數(shù)據(jù)中心與能源消耗

預計到2025年，全球發(fā)電量將達到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，數(shù)據(jù)中心的電力消耗到2030年很可能達到甚至超過1,000TWh，接近全球總電力消耗的5%。

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

在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心〔包括運行人工智能（AI）和高性能計算（HPC）工作負載的數(shù)據(jù)中心〕中，電子設備冷卻是一個耗電量非常大的領域。各類AI和HPC部署對冷卻的要求高低不一、差異巨大，但通常都需要長時間持續(xù)工作，而且它們的功率密度可能高達常規(guī)數(shù)據(jù)中心服務器應用的10倍以上。能源的價格正持續(xù)上漲，但電力供應卻難以跟上，因此提高數(shù)據(jù)中心冷卻效率已成為近年來值得關注的焦點問題。

一些新建的數(shù)據(jù)中心采用了與可再生能源發(fā)電設施同步建設的方式，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看，這種做法非常經(jīng)濟高效，但冷卻技術帶來的工作能耗需求仍然很高，足以大幅推高此類項目的初始資本成本。

業(yè)界專家設計了許多創(chuàng)新方法，將數(shù)據(jù)中心轉型為更節(jié)能的平臺，例如在沿海地區(qū)部署全浸沒在水下的數(shù)據(jù)中心艙。然而，美國傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心通常建在氣候干旱的偏遠地區(qū)。廉價土地的充足供應、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，但代價就更高的冷卻需求以及有限或昂貴的水資源供應。

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

01數(shù)據(jù)中心冷卻技術的發(fā)展趨勢

超高密度數(shù)據(jù)中心的機架功率密度已從不到10kW上升到某些情況下超過100kW。在如此高的功率密度面前，大家普遍認為風冷技術無法滿足要求，而且效率過低，難以和液冷技術競爭。在這些方法中，單相直接芯片（DTC）液冷技術在亟需更高效冷卻方法的市場中具備優(yōu)勢。

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

風冷的前期成本非常低，而DTC和浸沒式冷卻則屬于成本高、復雜的冷卻方式之一。對于資金充裕、盈利預期良好的新建數(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目仍在依賴采用傳統(tǒng)空調(diào)技術、效率低下的風冷系統(tǒng)。部分地區(qū)的監(jiān)管要求可能會限制此類低效冷卻技術的應用，但運營成本上升帶來的經(jīng)濟壓力更可能促使數(shù)據(jù)中心放棄傳統(tǒng)風冷方案。目前，通過優(yōu)化風扇布局、機架位置以及氣流設計等手段，已經(jīng)可以顯著提升系統(tǒng)效率、降低成本。

浸沒式冷卻技術有望成為一種非常高效、可持續(xù)的冷卻技術，尤其是考慮到該技術能夠應對非常高的熱密度。根據(jù)估計，與傳統(tǒng)風冷相比，浸沒式冷卻技術可將數(shù)據(jù)中心的冷卻能耗降低達90%。隨著AI和HPC領域的新技術推動機架功率密度不斷提高，這項冷卻技術有望進一步得到普及。不過，由于浸沒式冷卻還是一項比較新的技術，其基礎設施的供應暫時還無法跟上數(shù)據(jù)中心大規(guī)模部署的步伐。然而，隨著越來越多浸沒式冷卻企業(yè)涌現(xiàn)，并從數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模投資中獲利，這一狀況在未來幾年內(nèi)有望改變。

液冷方法（尤其是浸沒式冷卻）的另一項潛在優(yōu)勢，在于它能夠將廢熱收集起來，為游泳池、學校、商業(yè)區(qū)、室內(nèi)園藝設施、廢棄物處理、化學加工/精煉等應用領域供熱；廢熱甚至還可以供應給熱能儲存系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可根據(jù)用電需求將廢熱轉化為電能。

02數(shù)據(jù)中心冷卻技術的未來

新技術的發(fā)展，對AI和HPC的響應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的位置，這與上文討論的限制因素疊加在一起，構成了更大的挑戰(zhàn)。越來越多的應用場景都開始采用AI、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和自動化功能，它們都需要毫秒級的響應時間，所以必須部署在靠近用戶的地方。而大多數(shù)此類終端應用場景都位于人口稠密的城市地區(qū)，要想在這里建設更多數(shù)據(jù)中心，勢必要面臨房租貴、空間小、污染和用水限制嚴格、供電容量不足等問題。在空間受限的前提下，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的性能目標，就必須在密度上做文章了。

因此，數(shù)據(jù)中心機架的功率密度將會不斷提高，比如一個晶圓級AI處理器的功耗就可能高達數(shù)十千瓦；然而冷卻技術卻滯后于數(shù)據(jù)中心的增長和擴張。隨著越來越多AI和HPC技術得到部署，以及云基礎設施為了滿足日益增長的需求而不斷擴展，這種趨勢只會進一步惡化。

對數(shù)據(jù)中心運營商來說，擺在他們面前的一項艱巨任務，就是徹底改造傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)，并將液冷技術融入到新的數(shù)據(jù)中心設計中。畢竟，對正在運行的數(shù)據(jù)中心進行任何環(huán)境改動，都伴隨著巨大的風險和復雜的運維工作。因此，在資金充足的情況下，運營商為了適應新變化，都更傾向于從頭開始建設新的數(shù)據(jù)中心，而不是改造現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心。隨著電子設備冷卻行業(yè)不斷并購，數(shù)據(jù)中心運營商與冷卻企業(yè)之間的合作日益增多，這將促進先進冷卻技術的普及。

要追趕這一趨勢，需要使用更嚴謹?shù)膫鞲?、分析和?yōu)化方案。傳統(tǒng)的算法冷卻控制系統(tǒng)可能會被更先進的冷卻優(yōu)化技術（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)以萬計的傳感器和冷卻裝置。而實現(xiàn)優(yōu)化的方式之一，是借助先進的監(jiān)控和分析技術，讓數(shù)據(jù)中心能夠運行在高于傳統(tǒng)目標值的溫度下，同時又能夠確保沒有任何硬件的溫度達到導致性能下降的程度。

結語

目前，風冷仍占據(jù)數(shù)據(jù)中心冷卻的主導地位，但在不久之后，改造和新建的數(shù)據(jù)中心就會開始采用風冷/液冷混合技術，而未來的數(shù)據(jù)中心或超高密度數(shù)據(jù)中心將會采用先進的液冷技術。為了實現(xiàn)這樣的目標，DTC必須進一步提高可靠性，因為即使是幾秒鐘的DTC故障，也可能導致服務器長時間停機或損壞。浸沒式冷卻技術可以滿足這一可靠性需求，而且能夠實現(xiàn)更高的功率密度，但其代價是復雜性增加，以及需要更專業(yè)的安裝和維護。

未來，機架功率密度將會超過100kW乃至300kW，工程師在考慮散熱問題時不能只局限于機架。如何將冷卻過程中產(chǎn)生的多余熱能加以收集利用，將變得愈發(fā)關鍵，尤其是在許多政府和機構正尋求立法，要求數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)顯著的可持續(xù)性水平的背景下。