海底數(shù)據(jù)中心通過將服務(wù)器安放在海底的密封艙中,該系統(tǒng)以海洋作為自然冷源,省電、省水、省地、高安全、高可靠、快速部署的特點(diǎn)。

1、數(shù)據(jù)中心發(fā)展分析

1.數(shù)據(jù)中心持續(xù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)力

1）互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)

十幾年前,互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)獲得快速發(fā)展,國(guó)外網(wǎng)站如亞馬遜、Ebay易趣等,國(guó)內(nèi)網(wǎng)站如京東、淘寶等,各類大型網(wǎng)上購(gòu)物商城迅速崛起,逐漸被越來越的人所認(rèn)可。網(wǎng)購(gòu)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶,作為互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)支撐的數(shù)據(jù)中心迎來了一波建設(shè)熱潮。

2）數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)

這些年科技的更新迭代更加迅速,人工智能、5G、智能機(jī)器人、智慧城市、智慧社區(qū)的推廣,抖音、快手等短視頻應(yīng)用的火爆,并且下一代科技的代表,數(shù)字貨幣、區(qū)塊鏈、元宇宙、chatgpt陸續(xù)問世,數(shù)字經(jīng)濟(jì)得以蓬勃發(fā)展,在數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背后,算力需求激增,數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)支撐,再次站在了快速發(fā)展的風(fēng)口上。

3）新基建驅(qū)動(dòng)

2020年4月20日,國(guó)家發(fā)改委正式定義“新基建”概念,其中信息基礎(chǔ)設(shè)施部分,數(shù)據(jù)中心、智能計(jì)算中心為代表的算力基礎(chǔ)設(shè)施赫然在列。

4）“雙碳”驅(qū)動(dòng)

2020年9月22日,習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話,首次提出“碳中和”“碳達(dá)峰”概念,隨后在近30多次重要講話中反復(fù)強(qiáng)調(diào),“雙碳”成為目前國(guó)內(nèi)各行各業(yè)發(fā)展的重要背景。

5）國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃驅(qū)動(dòng)

2021年5月,國(guó)家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局共同發(fā)布《全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實(shí)施方案》,提出實(shí)施“東數(shù)西算”工程,在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝以及貴州、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等地建設(shè)全國(guó)一體化算力網(wǎng)絡(luò)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn),并規(guī)劃了10個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群。

2.行業(yè)發(fā)展面臨的困局

數(shù)據(jù)中心的發(fā)展符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,符合國(guó)家政策導(dǎo)向,是大勢(shì)所趨。但是,數(shù)據(jù)中心的發(fā)展卻面臨以下一些困局:

1)占地限制:隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的數(shù)量越來越多,數(shù)據(jù)中心占地使用面積越來越大,可供數(shù)據(jù)中心有效使用土地越來越少,尤其是北京、上海、廣州、深圳等一線城市,數(shù)據(jù)中心的土地審批越來越嚴(yán)格,而在數(shù)據(jù)中心需求持續(xù)旺盛的市場(chǎng)條件下,經(jīng)常出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況。因此,占地的限制成為制約數(shù)據(jù)中心持續(xù)發(fā)展的因素之一。

2)電能耗限制:在“雙碳”背景下,數(shù)據(jù)中心這個(gè)耗能大戶的電能耗首當(dāng)其沖,國(guó)家部門以及各地政府紛紛陸續(xù)出臺(tái)了限制能耗指標(biāo)PUE的政策,對(duì)市電的審批也越來越嚴(yán)格。因此,電能耗的限制成為制約數(shù)據(jù)中心持續(xù)發(fā)展的因素之一。

3)水能耗限制:數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行離不開水,無論是大型還是中小型數(shù)據(jù)中心,其建設(shè)和日常運(yùn)維均離不開水,有些地區(qū)在數(shù)據(jù)中心選址時(shí),常常因?yàn)橛盟南拗贫黄确艞墶Ｒ虼?水能耗的限制同樣成為制約數(shù)據(jù)中心持續(xù)發(fā)展的因素之一。

4)戰(zhàn)略安全:截至2022年底,我國(guó)在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)量約680萬(wàn)架,近5年年均復(fù)合增速超過30%。一旦發(fā)生戰(zhàn)事,這些數(shù)據(jù)中心將成為首要攻擊目標(biāo)。即使平時(shí),數(shù)據(jù)中心也常會(huì)受到火災(zāi)威脅。業(yè)務(wù)連續(xù)性是數(shù)據(jù)中心的首要原則,災(zāi)難預(yù)防和應(yīng)對(duì)是數(shù)據(jù)中心每分每秒的“必修課”。2021年3月,美國(guó)國(guó)防部與微軟簽署一項(xiàng)關(guān)于集成視覺現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的合同,出于國(guó)家安全考慮,該設(shè)備相關(guān)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心將建在海底。

5)算力需求和可再生能源國(guó)的區(qū)域分布不平衡:數(shù)據(jù)中心高度集中在東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū),而東部發(fā)達(dá)地區(qū)缺乏傳統(tǒng)能源。

3.破局思路

1)由陸向海:全球陸地與海洋總體分布特點(diǎn)是:三分陸地,七分海洋,廣闊的海底是解決數(shù)據(jù)中心占地限制的不二之選。

2)采用高效、節(jié)能新技術(shù):將液冷、自然冷、海底數(shù)據(jù)中心等高效、節(jié)能的新技術(shù)統(tǒng)一應(yīng)用起來,降低電能耗。并在海底數(shù)據(jù)中心發(fā)展新能源技術(shù),利用潮汐儲(chǔ)存的能量發(fā)電,減少發(fā)電廠電力使用。這樣可以最大限度解決電能耗限制問題。

3)向海而興:把數(shù)據(jù)中心建在海底或湖底是一個(gè)突破,海底數(shù)據(jù)中心由于無需蒸發(fā)散熱,所以不消耗淡水,從根本上解決了水耗問題。

4)戰(zhàn)略備份:當(dāng)前,我國(guó)海底數(shù)據(jù)中心建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入商用階段,其安全穩(wěn)定性比陸地?cái)?shù)據(jù)中心高8倍,利用海水降溫,不僅節(jié)約能源，而且免去火災(zāi)困擾，特別是海洋具有天然遮蔽作用，衛(wèi)星、雷達(dá)等無法探測(cè)。因此，為保護(hù)我國(guó)具有國(guó)家戰(zhàn)略和安全級(jí)別的數(shù)據(jù)中心，建議逐步向海底區(qū)域進(jìn)行備份(遷移)。

5)破除區(qū)域限制:解決思路一,即國(guó)家戰(zhàn)略“東數(shù)西算”,將東部需求旺盛的算力需求,放到西部的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行運(yùn)算,解決了數(shù)據(jù)中心區(qū)域分布不平衡問題。解決思路二,向海底找資源,即在東部近海建設(shè)海底數(shù)據(jù)中心,可就地解決算力需求,緩解區(qū)域分布不平衡帶來的算力需求壓力。

2.液冷技術(shù)發(fā)展

隨著芯片的密度提升,服務(wù)器功率密度越來越高,在狹小空間內(nèi),電子元器件集中密布、局部熱點(diǎn)過多,傳統(tǒng)的風(fēng)冷已無法滿足其散熱需求。為了解決高密度服務(wù)器的散熱量問題方面,國(guó)內(nèi)外開始了液冷技術(shù)的研發(fā),并成為了解決高密度服務(wù)器的最佳解決方案。

液冷技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的制冷方式,突破了風(fēng)冷技術(shù)的冷卻極限,將服務(wù)器芯片、主板在內(nèi)的所有計(jì)算部件通過液態(tài)冷媒,將部件產(chǎn)生的熱量通過相變換熱的方式轉(zhuǎn)移出設(shè)備。利用了液體比空氣具備更高效的導(dǎo)熱效率這一特征,使用液體取代空氣作為冷媒,將IT服務(wù)器發(fā)熱部件的熱量傳導(dǎo)到冷源側(cè)。其系統(tǒng)原理詳見圖1。

根據(jù)液體的冷卻介質(zhì)和發(fā)熱源的接觸方式,分為直接冷卻液冷產(chǎn)品、間接冷卻液冷產(chǎn)品。直接接觸的液冷產(chǎn)品有:浸沒式液冷產(chǎn)品、噴淋式液冷產(chǎn)品;間接接觸的液冷產(chǎn)品有:冷板式液冷產(chǎn)品。

液冷技術(shù)具有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì):

強(qiáng)冷卻力:液體的體積比熱容是空氣的1000-3500倍，液體的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的20-30倍。

精確制冷:部件級(jí)制冷,保證元器件高性能、高可靠工作。

低PUE:全地域全年自然冷卻,挑戰(zhàn)PUE極限值(1.05～1.2)。

低噪音:無壓縮機(jī),無(或低)風(fēng)扇,噪音可低至50dB。

高密度:單機(jī)柜功率密度極大提升,節(jié)省空間50%-80%。

低初投資:高密度機(jī)柜使用液冷可極大的節(jié)省風(fēng)冷設(shè)備的投資,經(jīng)過測(cè)算,液冷系統(tǒng)初投資比風(fēng)冷系統(tǒng)還要低。

3.UDC海底數(shù)據(jù)中心發(fā)展

由于海洋巨大的比熱容,全球變暖93%的能量都儲(chǔ)存在海洋中,所以說海洋是地球的儲(chǔ)熱罐或者地球上最大的冷源。

來自“政眼視界”數(shù)據(jù)顯示，2019年沿海14個(gè)省市區(qū)的GDP總量為59.29萬(wàn)億人民幣，合計(jì)占比全國(guó)的60%；人口總數(shù)為6.44億，合計(jì)占比全國(guó)的究院的數(shù)據(jù)顯示，2021年，僅東南沿海5省市GDP總量合計(jì)高達(dá)40.6萬(wàn)億，占全國(guó)比重高達(dá)35.5%。數(shù)據(jù)中心依海而建，可以更好的解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題。

海底數(shù)據(jù)中心通過將服務(wù)器安放在海底的密封艙中,該系統(tǒng)以海洋作為自然冷源,省電、省水、省地、高安全、高可靠、快速部署的特點(diǎn)。該系統(tǒng)運(yùn)行PUE低于1.1,處于數(shù)據(jù)中心行業(yè)領(lǐng)先水平,較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能30%以上;數(shù)據(jù)艙安放于海底,土地占用極小;自然及技術(shù)條件優(yōu)越,抗火災(zāi)、水災(zāi)與極端天氣;服務(wù)器故障率僅為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的八分之一,引領(lǐng)熄燈式數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢(shì);工業(yè)化生產(chǎn)，模塊化部署，最快可90天內(nèi)完成從工廠安裝、調(diào)試到實(shí)際運(yùn)行。該系統(tǒng)適用于超算、云服務(wù)、災(zāi)備等各類應(yīng)用場(chǎng)景。

2014年微軟首次提出了水下數(shù)據(jù)中心概念。2018年,微軟首次把部署了裝有864臺(tái)服務(wù)器的12個(gè)服務(wù)器機(jī)架的數(shù)據(jù)艙沉入蘇格蘭北部海底。

2020年9月份，微軟將沉入海底經(jīng)過兩年試運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心從海床上撈了回來，研究人員對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估，得出的第一個(gè)結(jié)論就是：水下數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器故障率比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心更低。

同樣,我國(guó)也在海底數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域取得重大成果,其解決方案相比微軟方案,更是解決了高海水溫度海域的海水自然冷卻難題。

國(guó)內(nèi)開發(fā)的海底數(shù)據(jù)中心,由岸站、海底光電復(fù)合纜、海底分電站及海底數(shù)據(jù)艙組成。主體結(jié)構(gòu)為罐體結(jié)構(gòu),電氣設(shè)備、冷卻系統(tǒng)均布置在罐體內(nèi)部,罐體頂部為海水冷卻系統(tǒng),詳見圖2和圖3所示。

2020年11月,UDC攻關(guān)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的第一個(gè)原型樣機(jī),如期在珠海完成第一次小試。三個(gè)月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,單艙能耗指標(biāo)PUE值僅為1.076。UDC海底數(shù)據(jù)中心特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì):

低能耗:海水冷卻,無壓縮機(jī)運(yùn)行,單艙P(yáng)UE低于1.1,有效降低能耗;

低成本(省錢):20MW的典型規(guī)模情況下,海底數(shù)據(jù)中心TCO(十年)成本對(duì)比陸上傳統(tǒng)IDC有30%以上優(yōu)勢(shì);

省資源(省地、省水):岸站占地極少,只有三分之一;沒有冷卻塔,節(jié)約大量的水資源(200立方米/機(jī)柜.年,典型規(guī)模年省水60萬(wàn)立方米);

低時(shí)延:距離一線城市<100KM,滿足一線城市網(wǎng)絡(luò)高速需求;

高可靠性:服務(wù)器故障率僅為陸上數(shù)據(jù)中心的1/8(罐體內(nèi)為惰性氣體);

高安全性:數(shù)據(jù)物理安全,恒濕、恒壓;無氧、無塵、無人鼠侵犯;

模塊化生產(chǎn),敏捷部署:全預(yù)制,90天內(nèi)完成從工廠安裝、調(diào)試到實(shí)際運(yùn)行;

多能互補(bǔ):可利用海上風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能和潮汐能等可再生能源。

4.UDC海底數(shù)據(jù)中心和液冷技術(shù)對(duì)比分析

1.原理技術(shù)分析

1)二次側(cè):UDC海底數(shù)據(jù)中心二次側(cè)為艙體+機(jī)柜,通過艙內(nèi)風(fēng)扇將服務(wù)器的熱量帶到艙內(nèi)空調(diào)蒸發(fā)器上,最終將熱量帶至艙外。液冷的二次側(cè)為冷板或浸沒組件,通過分液?jiǎn)卧獙⒎?wù)器熱量帶到液冷換熱單元CDU上,最終將熱量帶至室外?？梢钥闯?UDC海底數(shù)據(jù)中心和液冷在一次側(cè)原理上基本一致,不同的是海底數(shù)據(jù)中心的二次側(cè)部分跟服務(wù)器是通過風(fēng)扇進(jìn)行熱交換,液冷的二次側(cè)部分跟服務(wù)器通過液體冷媒進(jìn)行熱交換。見UDC系統(tǒng)原理圖、液冷系統(tǒng)原理圖。

2)一次側(cè):UDC海底數(shù)據(jù)中心一次側(cè)是通過蒸發(fā)器將艙內(nèi)熱量帶出艙外,在冷凝器端與海水進(jìn)行熱交換,將熱量散發(fā)至海水中。液冷的一次側(cè)是通過液冷換熱單元CDU換熱,將液冷服務(wù)器熱量通過冷卻塔散發(fā)到室外空氣中?？梢钥闯?UDC海底數(shù)據(jù)中心和液冷在一次側(cè)原理上基本一致,不同的是海底數(shù)據(jù)中心最終跟艙外海水進(jìn)行熱交換,液冷最終跟室外空氣進(jìn)行熱交換。見UDC系統(tǒng)原理圖、液冷系統(tǒng)原理圖。

2.求同存異,共同發(fā)展之路

UDC海底數(shù)據(jù)中心和液冷在特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)上有很多相似之處:

1）液體散熱。均運(yùn)用了液體導(dǎo)熱能力強(qiáng)的原理,實(shí)現(xiàn)了全天自然冷卻,實(shí)現(xiàn)低PUE值。

2）投資優(yōu)化。均節(jié)省風(fēng)冷系統(tǒng)的投資,實(shí)現(xiàn)投資較傳統(tǒng)機(jī)房更低。

3）可靠性高。均運(yùn)用了液體散熱,提高了服務(wù)器的穩(wěn)定性。

4）模塊化部署。均采用了模塊化設(shè)計(jì),從生產(chǎn)到部署縮短了建設(shè)周期。

5.UDC海底液冷數(shù)據(jù)中心展望

1.海洋資源

海洋內(nèi)存儲(chǔ)了約13億立方米的海水,包含了地球上97%的水資源,其能源儲(chǔ)量也非常豐富。全球一半的人口生活在海岸線100公里以內(nèi)的區(qū)域,而其他大多數(shù)人口也十分靠近湖泊、河流或沼澤。

海水熱容,使一定體積海水的溫度升高(降低)1℃時(shí)吸收(放出)的熱量。

約為同體積空氣熱容的3100倍。1立方千米的海水溫度降低1℃所釋放的熱量,可使約3100立方千米的空氣溫度升高1℃,所以,海洋具有巨大的熱容。

“十四五”期間,我國(guó)規(guī)劃出臺(tái)的海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃規(guī)模已達(dá)80G瓦,相當(dāng)于5個(gè)三峽大壩發(fā)電量。到2030年,全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到316GW。

2.UDC海底數(shù)據(jù)中心即液冷2.0

從上述技術(shù)分析來看,可以將UDC海底數(shù)據(jù)中心的艙體看作一款整體交付的產(chǎn)品,其利用液體散熱的制冷技術(shù)原理跟冷板、浸沒、噴淋這幾種液冷制冷原理高度一致,既可作為液冷技術(shù)的重要補(bǔ)充,也可以歸納為液冷技術(shù)的一種。

UDC海底數(shù)據(jù)中心可稱之為液冷海底數(shù)據(jù)中心,它的出現(xiàn)進(jìn)一步補(bǔ)充完善了液冷產(chǎn)品體系,對(duì)液冷的發(fā)展是一個(gè)提升。

3.兩者完美結(jié)合,即UDC海底液冷數(shù)據(jù)中心

UDC海底數(shù)據(jù)中心不僅本身是一種液冷形態(tài),而且可以跟冷板、浸沒、噴淋液冷模式完美結(jié)合,將能耗降至更低。面對(duì)高功率密度業(yè)務(wù)時(shí)(比如單機(jī)柜30KW以上),UDC海底液冷數(shù)據(jù)中心可以將節(jié)能做到極致,且不消耗淡水,就地消納廉價(jià)的海上風(fēng)電等這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將更加凸顯,其收獲的收益會(huì)超過額外成本投入。

目前,海蘭云正在商用的第一代海底數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)艙模塊,在靠近IT服務(wù)器的“二次側(cè)換熱”使用的是液冷背板技術(shù),適配更高功率密度計(jì)算需求的液冷服務(wù)器,并將熱量高效地傳導(dǎo)到大海這一巨大的液冷冷源之中,充分利用了液冷的導(dǎo)熱和容熱能力,在同樣體積的海底艙結(jié)構(gòu)下,單艙可支持1.6MW以上功耗規(guī)模的算力資源部署,進(jìn)一步發(fā)揮艙內(nèi)和艙外“雙液冷”散熱的極致能效。

4.產(chǎn)業(yè)聯(lián)合展望

海底液冷數(shù)據(jù)中心與海上新能源、海洋牧場(chǎng)、海洋監(jiān)測(cè)、海洋旅游等產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展,是典型的海洋經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)、新模式。圍繞海底數(shù)據(jù)中心,可以規(guī)劃構(gòu)建立體用海新業(yè)態(tài)。海底是數(shù)據(jù)艙,同時(shí)可作為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的海底載體,深入到海洋內(nèi)部觀測(cè)和認(rèn)識(shí)海洋,實(shí)現(xiàn)海底實(shí)時(shí)、原位觀測(cè),為多領(lǐng)域應(yīng)用提供服務(wù);海體區(qū)域可以做網(wǎng)箱養(yǎng)殖,對(duì)魚、蝦、貝、藻等海洋生物進(jìn)行放養(yǎng)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,還可放置觀賞性海洋生物發(fā)展?jié)撍袠I(yè)；水面做旅游綜合體，利用海底數(shù)據(jù)艙的余熱可以為旅游活動(dòng)提供需要的熱源；還可以與新能源結(jié)合，比如海上風(fēng)電、海上光伏等，構(gòu)建一個(gè)完整全新的以海洋為載體的藍(lán)海市場(chǎng)。

本文標(biāo)題：UDC海底液冷數(shù)據(jù)中心發(fā)展前景分析

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