數(shù)據(jù)中心與能源消耗

預(yù)計(jì)到2025年，全球發(fā)電量將達(dá)到26,787TWh，其中數(shù)據(jù)中心和加密貨幣將消耗約536TWh，約占全球總發(fā)電量的2%。按照目前的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)中心的電力消耗到2030年很可能達(dá)到甚至超過(guò)1,000TWh，接近全球總電力消耗的5%。

如今，全球電力供應(yīng)仍主要依賴(lài)煤炭、天然氣、石油等非可再生能源，但隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐越來(lái)越快，電力需求將會(huì)越來(lái)越高，因此必須提升可再生能源發(fā)電量來(lái)為這些技術(shù)提供支持，同時(shí)還要提高這些應(yīng)用場(chǎng)景的能源利用效率。

在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心〔包括運(yùn)行人工智能（AI）和高性能計(jì)算（HPC）工作負(fù)載的數(shù)據(jù)中心〕中，電子設(shè)備冷卻是一個(gè)耗電量非常大的領(lǐng)域。各類(lèi)AI和HPC部署對(duì)冷卻的要求高低不一、差異巨大，但通常都需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，而且它們的功率密度可能高達(dá)常規(guī)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器應(yīng)用的10倍以上。能源的價(jià)格正持續(xù)上漲，但電力供應(yīng)卻難以跟上，因此提高數(shù)據(jù)中心冷卻效率已成為近年來(lái)值得關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

一些新建的數(shù)據(jù)中心采用了與可再生能源發(fā)電設(shè)施同步建設(shè)的方式，旨在利用這些可再生能源為數(shù)據(jù)中心供電。從能源使用的角度來(lái)看，這種做法非常經(jīng)濟(jì)高效，但冷卻技術(shù)帶來(lái)的工作能耗需求仍然很高，足以大幅推高此類(lèi)項(xiàng)目的初始資本成本。

業(yè)界專(zhuān)家設(shè)計(jì)了許多創(chuàng)新方法，將數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型為更節(jié)能的平臺(tái)，例如在沿海地區(qū)部署全浸沒(méi)在水下的數(shù)據(jù)中心艙。然而，美國(guó)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通常建在氣候干旱的偏遠(yuǎn)地區(qū)。廉價(jià)土地的充足供應(yīng)、較少的監(jiān)管限制以及優(yōu)惠的稅收政策，使這些地區(qū)成為了理想的數(shù)據(jù)中心選址地點(diǎn)，但代價(jià)就更高的冷卻需求以及有限或昂貴的水資源供應(yīng)。

本文將探討當(dāng)今數(shù)據(jù)中心設(shè)施的冷卻方法，以及未來(lái)有望改變電子設(shè)備冷卻行業(yè)的新技術(shù)。

01數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

超高密度數(shù)據(jù)中心的機(jī)架功率密度已從不到10kW上升到某些情況下超過(guò)100kW。在如此高的功率密度面前，大家普遍認(rèn)為風(fēng)冷技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足要求，而且效率過(guò)低，難以和液冷技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。在這些方法中，單相直接芯片（DTC）液冷技術(shù)在亟需更高效冷卻方法的市場(chǎng)中具備優(yōu)勢(shì)。

DTC技術(shù)在冷卻主要處理硬件方面已經(jīng)頗為成熟并且高效。然而，這種方法往往無(wú)法顧及網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存和存儲(chǔ)等硬件芯片，致使它們只能采用風(fēng)冷。而單相或兩相浸沒(méi)式冷卻就是解決這一問(wèn)題的潛在方案。在浸沒(méi)式冷卻中，整個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)架都浸沒(méi)在具有良好熱傳導(dǎo)性能的絕緣液體中，從而有效地將電子元器件產(chǎn)生的熱量傳遞至液體中，隨后通過(guò)熱交換器（單相）或蒸汽與冷凝管理系統(tǒng)（雙相）實(shí)現(xiàn)高效冷卻。后門(mén)熱交換器也正在逐漸普及，尤其是在改造風(fēng)冷為主的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的場(chǎng)景中。

風(fēng)冷的前期成本非常低，而DTC和浸沒(méi)式冷卻則屬于成本高、復(fù)雜的冷卻方式之一。對(duì)于資金充裕、盈利預(yù)期良好的新建數(shù)據(jù)中心而言，液冷方案顯然是理想選擇。然而，在高昂的前期成本面前，一些老舊數(shù)據(jù)中心甚至某些新建項(xiàng)目仍在依賴(lài)采用傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)、效率低下的風(fēng)冷系統(tǒng)。部分地區(qū)的監(jiān)管要求可能會(huì)限制此類(lèi)低效冷卻技術(shù)的應(yīng)用，但運(yùn)營(yíng)成本上升帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)壓力更可能促使數(shù)據(jù)中心放棄傳統(tǒng)風(fēng)冷方案。目前，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)扇布局、機(jī)架位置以及氣流設(shè)計(jì)等手段，已經(jīng)可以顯著提升系統(tǒng)效率、降低成本。

浸沒(méi)式冷卻技術(shù)有望成為一種非常高效、可持續(xù)的冷卻技術(shù)，尤其是考慮到該技術(shù)能夠應(yīng)對(duì)非常高的熱密度。根據(jù)估計(jì)，與傳統(tǒng)風(fēng)冷相比，浸沒(méi)式冷卻技術(shù)可將數(shù)據(jù)中心的冷卻能耗降低達(dá)90%。隨著AI和HPC領(lǐng)域的新技術(shù)推動(dòng)機(jī)架功率密度不斷提高，這項(xiàng)冷卻技術(shù)有望進(jìn)一步得到普及。不過(guò)，由于浸沒(méi)式冷卻還是一項(xiàng)比較新的技術(shù)，其基礎(chǔ)設(shè)施的供應(yīng)暫時(shí)還無(wú)法跟上數(shù)據(jù)中心大規(guī)模部署的步伐。然而，隨著越來(lái)越多浸沒(méi)式冷卻企業(yè)涌現(xiàn)，并從數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模投資中獲利，這一狀況在未來(lái)幾年內(nèi)有望改變。

液冷方法（尤其是浸沒(méi)式冷卻）的另一項(xiàng)潛在優(yōu)勢(shì)，在于它能夠?qū)U熱收集起來(lái)，為游泳池、學(xué)校、商業(yè)區(qū)、室內(nèi)園藝設(shè)施、廢棄物處理、化學(xué)加工/精煉等應(yīng)用領(lǐng)域供熱；廢熱甚至還可以供應(yīng)給熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可根據(jù)用電需求將廢熱轉(zhuǎn)化為電能。

02數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的未來(lái)

新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)AI和HPC的響應(yīng)速度提出了更高的要求，因而需要將它們部署在更接近終端用戶(hù)的位置，這與上文討論的限制因素疊加在一起，構(gòu)成了更大的挑戰(zhàn)。越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景都開(kāi)始采用AI、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和自動(dòng)化功能，它們都需要毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，所以必須部署在靠近用戶(hù)的地方。而大多數(shù)此類(lèi)終端應(yīng)用場(chǎng)景都位于人口稠密的城市地區(qū)，要想在這里建設(shè)更多數(shù)據(jù)中心，勢(shì)必要面臨房租貴、空間小、污染和用水限制嚴(yán)格、供電容量不足等問(wèn)題。在空間受限的前提下，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的性能目標(biāo)，就必須在密度上做文章了。

因此，數(shù)據(jù)中心機(jī)架的功率密度將會(huì)不斷提高，比如一個(gè)晶圓級(jí)AI處理器的功耗就可能高達(dá)數(shù)十千瓦；然而冷卻技術(shù)卻滯后于數(shù)據(jù)中心的增長(zhǎng)和擴(kuò)張。隨著越來(lái)越多AI和HPC技術(shù)得到部署，以及云基礎(chǔ)設(shè)施為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求而不斷擴(kuò)展，這種趨勢(shì)只會(huì)進(jìn)一步惡化。

對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，擺在他們面前的一項(xiàng)艱巨任務(wù)，就是徹底改造傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)，并將液冷技術(shù)融入到新的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中。畢竟，對(duì)正在運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行任何環(huán)境改動(dòng)，都伴隨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜的運(yùn)維工作。因此，在資金充足的情況下，運(yùn)營(yíng)商為了適應(yīng)新變化，都更傾向于從頭開(kāi)始建設(shè)新的數(shù)據(jù)中心，而不是改造現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心。隨著電子設(shè)備冷卻行業(yè)不斷并購(gòu)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商與冷卻企業(yè)之間的合作日益增多，這將促進(jìn)先進(jìn)冷卻技術(shù)的普及。

要追趕這一趨勢(shì)，需要使用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膫鞲?、分析和?yōu)化方案。傳統(tǒng)的算法冷卻控制系統(tǒng)可能會(huì)被更先進(jìn)的冷卻優(yōu)化技術(shù)（包括AI）所取代，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)中心內(nèi)可能存在的數(shù)以萬(wàn)計(jì)的傳感器和冷卻裝置。而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的方式之一，是借助先進(jìn)的監(jiān)控和分析技術(shù)，讓數(shù)據(jù)中心能夠運(yùn)行在高于傳統(tǒng)目標(biāo)值的溫度下，同時(shí)又能夠確保沒(méi)有任何硬件的溫度達(dá)到導(dǎo)致性能下降的程度。

結(jié)語(yǔ)

目前，風(fēng)冷仍占據(jù)數(shù)據(jù)中心冷卻的主導(dǎo)地位，但在不久之后，改造和新建的數(shù)據(jù)中心就會(huì)開(kāi)始采用風(fēng)冷/液冷混合技術(shù)，而未來(lái)的數(shù)據(jù)中心或超高密度數(shù)據(jù)中心將會(huì)采用先進(jìn)的液冷技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，DTC必須進(jìn)一步提高可靠性，因?yàn)榧词故菐酌腌姷腄TC故障，也可能導(dǎo)致服務(wù)器長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或損壞。浸沒(méi)式冷卻技術(shù)可以滿(mǎn)足這一可靠性需求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，但其代價(jià)是復(fù)雜性增加，以及需要更專(zhuān)業(yè)的安裝和維護(hù)。

未來(lái)，機(jī)架功率密度將會(huì)超過(guò)100kW乃至300kW，工程師在考慮散熱問(wèn)題時(shí)不能只局限于機(jī)架。如何將冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的多余熱能加以收集利用，將變得愈發(fā)關(guān)鍵，尤其是在許多政府和機(jī)構(gòu)正尋求立法，要求數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)顯著的可持續(xù)性水平的背景下。