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雙碳”趨勢下，零碳數(shù)據(jù)中心如何打造，要重點考慮"電從哪里來？熱到哪里去?"（三）
發(fā)布時間：2024-12-16
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三、液冷技術(shù)方案的應(yīng)用
創(chuàng)新技術(shù)是推動數(shù)據(jù)中心節(jié)能減碳的核心動力、制冷方式的革新、設(shè)計建設(shè)方式的優(yōu)化。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，服務(wù)器的數(shù)量決定了整個數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)處理能力，而中大型數(shù)據(jù)中心服務(wù)器都是以數(shù)千臺來計算，按照一個機架放置10臺服務(wù)器，大型數(shù)據(jù)中心就需要數(shù)百個機架。這樣巨量的服務(wù)器設(shè)備同時運轉(zhuǎn)，按照每臺運行功率300W來計算，一萬臺就要3兆瓦，所以如果每臺服務(wù)器都能節(jié)省一點能耗，一萬臺服務(wù)器節(jié)省的能耗就非?？捎^。因此有不少的專家從服務(wù)器入手，在服務(wù)器上下功夫，在不降低服務(wù)器運行性能的前提下，盡量降低運行的能耗和改善服務(wù)器的運行環(huán)境，在這樣的迫切需求情況下，更加高效的系列液冷方案就應(yīng)運而生。液冷的冷卻能力遠遠高于傳統(tǒng)風(fēng)冷的冷卻能力，同體積的空氣和水相比，比如1個立方的水和空氣，在常溫下溫度變化1℃時，空氣的傳熱大約是1.3千焦, 而水的傳熱大約是4200千焦，可見水的傳熱能力超過空氣的3000倍多。
目前，我國液冷數(shù)據(jù)中心還處于快速發(fā)展階段，但已經(jīng)部分大型企業(yè)和機構(gòu)開始嘗試部署液冷技術(shù)，如阿里巴巴、騰訊、華為等公司都在新建或改造部分數(shù)據(jù)中心為液冷數(shù)據(jù)中心。此外，還有一些創(chuàng)業(yè)公司也在液冷領(lǐng)域進行探索和實踐，如云酷智能、綠色云圖、依米康、海悟、申菱等。
目前液冷技術(shù)主要有三大類，分別是噴淋式液冷、浸沒式液冷、冷板式液冷，其示意原理圖如下：

1. 噴淋式液冷：將冷卻液通過噴淋的方式淋在服務(wù)器的散熱元件上帶走服務(wù)器產(chǎn)生的熱量。
2. 浸沒式液冷：將服務(wù)器的發(fā)熱元器件完全浸沒在冷卻液中，通過冷卻液的對流或相變將服務(wù)器的熱量帶走的散熱系統(tǒng)。根據(jù)目前主流氟化液的單相換熱能力是同體積空氣換熱能力的1200倍以上。如果采用相變浸沒式，氟化液的相變換熱能力是同體積空氣換熱能力的10000倍以上。
3. 冷板式液冷：在服務(wù)器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱，其他少量發(fā)熱器件（如硬盤、接口卡等）仍采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。冷板液冷優(yōu)點是對現(xiàn)有機房的架構(gòu)影響不大，采用水的散熱能力是同體積空氣散熱能力的3200倍，而且具備低噪音、空間利用率高、熱能可回收的特點。
其中，冷板式液冷技術(shù)開發(fā)較早，是目前成熟度最高、行業(yè)布局最多、應(yīng)用最廣泛的液冷散熱方案，根據(jù)CCID前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的調(diào)研數(shù)據(jù)，2022年我國液冷市場規(guī)模約為600億元左右，其中冷板液冷的市場份額約占65%，浸沒式液冷約占34%，2023年我國液冷市場規(guī)模將增至800億元，到2025年我國液冷市場規(guī)模預(yù)計將達到1300億元左右。
2018年，阿里建設(shè)了大型浸沒液冷張北數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心是阿里云首個應(yīng)用全浸沒式液冷服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)相比，熱傳導(dǎo)效率要高百倍，節(jié)能效果超過70%。阿里張北液冷數(shù)據(jù)中心不僅在技術(shù)上具有創(chuàng)新和領(lǐng)先優(yōu)勢，同時也注重環(huán)保和節(jié)能。該數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻等先進節(jié)能技術(shù)，可將電能利用效率（PUE）控制在1.25以內(nèi)，最低可達1.13。
浸沒液冷技術(shù)的優(yōu)勢不僅在于導(dǎo)熱散熱，還能夠容納更多IT設(shè)備，提高了計算能力。阿里張北液冷數(shù)據(jù)中心功耗密度達到60千瓦，將計算密度提升了10倍。同時，液冷機柜具有高密封性特點，使得電子元器件遠離濕度、灰塵、振動的影響，提升了設(shè)備的穩(wěn)定性、降低了故障發(fā)生率。阿里張北液冷機房運行3年來，與同等規(guī)模的其他機房相比，故障發(fā)生率降低了54%。基于阿里對張北液冷數(shù)據(jù)中心的經(jīng)驗，2020年阿里又在杭州建設(shè)了中國首座綠色等級達5A級的液冷數(shù)據(jù)中心—阿里杭州仁和液冷數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心整棟樓采用了全浸沒液冷服務(wù)器。由于大規(guī)模使用全浸沒液冷服務(wù)器技術(shù)，使得整體PUE值為1.09，達到目前世界最領(lǐng)先水平。
2023年6月5日，移動、聯(lián)通、電信三大運營商在第31屆中國國際信息通信展覽會“算力創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上發(fā)布了《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》，白皮書分析了數(shù)據(jù)中心目前面臨的形勢和液冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了電信運營商液冷技術(shù)實踐和目前的發(fā)展挑戰(zhàn)，提出電信運營商液冷技術(shù)發(fā)展三年愿景和具體技術(shù)路線，對冷板式和浸沒式液冷兩種型式關(guān)鍵技術(shù)選擇做了介紹。總體來看，冷板式液冷與單相浸沒式液冷各有優(yōu)劣，生態(tài)均需完善，兩者演進均尚需時日，未來一定時間內(nèi)將并存發(fā)展，為當(dāng)前業(yè)內(nèi)發(fā)展主流。綜上，電信運營商現(xiàn)階段主要推進冷板式液冷與單相浸沒式液冷兩種技術(shù)路線，詳細如下：

根據(jù)《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》，預(yù)計到2025年50%以上數(shù)據(jù)中心項目將應(yīng)用液冷技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)行業(yè)液冷數(shù)據(jù)中心占比達24.0%，金融行業(yè)占比達25.0%、電信行業(yè)占比達23.0%、能源行業(yè)占比達10.5%，生物、醫(yī)療和政務(wù)等行業(yè)需求將加快融入通用數(shù)據(jù)中心新業(yè)態(tài)。
液冷技術(shù)的出現(xiàn)，不但為“雙碳”戰(zhàn)略做出了貢獻，同時也推動了數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)的落地，改善了傳統(tǒng)風(fēng)冷的散熱形式，更能滿足高密機柜、芯片級精確制冷、更節(jié)能、更節(jié)地、更低噪聲。
液冷方案在實際數(shù)據(jù)中心場景應(yīng)用中，結(jié)合不同的產(chǎn)品制定了場景化的解決方案，例如海悟的場景化液冷解決方案，分別是：
場景一：采用冷板式液冷，配合集中式CDU解決方案，該方案最大支持的功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.2及以下。

場景二：此方案采用冷板式液冷，配合分布式CDU方案，該方案最大支持功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE同樣可以做到1.2及以下。

場景三：此方案采用單相浸沒式液冷，室外采用干冷器，配合雙機柜式CDU,最大支持功率密度為30～100KW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.1及以下。

目前各液冷設(shè)備廠家的方案有所不同，因為液冷技術(shù)當(dāng)前生態(tài)不完善，各家產(chǎn)品形態(tài)各異，產(chǎn)品規(guī)范化程度較低，機柜與服務(wù)器深度耦合，尚無統(tǒng)一接口標準，難以標準化、規(guī)?；茝V應(yīng)用。推廣液冷技術(shù)，需集思廣益、凝聚共識，完善液冷產(chǎn)業(yè)標準化和生態(tài)建設(shè)、促進液冷技術(shù)有序發(fā)展，開辟數(shù)據(jù)中心液冷行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展道路。
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