数据中心迈入液冷时代

文︱郭紫文

图︱网络

近日，英伟达率先发布液冷A100 PCIe GPU，采用直接芯片（Direct-to-Chip）冷却技术，以满足高性能碳中和数据中心需求。根据测试，采用液冷技术的数据中心负载能够与风冷设施持平，同时能耗减少了30%左右，PUE（电源使用效率）也远低于后者。

今年晚些时候，华硕、新华三、浪潮、超微等系统制造商也将进一步扩大液冷技术布局，为数据中心低碳化提速。随着数字经济迈入发展新阶段，数据量也迎来大规模爆发，算力已成为产业发展的核心生产力。作为算力的物理底座，数据中心的发展也迎来了黄金机遇期。

然而，对超高算力的诉求也给数据中心带来了巨大的散热挑战。从芯片层面看，半导体工艺随摩尔定律不断升级，晶体管密度也随之增长，更高的芯片集成度意味着功耗也大幅提升。对于服务器而言，无论是通过增设计算单元提升单机算力，还是利用云计算集中计算资源，都将会带来热密度的提高。为解决数据中心散热难题，芯片供应商、云服务提供商等相关企业越来越重视数据中心冷却技术的研发和创新。

今年5月，英特尔也公布了两项全新投资计划，旨在打造可持续发展的数据中心技术。其一，英特尔斥资7亿美元建设数据中心研发实验室，致力于解决热回收与再利用、浸没式冷却技术以及用水效率等问题。其二，英特尔还在中国台湾启动了初始设计概念验证，助力简化并加速浸没式液冷解决方案在全球生态系统的应用落地。此外，英特尔还推出了业界首个开放知识产权的浸没式液冷解决方案与参考设计。

高算力遭遇散热难题

数据中心算力指标包含四大核心要素，即通用计算能力、高性能计算能力、存储能力及网络能力。通过提高这四大要素的能力指标，便能提高数据中心整体算力水平。以CPU为例，通过增加核心数量或提高单核运算效率，可以大幅提升CPU算力。

然而由于功耗问题，CPU主频的提升受到一定程度的限制。不难发现，高功耗处理器往往发热量也较高，且功耗越高发热量越大。对整体数据中心而言同样如此，单机功率密度的提升，虽大幅提升了数据中心算力水平，但大量数据吞吐和运算又使得数据中心面临能耗和散热难题。

IT设备和冷却系统是数据中心两大主要能耗来源，占据了数据中心总能耗的85%。数据中心IT设备持续运行，同时也持续产生热量，一旦发热量超出额定温度范围，便可能引发服务器宕机，从而导致稳定性下降、业务中断、寿命折损等问题。因而，如何降低功耗、减少能耗、加强散热成为数据中心相关企业关注的重点。

图源：开源证券

一方面，从核心IT设备服务器入手，优化其自身能耗与散热效率，对降低数据中心整体PUE起到关键性作用。另一方面，采用更前沿的冷却技术，如液体冷却技术，提高数据中心散热能力以及服务器使用效率和稳定性，从而提高数据中心运算效率。

在全球碳中和背景下，构建可持续发展的数据中心已成为必然趋势。作为新一代信息技术基础设施，数据中心逐渐以提高密度、降低PUE、快速部署为发展目标，朝向绿色低碳化方向转型升级。

液冷散热取代风冷技术

按照冷却原理不同，现阶段数据中心冷却技术可分为风冷和液冷两大类。顾名思义，风冷技术以空气为冷媒，通过将服务器主板、CPU等散发出的热量传递给散热器模块，然后采用风扇或空调制冷方式将热量吹走。然而，风冷热传导过程复杂、热阻总和大、换热效率较低、换热过程高低温热源间温差大，随着数据中心能耗密度不断提升，风冷散热已经无法满足越来越高的服务器散热需求。

绿色数据中心是大势所趋，而降低冷却系统能耗是节能降耗的关键。因而，液体冷却技术应运而生，以低能耗、高散热效率、低噪音等优势逐步显露出对风冷技术的替代作用。液冷技术以液体为冷媒，散热效率可达到风冷的数千倍。

图源：开源证券

中国信通院在数据中心产业图谱研究报告中表示，高密度计算正促使数据中心液冷技术兴起，液冷不仅是制冷方式的改变，更可能变革整个数据中心生态。对于数据中心液冷技术而言，现阶段无论国内外都处于探索阶段。但随着英特尔、英伟达、中科曙光、华为等国内外企业逐渐深入探索液冷技术，预计数据中心液冷技术的商业化将进一步加速。从Data Bridge Market Research数据来看，预测到2026年，液冷数据中心市场规模将增长至1205亿美元，与2018年14.3亿美元相比翻了数十倍，年复合增长率高达30.45%。