guī)模約為600億元左右，其中冷板液冷的市場(chǎng)份額約占65%，浸沒(méi)式液冷約占34%，2023年我國(guó)液冷市場(chǎng)規(guī)模將增至800億元，到2025年我國(guó)液冷市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到1300億元左右。

2018年，阿里建設(shè)了大型浸沒(méi)液冷張北數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心是阿里云首個(gè)應(yīng)用全浸沒(méi)式液冷服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)相比，熱傳導(dǎo)效率要高百倍，節(jié)能效果超過(guò)70%。阿里張北液冷數(shù)據(jù)中心不僅在技術(shù)上具有創(chuàng)新和領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也注重環(huán)保和節(jié)能。該數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻等先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，可將電能利用效率（PUE）控制在1.25以?xún)?nèi)，最低可達(dá)1.13。

浸沒(méi)液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅在于導(dǎo)熱散熱，還能夠容納更多IT設(shè)備，提高了計(jì)算能力。阿里張北液冷數(shù)據(jù)中心功耗密度達(dá)到60千瓦，將計(jì)算密度提升了10倍。同時(shí)，液冷機(jī)柜具有高密封性特點(diǎn)，使得電子元器件遠(yuǎn)離濕度、灰塵、振動(dòng)的影響，提升了設(shè)備的穩(wěn)定性、降低了故障發(fā)生率。阿里張北液冷機(jī)房運(yùn)行3年來(lái)，與同等規(guī)模的其他機(jī)房相比，故障發(fā)生率降低了54%。基于阿里對(duì)張北液冷數(shù)據(jù)中心的經(jīng)驗(yàn)，2020年阿里又在杭州建設(shè)了中國(guó)首座綠色等級(jí)達(dá)5A級(jí)的液冷數(shù)據(jù)中心—阿里杭州仁和液冷數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心整棟樓采用了全浸沒(méi)液冷服務(wù)器。由于大規(guī)模使用全浸沒(méi)液冷服務(wù)器技術(shù)，使得整體PUE值為1.09，達(dá)到目前世界最領(lǐng)先水平。

2023年6月5日，移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商在第31屆中國(guó)國(guó)際信息通信展覽會(huì)“算力創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上發(fā)布了《電信運(yùn)營(yíng)商液冷技術(shù)白皮書(shū)》，白皮書(shū)分析了數(shù)據(jù)中心目前面臨的形勢(shì)和液冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了電信運(yùn)營(yíng)商液冷技術(shù)實(shí)踐和目前的發(fā)展挑戰(zhàn)，提出電信運(yùn)營(yíng)商液冷技術(shù)發(fā)展三年愿景和具體技術(shù)路線，對(duì)冷板式和浸沒(méi)式液冷兩種型式關(guān)鍵技術(shù)選擇做了介紹。總體來(lái)看，冷板式液冷與單相浸沒(méi)式液冷各有優(yōu)劣，生態(tài)均需完善，兩者演進(jìn)均尚需時(shí)日，未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)將并存發(fā)展，為當(dāng)前業(yè)內(nèi)發(fā)展主流。綜上，電信運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)階段主要推進(jìn)冷板式液冷與單相浸沒(méi)式液冷兩種技術(shù)路線，詳細(xì)如下：

根據(jù)《電信運(yùn)營(yíng)商液冷技術(shù)白皮書(shū)》，預(yù)計(jì)到2025年50%以上數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目將應(yīng)用液冷技術(shù)。互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)液冷數(shù)據(jù)中心占比達(dá)24.0%，金融行業(yè)占比達(dá)25.0%、電信行業(yè)占比達(dá)23.0%、能源行業(yè)占比達(dá)10.5%，生物、醫(yī)療和政務(wù)等行業(yè)需求將加快融入通用數(shù)據(jù)中心新業(yè)態(tài)。

液冷技術(shù)的出現(xiàn)，不但為“雙碳”戰(zhàn)略做出了貢獻(xiàn)，同時(shí)也推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)的落地，改善了傳統(tǒng)風(fēng)冷的散熱形式，更能滿足高密機(jī)柜、芯片級(jí)精確制冷、更節(jié)能、更節(jié)地、更低噪聲。

液冷方案在實(shí)際數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景應(yīng)用中，結(jié)合不同的產(chǎn)品制定了場(chǎng)景化的解決方案，例如海悟的場(chǎng)景化液冷解決方案，分別是：

場(chǎng)景一：采用冷板式液冷，配合集中式CDU解決方案，該方案最大支持的功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.2及以下。

場(chǎng)景二：此方案采用冷板式液冷，配合分布式CDU方案，該方案最大支持功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE同樣可以做到1.2及以下。

場(chǎng)景三：此方案采用單相浸沒(méi)式液冷，室外采用干冷器，配合雙機(jī)柜式CDU,最大支持功率密度為30～100KW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.1及以下。

目前各液冷設(shè)備廠家的方案有所不同，因?yàn)橐豪浼夹g(shù)當(dāng)前生態(tài)不完善，各家產(chǎn)品形態(tài)各異，產(chǎn)品規(guī)范化程度較低，機(jī)柜與服務(wù)器深度耦合，尚無(wú)統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，難以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化推廣應(yīng)用。推廣液冷技術(shù)，需集思廣益、凝聚共識(shí)，完善液冷產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和生態(tài)建設(shè)、促進(jìn)液冷技術(shù)有序發(fā)展，開(kāi)辟數(shù)據(jù)中心液冷行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展道路。

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