芯耀
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文︱郭紫文
圖︱網(wǎng)絡(luò)
近日，英偉達率先發(fā)布液冷A100 PCIe GPU，采用直接芯片（Direct-to-Chip）冷卻技術(shù)，以滿足高性能碳中和數(shù)據(jù)中心需求。根據(jù)測試，采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心負載能夠與風冷設(shè)施持平，同時能耗減少了30%左右，PUE（電源使用效率）也遠低于后者。
今年晚些時候，華碩、新華三、浪潮、超微等系統(tǒng)制造商也將進一步擴大液冷技術(shù)布局，為數(shù)據(jù)中心低碳化提速。隨著數(shù)字經(jīng)濟邁入發(fā)展新階段，數(shù)據(jù)量也迎來大規(guī)模爆發(fā)，算力已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心生產(chǎn)力。作為算力的物理底座，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展也迎來了黃金機遇期。
然而，對超高算力的訴求也給數(shù)據(jù)中心帶來了巨大的散熱挑戰(zhàn)。從芯片層面看，半導體工藝隨摩爾定律不斷升級，晶體管密度也隨之增長，更高的芯片集成度意味著功耗也大幅提升。對于服務器而言，無論是通過增設(shè)計算單元提升單機算力，還是利用云計算集中計算資源，都將會帶來熱密度的提高。為解決數(shù)據(jù)中心散熱難題，芯片供應商、云服務提供商等相關(guān)企業(yè)越來越重視數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新。
今年5月，英特爾也公布了兩項全新投資計劃，旨在打造可持續(xù)發(fā)展的數(shù)據(jù)中心技術(shù)。其一，英特爾斥資7億美元建設(shè)數(shù)據(jù)中心研發(fā)實驗室，致力于解決熱回收與再利用、浸沒式冷卻技術(shù)以及用水效率等問題。其二，英特爾還在中國臺灣啟動了初始設(shè)計概念驗證，助力簡化并加速浸沒式液冷解決方案在全球生態(tài)系統(tǒng)的應用落地。此外，英特爾還推出了業(yè)界首個開放知識產(chǎn)權(quán)的浸沒式液冷解決方案與參考設(shè)計。
高算力遭遇散熱難題
數(shù)據(jù)中心算力指標包含四大核心要素，即通用計算能力、高性能計算能力、存儲能力及網(wǎng)絡(luò)能力。通過提高這四大要素的能力指標，便能提高數(shù)據(jù)中心整體算力水平。以CPU為例，通過增加核心數(shù)量或提高單核運算效率，可以大幅提升CPU算力。
然而由于功耗問題，CPU主頻的提升受到一定程度的限制。不難發(fā)現(xiàn)，高功耗處理器往往發(fā)熱量也較高，且功耗越高發(fā)熱量越大。對整體數(shù)據(jù)中心而言同樣如此，單機功率密度的提升，雖大幅提升了數(shù)據(jù)中心算力水平，但大量數(shù)據(jù)吞吐和運算又使得數(shù)據(jù)中心面臨能耗和散熱難題。
IT設(shè)備和冷卻系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心兩大主要能耗來源，占據(jù)了數(shù)據(jù)中心總能耗的85%。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備持續(xù)運行，同時也持續(xù)產(chǎn)生熱量，一旦發(fā)熱量超出額定溫度范圍，便可能引發(fā)服務器宕機，從而導致穩(wěn)定性下降、業(yè)務中斷、壽命折損等問題。因而，如何降低功耗、減少能耗、加強散熱成為數(shù)據(jù)中心相關(guān)企業(yè)關(guān)注的重點。
圖源：開源證券
一方面，從核心IT設(shè)備服務器入手，優(yōu)化其自身能耗與散熱效率，對降低數(shù)據(jù)中心整體PUE起到關(guān)鍵性作用。另一方面，采用更前沿的冷卻技術(shù)，如液體冷卻技術(shù)，提高數(shù)據(jù)中心散熱能力以及服務器使用效率和穩(wěn)定性，從而提高數(shù)據(jù)中心運算效率。
在全球碳中和背景下，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的數(shù)據(jù)中心已成為必然趨勢。作為新一代信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)中心逐漸以提高密度、降低PUE、快速部署為發(fā)展目標，朝向綠色低碳化方向轉(zhuǎn)型升級。
液冷散熱取代風冷技術(shù)
按照冷卻原理不同，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)可分為風冷和液冷兩大類。顧名思義，風冷技術(shù)以空氣為冷媒，通過將服務器主板、CPU等散發(fā)出的熱量傳遞給散熱器模塊，然后采用風扇或空調(diào)制冷方式將熱量吹走。然而，風冷熱傳導過程復雜、熱阻總和大、換熱效率較低、換熱過程高低溫熱源間溫差大，隨著數(shù)據(jù)中心能耗密度不斷提升，風冷散熱已經(jīng)無法滿足越來越高的服務器散熱需求。
綠色數(shù)據(jù)中心是大勢所趨，而降低冷卻系統(tǒng)能耗是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。因而，液體冷卻技術(shù)應運而生，以低能耗、高散熱效率、低噪音等優(yōu)勢逐步顯露出對風冷技術(shù)的替代作用。液冷技術(shù)以液體為冷媒，散熱效率可達到風冷的數(shù)千倍。
圖源：開源證券
中國信通院在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)圖譜研究報告中表示，高密度計算正促使數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)興起，液冷不僅是制冷方式的改變，更可能變革整個數(shù)據(jù)中心生態(tài)。對于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)而言，現(xiàn)階段無論國內(nèi)外都處于探索階段。但隨著英特爾、英偉達、中科曙光、華為等國內(nèi)外企業(yè)逐漸深入探索液冷技術(shù)，預計數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)的商業(yè)化將進一步加速。從Data Bridge Market Research數(shù)據(jù)來看，預測到2026年，液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將增長至1205億美元，與2018年14.3億美元相比翻了數(shù)十倍，年復合增長率高達30.45%。
浸沒式液冷成為大勢所趨
在眾多液冷技術(shù)中，又以浸沒式液冷技術(shù)更具優(yōu)勢。浸沒式液冷技術(shù)通過將服務器等發(fā)熱設(shè)備直接浸沒于冷卻液中，以直接接觸方式進行熱交換。與傳統(tǒng)冷卻技術(shù)相比，浸沒式液冷技術(shù)在節(jié)能降耗、減少噪聲、節(jié)約空間等方面優(yōu)勢顯著。
采用浸沒式液冷的數(shù)據(jù)中心能耗可降低90%以上，PUE與運維成本也大幅度降低。此外，由于浸沒式液冷采用冷卻液散熱，無需額外配置風扇或散熱片，因而能夠減少噪聲及空氣灰塵污染。
據(jù)賽迪顧問預測，到2025年，中國浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將超過526億元，市場份額也將突破40%。就國內(nèi)市場而言，在雙碳政策的推動下，浸沒式液冷技術(shù)將成為主流散熱技術(shù)，驅(qū)動數(shù)據(jù)中心綠色低碳化加速向前發(fā)展。
