概述

IT設(shè)備芯片功率密度是推動(dòng)采用液冷技術(shù)的一個(gè)常見因素。但是，數(shù)據(jù)中心業(yè)主在決定采用液冷時(shí)還有另外四個(gè)原因，包括低電源利用率（PUE）目標(biāo)、空間限制、嚴(yán)苛的IT環(huán)境和用水限制。本文對(duì)這些推動(dòng)因素進(jìn)行了介紹。借助這些信息，數(shù)據(jù)中心業(yè)主可以權(quán)衡采用液冷對(duì)他們?cè)O(shè)施是否有利，并做出明智的決策。

與傳統(tǒng)風(fēng)冷相比，液冷可為數(shù)據(jù)中心業(yè)主帶來(lái)多項(xiàng)益處，例如能效更高、占用空間更小、總擁有成本（TCO）更低、服務(wù)器可靠性提升、噪聲更低等。但是，液冷還存在一些缺點(diǎn)，例如投資更高、需要改造甚至重新訂購(gòu)服務(wù)器、需要新的數(shù)據(jù)中心運(yùn)維技能等。

如需了解有關(guān)此話題的更多信息，請(qǐng)閱讀《適用于數(shù)據(jù)中心和邊緣應(yīng)用的液冷技術(shù)》。數(shù)據(jù)中心業(yè)主需要確定液冷是否適合用于應(yīng)對(duì)他們所面臨的挑戰(zhàn)。

在本文中，我們將介紹考慮采用液冷技術(shù)的五個(gè)原因：

• 不斷增加的芯片和機(jī)柜功率密度

• 降低能耗的壓力

• 空間限制

• 用水限制

• 惡劣的IT環(huán)境

本文詳細(xì)闡述了每種原因，并解釋了液冷技術(shù)是如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

1.不斷增加的芯片和機(jī)柜功率密度

IT設(shè)備技術(shù)的變化一直是基礎(chǔ)設(shè)施制冷解決方案研發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力。如今，對(duì)云、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和邊緣應(yīng)用的需求再次引發(fā)IT技術(shù)的變化，進(jìn)而影響用于輔助的制冷基礎(chǔ)設(shè)施。我們總結(jié)的部分此類變化如下：

中央處理器（CPU）功耗增加。隨著內(nèi)核數(shù)量的增加，處理器性能不斷提高，同時(shí)處理器功率也不斷增加。這會(huì)導(dǎo)致CPU熱流密度相應(yīng)增加，以及服務(wù)器機(jī)柜本身內(nèi)部的總體熱密度增加。同時(shí)，某些場(chǎng)合下還會(huì)使用超頻以提升運(yùn)算性能（例如游戲和高性能運(yùn)算），也會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高（如圖1所示）。

大功率圖形處理器（GPU）的使用日益增加。GPU起源于3D游戲的渲染需求，如今廣泛用于金融、分析、人工智能、科研和石油天然氣勘探等領(lǐng)域，配合CPU分擔(dān)運(yùn)算負(fù)載。CPU的內(nèi)核相對(duì)較少，但擁有大量的高速緩存，可同時(shí)處理多個(gè)線程。GPU由數(shù)百個(gè)內(nèi)核組成，可同時(shí)處理數(shù)千個(gè)線程，相應(yīng)地功耗更高（如圖1所示）。

低延遲需求導(dǎo)致熱密度增加。隨著組件性能的提高，這些組件之間的互連在延遲方面開始成為瓶頸。為了充分利用性能方面的提升，CPU、GPU和板卡上的其他組件（例如內(nèi)存芯片組）被安排得越來(lái)越緊湊，以減少延遲。這也導(dǎo)致服務(wù)器內(nèi)部的物理密度和溫度越來(lái)越高。

▲圖1熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）呈上升趨勢(shì)

所有這些IT技術(shù)趨勢(shì)，都推動(dòng)著服務(wù)器功耗和熱密度的上升。當(dāng)機(jī)柜中裝有大量此類服務(wù)器時(shí)，由于機(jī)柜內(nèi)的功率密度太高，風(fēng)冷已經(jīng)不足以使設(shè)備充分冷卻。存在一些極端的風(fēng)冷例子，例如采用主動(dòng)式通風(fēng)地板的房間級(jí)制冷系統(tǒng)，可支持40kW機(jī)柜的制冷，或者主動(dòng)式背板換熱器。采用行級(jí)制冷裝置，可為最高67kW的超級(jí)計(jì)算機(jī)HPC設(shè)備提供制冷。然而，對(duì)多個(gè)高密度機(jī)柜使用這些極端應(yīng)用時(shí)，制冷系統(tǒng)的總擁有成本（TCO）也會(huì)大幅增加。這些應(yīng)用還會(huì)引發(fā)其他問(wèn)題，例如過(guò)高的氣流速度、巨大的風(fēng)扇噪音，以及由于制冷中斷而造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

綠色網(wǎng)格（TGG）建議將每機(jī)柜15-25kW的功率密度作為“未使用背板換熱器等其他制冷設(shè)備”的風(fēng)冷解決方案的上限。相比之下，液冷系統(tǒng)很容易提供兩倍于風(fēng)冷方案的容量，甚至可以擴(kuò)展到單機(jī)架超過(guò)100kW。液冷技術(shù)提供更具可預(yù)測(cè)性的熱控制，且沒(méi)有風(fēng)冷所需的過(guò)度配置和風(fēng)量管理。液冷技術(shù)還可提供更低的穩(wěn)定工作溫度，并消除濕度問(wèn)題，以此提高芯片和硬盤驅(qū)動(dòng)器的可靠性。

2.降低能耗的壓力

隨著人們建造越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心（包括云端、區(qū)域性和邊緣數(shù)據(jù)中心），這個(gè)行業(yè)的能耗也在不斷增加，2017年約占全球總能耗的1%。較高的能耗促使法規(guī)要求數(shù)據(jù)中心的電源利用率（PUE）需低于特定值，以降低能耗。例如，上海要求新建數(shù)據(jù)中心的PUE低于1.3，而改造現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心PUE低于1.4。數(shù)據(jù)中心的能源支出在總擁有成本（TCO）中所占的越來(lái)越大。繼IT設(shè)備之后，制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的第二大能源消耗體。因此，數(shù)據(jù)中心業(yè)主急需減少制冷系統(tǒng)的能耗。

需要特別注意的是，我們通常使用PUE作為評(píng)估數(shù)據(jù)中心效率水平的指標(biāo)，但是，對(duì)于采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，我們認(rèn)為能耗是更適合的指標(biāo)。使用液冷技術(shù)時(shí)，可以去除部分甚至全部的IT設(shè)備風(fēng)扇，這可能導(dǎo)致PUE不如人意，但總能耗減少。對(duì)于浸沒(méi)式液冷，去除服務(wù)器風(fēng)扇可以將服務(wù)器能耗降低大約4%-15%，具體取決于所需的風(fēng)量（通常分析中采用8%）。對(duì)于新建或改造的場(chǎng)合，可以通過(guò)使用液冷系統(tǒng)替代高能耗的風(fēng)冷系統(tǒng)來(lái)降低能耗。由美國(guó)不同的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和英特爾組成的工作組總結(jié)出一個(gè)新指標(biāo)，可讓人們更清楚地了解此問(wèn)題，并創(chuàng)建了iTUE(IT能源使用效率)和TUE（總能源使用效率）。截至撰寫本文之時(shí)，盡管這些指標(biāo)的使用有限，但隨著液冷技術(shù)采用率的提高而將受到更多關(guān)注。

3.空間限制

雖然風(fēng)冷系統(tǒng)可以處理相對(duì)密集的IT負(fù)載（例如，能夠支持每機(jī)架超過(guò)67kW功率的部署方式也確實(shí)存在），但這樣做的成本和復(fù)雜性隨著IT負(fù)載的增加而激增。盡管隨著密度的增加能夠減少機(jī)柜的數(shù)量，但專用于制冷設(shè)備的物理空間比例卻越來(lái)越高。哪怕是不占用地面空間（位于機(jī)柜頂部）的頂置式制冷設(shè)備也并不能解決問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊闹评淠芰νǔ２怀^(guò)20kW/機(jī)柜。

對(duì)于給定的IT負(fù)載，液冷技術(shù)可提供減少整體數(shù)據(jù)中心空間的機(jī)會(huì)。不僅白區(qū)可以得到壓縮，由于可使用溫水進(jìn)行冷卻，可以縮減制冷系統(tǒng)和相應(yīng)的開關(guān)設(shè)備，進(jìn)而也能壓

4.用水限制

冷卻塔和其他蒸發(fā)式制冷技術(shù)因其效率高和制冷量大，成為超大型數(shù)據(jù)中心受歡迎的散熱解決方案。但是，這些方法將水的蒸發(fā)用作散熱機(jī)理，會(huì)消耗大量的水（如圖2所示）。用水會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本，而在水資源有限的某些地區(qū)，AHJ(主管機(jī)構(gòu))會(huì)向數(shù)據(jù)中心業(yè)主施加更大的壓力，促使他們減少用水。

▲圖2冷卻塔利用水的蒸發(fā)來(lái)散熱

減少數(shù)據(jù)中心用水的方法有多種，包括減少IT負(fù)載、提高制冷系統(tǒng)效率、優(yōu)化冷卻塔運(yùn)行等。在這些方法中，液冷技術(shù)可以減少或消除制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的用水環(huán)節(jié)。由于大多數(shù)液冷技術(shù)都可以直接將溫水用于IT設(shè)備（最高45°C/113°F），因此在大多數(shù)氣候下可以使用簡(jiǎn)單的干冷器來(lái)散熱。

5.惡劣的IT環(huán)境

隨著網(wǎng)絡(luò)邊緣部署的IT設(shè)備越來(lái)越多，將其置于非理想環(huán)境中的需求也不斷增加。在制造行業(yè)和配送中心的物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)合可能會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。在大氣污染和電源質(zhì)量方面，這些場(chǎng)合的環(huán)境條件非常惡劣（圖3為兩個(gè)示例）。這些場(chǎng)景中部署的通常是具有成本效益的標(biāo)準(zhǔn)IT系統(tǒng)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致可靠性低于預(yù)期。隨著IT設(shè)備與生產(chǎn)流程的整合度越來(lái)越高，任何宕機(jī)都會(huì)影響制造工廠自身的產(chǎn)量。

石油天然氣設(shè)施

汽車制造廠

圖3惡劣IT環(huán)境的兩個(gè)示例

集成空調(diào)的封閉機(jī)柜是一種解決方案，但可能占地空間大，成本高且效率低。在這些環(huán)境中，液冷技術(shù)可作為一種替代方案。浸沒(méi)式液冷可將服務(wù)器與環(huán)境隔離。從IT設(shè)備中去除風(fēng)扇可減少惡劣環(huán)境（例如重型工業(yè)制造工廠）中的大氣污染物進(jìn)入IT系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心采用液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：

盡管前文提到的五個(gè)原因推動(dòng)了液冷技術(shù)的普及，但是液冷技術(shù)的以下優(yōu)勢(shì)同樣值得關(guān)注：

1. 最小化房間內(nèi)增加的熱量

2. 消除風(fēng)扇的使用

3. 余熱回收

4. 降低布局復(fù)雜度（冷熱通道和通道封閉）

5. 減少對(duì)地理氣候的依賴

1.最小化房間內(nèi)增加的熱量

芯片級(jí)液冷可以將IT空間中70-80%的IT設(shè)備熱量轉(zhuǎn)移到室外環(huán)境，而浸沒(méi)式液冷可以帶走95%以上的熱量。因此，IT設(shè)備所產(chǎn)生的熱量對(duì)房間的影響可以大幅降低，從而讓IT空間可以更輕松地實(shí)現(xiàn)舒適的工作環(huán)境。相反，對(duì)于采用傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，為了提高能效，從而提高IT設(shè)備的入口和出口溫度，這可能導(dǎo)致在熱通道中長(zhǎng)時(shí)間工作的人員遭受熱壓力。欲了解有關(guān)此話題的更多信息，請(qǐng)閱讀《高密度熱通道對(duì)IT人員工作環(huán)境的影響》。液冷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)密度的增加并同時(shí)有效地保證舒適的工作環(huán)境。

2.消除風(fēng)扇的使用

如上所述，去除風(fēng)扇不僅可節(jié)省4%-15%的能耗，而且消除由風(fēng)扇噪音引起的職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)，隨著機(jī)柜密度的增加，隨之而來(lái)的設(shè)施風(fēng)扇噪音的增加不僅會(huì)影響操作人員和維護(hù)人員（可能會(huì)違反OSHA法規(guī)或ISO7243準(zhǔn)則），而且還會(huì)增加IT磁盤驅(qū)動(dòng)器故障風(fēng)險(xiǎn)。目前，許多服務(wù)器設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇噪音的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常接近與服務(wù)器相關(guān)的人員職業(yè)健康能夠承受的最大極限。由于制冷設(shè)備風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)人員將面臨同樣的健康問(wèn)題。

對(duì)于液冷技術(shù)，去除或減少服務(wù)器風(fēng)扇以及消除或減少IT設(shè)備空間制冷（例如CRAH單元或CRAC單元）可提供非常低的噪聲。這在軍事和商業(yè)辦公室應(yīng)用中特別有用，可防止風(fēng)扇噪音對(duì)職業(yè)健康造成危害。

3.余熱回收

芯片級(jí)液冷或浸沒(méi)式液冷中的絕緣介質(zhì)回路可以使用溫水（30°C/86°F以上）來(lái)吸收設(shè)備產(chǎn)生的熱量。吸收了熱量的熱水可以非常有效地進(jìn)行熱回收再利用?；厥盏臒崃靠捎糜谠O(shè)施或區(qū)域供熱，以減少運(yùn)營(yíng)支出和設(shè)施的總體碳足跡，尤其是在寒冷的天氣中。用風(fēng)冷技術(shù)則很難做到這一點(diǎn)，這也是市政部門所青睞的原因。

4.降低布局復(fù)雜度（冷熱通道和通道封閉）

對(duì)于采用風(fēng)冷的數(shù)據(jù)中心，氣流管理的最佳實(shí)踐是將機(jī)柜按照冷熱通道進(jìn)行布局。然后，采用氣流遏制系統(tǒng)對(duì)冷熱通道進(jìn)行遏制，以分離冷氣流和熱氣流，進(jìn)而節(jié)省制冷能耗并消除熱點(diǎn)。對(duì)于采用浸沒(méi)式液冷的數(shù)據(jù)中心，無(wú)需使用服務(wù)器和CRAH/CRAC風(fēng)扇，因此無(wú)需擔(dān)心氣流管理，也無(wú)需留出冷熱通道布局和進(jìn)行氣流遏制。機(jī)柜布局得以簡(jiǎn)化，并且僅取決于管道路徑和可維護(hù)性，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)前無(wú)法想象的布局。

5.減少對(duì)地理氣候的依賴

用于為IT設(shè)備冷卻的風(fēng)冷自然冷卻解決方案依賴于特定的地理位置。由于液冷技術(shù)可使用溫度高達(dá)45°C/113°F的溫水，因此在世界大部分地區(qū)都可以實(shí)現(xiàn)全部自然冷卻。這為區(qū)域數(shù)據(jù)中心和邊緣部署提供了標(biāo)準(zhǔn)化和高效優(yōu)勢(shì)。

液冷技術(shù)通常被視為高性能計(jì)算和高密度應(yīng)用的技術(shù)解決方案。然而，液冷技術(shù)在大型數(shù)據(jù)中心和邊緣部署也同樣具有優(yōu)勢(shì)，它能有助于解決數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員和運(yùn)營(yíng)人員當(dāng)前所面臨的諸多挑戰(zhàn)。在所有地理區(qū)域均能實(shí)現(xiàn)降低能耗、減少用水量、能夠部署在有限的空間以及惡劣的環(huán)境中，這是我們期望在未來(lái)幾年內(nèi)IT行業(yè)廣泛采用液冷技術(shù)的幾大原因。

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心采用液冷技術(shù)的五大原因

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