數(shù)據(jù)中心能耗占比分析：液冷散熱是數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排最佳解決方案
算力正在進(jìn)入“基建化”的時(shí)代。
幾年前的時(shí)候，每當(dāng)電商大促、春晚紅包等節(jié)點(diǎn)，宕機(jī)和救火幾乎是從不缺席的戲份。近兩年卻是另一番景象：即便是在618大促這樣的流量波峰，大多數(shù)電商平臺(tái)都頂住了高并發(fā)的壓力，背后離不開算力的迅猛增長。
正如中國信通院在一份研究報(bào)告中所揭示的：2016年到2020年期間，中國的算力規(guī)模平均每年增長42%，其中2020年的算力總規(guī)模已經(jīng)達(dá)到135EFlops，并仍在保持55%的高速增長。
只是算力高速增長的同時(shí)，也帶來了新的問題。
一、數(shù)據(jù)中心能耗占比分析
對(duì)于不少人來說，“計(jì)算”早已不是什么新概念。每一次打開“綠碼”、每一次視頻會(huì)議、每一次搜索點(diǎn)擊……都離不開數(shù)據(jù)中心的處理計(jì)算?！坝?jì)算”在日常生活中的無縫滲透，勾勒出了多彩的數(shù)字世界。
可當(dāng)計(jì)算量越來越大，產(chǎn)生的功耗也隨之增大。以全球最為知名的預(yù)訓(xùn)練大模型GPT-3為例，一次訓(xùn)練要消耗巨量的算力，需要消耗約19萬度的電力，產(chǎn)生85萬噸的二氧化碳，將其形容為“耗電怪獸”絕不為過。
倘若這些電力用在了“計(jì)算”本身，或許不是什么壞消息。畢竟在數(shù)字經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，有一個(gè)著名的經(jīng)濟(jì)學(xué)解釋，即算力上每投入一元，將帶動(dòng)3-4元的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，“性價(jià)比”遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的農(nóng)牧業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)。
現(xiàn)實(shí)的情況卻并不樂觀。根據(jù)開源證券研究所的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，一個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗分布中，散熱系統(tǒng)的占比高達(dá)40%。也就是說，數(shù)據(jù)中心每耗費(fèi)一度電，只有一半用在了“計(jì)算”上，其他的則浪費(fèi)在了散熱、照明等方面。計(jì)算和散熱幾乎陷入了一場零和博弈，計(jì)算量越大散熱消耗的電量越大，如果不消耗足夠的能源提高散熱能力，將直接影響數(shù)據(jù)中心的性能、密度和可靠性。
行業(yè)內(nèi)也由此流行起了PUE的概念，即電源使用效率，用來測算數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源的比值，被視為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的重要指標(biāo)，PUE值越接近1，表明非IT設(shè)備的耗能越少，數(shù)據(jù)中心的能效水平越高。目前國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心的平均PUE值為1.55，超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE值也只有1.46。
2020年時(shí)國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的用電量已經(jīng)超過2000億千瓦時(shí)，占到了用電總量的2.7%，預(yù)計(jì)2023年數(shù)據(jù)中心的能耗就將超過2500億千瓦時(shí)，2030年時(shí)將超過4000億千瓦時(shí)，用電量占比也將上升到3.7%。就這個(gè)角度而言，解決數(shù)據(jù)中心的能耗問題，已經(jīng)是擺在案前的棘手挑戰(zhàn)。
工信部在《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》中，對(duì)數(shù)據(jù)中心的PUE進(jìn)行了明確規(guī)定：2021年底新建大型及以上數(shù)據(jù)中心的PUE降低到1.35以下，到2023年時(shí)要低于1.3。北京、深圳等城市也對(duì)新建數(shù)據(jù)中心提出了嚴(yán)格要求，其中深圳已經(jīng)發(fā)文鼓勵(lì)PUE值低于1.25的數(shù)據(jù)中心。
聯(lián)想到“碳達(dá)峰與碳中和”的時(shí)代背景，低PUE的“綠色計(jì)算”已經(jīng)是不爭的趨勢(shì)。淘汰掉高耗能的組件，升級(jí)算力高、空間節(jié)省、碳排放低的新組件，已經(jīng)是很多數(shù)據(jù)中心無法規(guī)避的現(xiàn)實(shí)問題。
在算力正在重塑產(chǎn)業(yè)格局的機(jī)遇面前，數(shù)據(jù)中心已然是無法拒絕的剛需，為數(shù)不多的選擇在于提高算力效率并降低能耗，而能否找到新的散熱方案，逐漸成為計(jì)算產(chǎn)業(yè)上下游必須應(yīng)對(duì)的課題。
傳統(tǒng)的散熱方案以風(fēng)冷為主，即將空氣作為冷媒，把服務(wù)器主板、CPU等散發(fā)出的熱量傳遞給散熱器模塊，再利用風(fēng)扇或空調(diào)制冷等方式將熱量吹走，也是散熱系統(tǒng)消耗數(shù)據(jù)中心近半電力的主要誘因。
當(dāng)PUE值被嚴(yán)格限定，綠色計(jì)算漸漸深入人心的時(shí)候，上世紀(jì)80年代就開始嘗試的“液冷”技術(shù)，迅速成了產(chǎn)業(yè)上下游的新焦點(diǎn)。其實(shí)“液冷”技術(shù)的原理并不復(fù)雜，簡單來說就是利用礦物油、氟化液等絕緣低沸點(diǎn)的冷卻液作為冷媒，通過熱交換將服務(wù)器的熱量排出，并演變出了冷板式、噴淋式、浸沒式等多種散熱方案。
看似只是“冷媒”的改變，卻為數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗帶來了諸多可能：
比如風(fēng)冷熱傳導(dǎo)存在過程復(fù)雜、熱阻總和大、換熱效率較低等痛點(diǎn)，在很大程度上制約了數(shù)據(jù)中心的算力密度，并且常常會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。液冷技術(shù)所呈現(xiàn)出的節(jié)能降耗、減少噪聲、節(jié)約空間的特性，不可謂不誘人。
再比如風(fēng)冷想要提高散熱能力，最“簡單粗暴”的做法就是提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，可把熱量帶出去的同時(shí)，風(fēng)扇和硬盤間也會(huì)形成大的漩渦，不規(guī)則的湍流可能會(huì)影響硬盤的讀寫能力，甚至?xí)驗(yàn)榇蓬^震動(dòng)導(dǎo)致硬盤報(bào)廢。
液冷技術(shù)近乎完美地規(guī)避了這些不利因素，由于液冷方案是一個(gè)相對(duì)靜止的環(huán)境，可以有效降低由空氣、灰塵和震動(dòng)引起的硬件產(chǎn)品故障率，且數(shù)據(jù)中心始終在低溫環(huán)境中運(yùn)行，極大地提升了內(nèi)部電子元器件的使用壽命。
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