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數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長對數(shù)據(jù)中心提出新要求，特別是高算力AI芯片的導(dǎo)入，進(jìn)一步加速了服務(wù)器高功率密度的演進(jìn)趨勢。
據(jù)中國數(shù)據(jù)中心工作組（CDCC）調(diào)研，國內(nèi)全行業(yè)數(shù)據(jù)中心，8kW功率密度以上的機(jī)柜占比由2021年的11%提升至了2022年的25%，高功率機(jī)柜占比明顯提升。而隨著AI模型訓(xùn)練、推理等應(yīng)用增加，多樣化算力協(xié)同成為常態(tài)，單IT機(jī)柜主流功率密度將從6-8kW/柜提高到12-15KW/柜，超算、智算中心功率密度將提升至30kW以上。
急劇增長的機(jī)柜密度面前，散熱成為迫在眉睫的問題。特別是“雙碳”目標(biāo)下，節(jié)能減排、高質(zhì)量發(fā)展成為共識，多地明確提出加大數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造力度。
液冷服務(wù)器，去年增速305.2%
風(fēng)冷技術(shù)是數(shù)據(jù)中心當(dāng)前最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的冷卻方案之一，它通過冷／熱空氣通道的交替排列實現(xiàn)換熱。不過，風(fēng)冷技術(shù)存在低密度和相對較低的散熱能力的不足，對于高性能計算應(yīng)用尤為明顯。此外，風(fēng)冷技術(shù)存在容易過度冷卻、環(huán)境匹配性較弱、占用空間大等不足。隨著高功率單機(jī)柜快速普及，推動液冷變革勢在必行。
如果采用風(fēng)冷散熱，通常要把單機(jī)柜功率控制在12kW以內(nèi)，以確保散熱系統(tǒng)能夠為IT設(shè)備提供合適的工作溫度。但是，隨著服務(wù)器單位功耗不斷增大，單機(jī)柜功率15kW基本成為空氣對流散熱能力的天花板，一旦超越這一數(shù)值，處于高溫狀態(tài)工作的 IT 設(shè)備將出現(xiàn)運行不穩(wěn)、加劇老化甚至頻繁宕機(jī)等后果。
與傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)相比，液冷具有降低能耗、維持系統(tǒng)性能穩(wěn)定以及支持更高功率處理器的優(yōu)勢，它通過液體代替空氣，把 CPU、內(nèi)存等發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量帶走，就好似給服務(wù)器局部冷卻、整體“淋浴”甚至全部“泡澡”。在冷卻效率方面，液冷比風(fēng)冷至少提高15%～20%，已經(jīng)成為進(jìn)一步降低PUE的關(guān)鍵力量，近年得到了快速發(fā)展。
根據(jù)IDC、浪潮信息等編制的《2022-2023全球計算力指數(shù)評估報告》，2021年，液冷服務(wù)器出貨量在整個服務(wù)器市場占比不到1%，到2022年開始出現(xiàn)較大的增量市場，同比增速達(dá)305.2%。
在2021年之前，液冷服務(wù)器占比小、客戶群單一，主要來自國家科研項目和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的部署。2022年開始增速顯著，越來越多的傳統(tǒng)行業(yè)用戶開始部署液冷數(shù)據(jù)中心，例如金融、電信等。IDC預(yù)測，2026年，中國液冷服務(wù)器在整體服務(wù)器出貨量占比將超過10%，成為增速最快的服務(wù)器子市場之一。
高算力需求帶來什么機(jī)會？
算力需求的快速發(fā)展是促使大多數(shù)客戶快速從風(fēng)冷技術(shù)轉(zhuǎn)向更節(jié)能的液冷技術(shù)的重要原因。因為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中無法容納新的能耗過高的設(shè)備，且耗電費用也要納入衡量體系，因此也促使更多客戶在更新數(shù)據(jù)中心整體設(shè)計時，轉(zhuǎn)向更節(jié)能、更先進(jìn)的液冷方式。
“基于算力激發(fā)以及節(jié)能降耗的趨勢，我們正在朝所希望的方向加速前進(jìn)。當(dāng)‘用戶需求激增→標(biāo)準(zhǔn)建立→規(guī)模效應(yīng)體現(xiàn)→整體成本自然下降’的循環(huán)形成之后，就可以加速推動產(chǎn)業(yè)從存量的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向新型節(jié)能的數(shù)據(jù)中心?！币晃粯I(yè)界人士表示。
顯然，ChatGPT為代表的生成式AI應(yīng)用帶來了這一契機(jī)?！笆袌鰧τ诜?wù)器的需求量爆發(fā)式增長，得益于此，購買成本、運維成本上，以及伴隨算力提升的能耗問題，需要找到一個平衡點。隨著后續(xù)的運維優(yōu)化，整體算力提升帶來的綜合價值將會非?？捎^?！彼硎荆癈hatGPT實際上加速了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于新建的數(shù)據(jù)中心，大家也在更有意識地去推動節(jié)能減碳的方案?！?/p>
冷板式VS. 浸沒式，誰是未來？
在政策與需求的雙重驅(qū)動下，高效低碳的液冷技術(shù)不僅是散熱方式的改變，更有可能變革整個數(shù)據(jù)中心生態(tài)。當(dāng)前，液冷服務(wù)器形態(tài)主要分為冷板式和浸沒式，根據(jù)《2022-2023全球計算力指數(shù)評估報告》數(shù)據(jù)，2022年增量市場中，冷板式服務(wù)器高達(dá)94.9%。調(diào)研顯示，TCO優(yōu)勢、液冷系統(tǒng)的多樣性是企業(yè)選擇冷板式液冷技術(shù)的主要因素，從未來增長看，冷板式液冷服務(wù)器預(yù)計將有更高增速。
不過，高增長態(tài)勢下，液冷產(chǎn)業(yè)仍面臨一些潛在挑戰(zhàn)。有業(yè)內(nèi)人士透露，數(shù)據(jù)中心冷卻液主要采用全氟碳化合物，氟碳化合物主要包含氟和碳元素，氟化冷卻劑由于具有化學(xué)惰性，接觸時不會腐蝕電子元件，使用后無需特殊清潔程序。
據(jù)了解，全氟碳化合物主要被國外壟斷，國內(nèi)的冷卻液之前主要來自3M，國內(nèi)企業(yè)處于加速追趕狀態(tài)。不過，有消息稱3M因環(huán)保原因和原材料問題，3M宣布將退出全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的生產(chǎn)，并努力在 2025年底前停止在其產(chǎn)品組合中使用PFAS，預(yù)計將對全球冷卻液市場產(chǎn)生重大影響，消耗更少冷卻液或根本不用冷卻液的需求將會增加。
隨著3M宣布退出，國內(nèi)企業(yè)紛紛發(fā)力冷卻液市場，不過該人士認(rèn)為，兼容性、可靠性等還需要長期的測試。
此外，在浸沒式的環(huán)境下，特別是單相浸沒的環(huán)境下，容易達(dá)到解熱上限。但是在冷板式液冷中，例如同樣的CPU面積下，它可以解決1000瓦以上的上限，而浸沒式液冷還需要大量的工作才有望達(dá)到。
調(diào)研顯示，目前在浸沒式液冷方面，業(yè)界多為小批量嘗試，因為其初期成本較高。國內(nèi)最早采用浸沒式液冷的是兩個大體量的互聯(lián)網(wǎng)公司，部署規(guī)模在全國數(shù)一數(shù)二。由于他們有自建數(shù)據(jù)中心的能力，可以完全從整個數(shù)據(jù)中心的建筑物、規(guī)劃、液體的流向等維度去做不同的設(shè)計，所以有能力在整個建筑中導(dǎo)入新設(shè)計。
但是對于大多數(shù)行業(yè)用戶來說，他們很少需要蓋一棟樓做數(shù)據(jù)中心，通常也就是百臺、千臺的需求。在這樣的情況下，能夠?qū)氲姆桨妇捅容^局限，這樣的話，冷板技術(shù)就相對容易導(dǎo)入。
冷板技術(shù)目前較為成熟，不過缺乏規(guī)范的驗證標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)設(shè)計、驗證成本較高，導(dǎo)致方案整體價格較高。隨著冷板標(biāo)準(zhǔn)走向統(tǒng)一，產(chǎn)量提升有望繼續(xù)帶來成本下降。至于具體采用冷板式還是浸沒式液冷，還需要對PUE和成本需求平衡之后進(jìn)行決策。
液冷大規(guī)模商用面臨哪些挑戰(zhàn)？
液冷本身不是新技術(shù)，如何把它產(chǎn)業(yè)化是當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵。在大規(guī)模商用普及方面，液冷面臨哪些挑戰(zhàn)？
浪潮方面表示，主要有三大問題亟待解決：一是缺乏技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等的指引，產(chǎn)業(yè)協(xié)同度不高，難以標(biāo)準(zhǔn)化適配和部署；二是由于缺乏長周期、大規(guī)模部署驗證，液冷數(shù)據(jù)中心的可靠性問題存在一定爭議，用戶有使用疑慮；三是產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同性差，缺乏具備高度整合能力的鏈主企業(yè)，資源配置效率低、浪費大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度受阻。
首批數(shù)據(jù)中心液冷系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已于2022年4月1日起正式實施，不過，該標(biāo)準(zhǔn)僅涵蓋浸沒式、冷板式等主要液冷方式的技術(shù)要求和測試方法，以及液冷能源使用效率要求和測試方法、冷卻液體技術(shù)要求和測試方法等內(nèi)容。
事實上，液冷技術(shù)非常復(fù)雜，涉及液冷數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)層、液冷部件及接口層、液冷基礎(chǔ)設(shè)施層（液冷機(jī)柜組件、換熱設(shè)備、室外集成冷源等）、液冷監(jiān)控系統(tǒng)層等多方面，產(chǎn)業(yè)鏈上的各個企業(yè)技術(shù)路徑多種多樣、產(chǎn)品規(guī)格千差萬別，導(dǎo)致液冷進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化適配和部署的難度很大，因此，液冷標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等亟待完善。
其次，缺乏長周期、規(guī)模化部署驗證，可靠性存在爭議。液冷技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代，但一直處于小規(guī)模部署階段，主要是對散熱要求更嚴(yán)苛的高性能計算用戶采用。并且，冷板式液冷存在漏液隱患，未使用絕緣冷卻液的情況下，可能引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)停運事故。而浸沒式液冷技術(shù)，由于缺乏長周期的冷卻系統(tǒng)使用效果驗證，因此技術(shù)可靠性依然存在一定爭議。
第三，產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同性差，缺乏具備高度整合能力的鏈主企業(yè)。由于液冷產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于起步階段、產(chǎn)業(yè)分工尚未明確，導(dǎo)致整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同性不強(qiáng)，眾多鏈條企業(yè)更多依靠“作坊式生產(chǎn)”的方式來完成產(chǎn)品及服務(wù)交付，產(chǎn)業(yè)鏈缺乏具備高度資源整合能力的鏈主企業(yè)，從而導(dǎo)致資源配置效率不高、浪費嚴(yán)重。
寫在最后
大數(shù)據(jù)量、大算力需求下，數(shù)據(jù)中心因高耗能所帶來的碳排放的問題，使得“綠色數(shù)據(jù)中心”近年來得到了普遍關(guān)注，盡管液冷產(chǎn)業(yè)還有一定成長空間，但擁抱液冷已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心的確定性趨勢。
不過，正如相關(guān)企業(yè)所說，液冷是一項“很新的老技術(shù)”，一些用戶對其安全性、便捷性等方面，仍存有疑慮。只有繼續(xù)推動技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，才能真正實現(xiàn)液冷技術(shù)更可靠、更便捷、更高效。
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