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      東數西算下,液冷數據中心為何日趨重要?

      來源:GPU計算 作者: 更新時間:2023/3/7 8:55:25

      摘要:在“雙碳”目標和“東數西算”工程的推動下,液冷、深度學習、高性能計算、多樣化計算等技術前景廣闊。

      在“雙碳”目標和“東數西算”工程的推動下,液冷、深度學習、高性能計算、多樣化計算等技術前景廣闊。數據中心、超算平臺基礎設施可按照不同的冷卻方法進行劃分風冷數據中心基礎設施和液冷數據中心基礎設施。數據中心散熱技術領域不斷創新。目前,液冷技術以其穩定性高、散熱效率高等優勢逐漸顯現出優勢。在“碳達峰”和“碳中和”目標的背景下,液冷技術的市場需求十分廣闊。據賽迪顧問預計,到2025年中國液冷數據中心基礎設施市場規模有望達到245.3億元。液冷數據中心基礎設施又可分為冷板式液冷數據中心基礎設施和浸沒式液冷式數據中心基礎設施冷卻數據中心基礎設施。

      東數西算布局的整體規劃

      東數西算有跡可循,“東數西算”工程可以認為是5G新基建工程的衍生。在國家層面,2019年3月的政府工作報告中引入“新基建”概念,明確提出加強新一代信息基礎設施建設。在“新基建”的引領下,2020年“東數西算”的概念初具雛形。近年來,“東數西算”詞頻不斷提升,“建設全國算力網絡國家樞紐節點等核心內容”也密集地出現在國家發改委、工信部、中央網信辦、能源局印發的文件中。2021年5月,國家發改委等四部門聯合發布《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》,標志著“東數西算”工程正式啟動。

      一、建設八大樞紐十大集群

      “東數西算”在京津冀、長三角、粵港澳、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏建設8個算力樞紐。在八個算力樞紐中,東數西算工程共規劃10個國家數據中心集群,依托八個樞紐十個集群,有利于集中政策和資源,更好地引導數據中心集約化、規?;?、綠色化發展。每個集群是一片物理連續的行政區域,具體承載算力樞紐內的大型、超大型數據中心建設。

      二、八大樞紐推動全國數據中心適度集聚、集約發展

      現有八大樞紐節點分為兩類,一類是以京津冀為代表的東部地區,用戶量大,應用需求強,原則上不超過2個數據中心集群被建造。重點協調城市內外區域數據中心布局,實現大規模算力部署和土地、用能、水、電等資源的協調可持續,優化數據中心攻擊結構,拓展算力增長空間,滿足重大區域發展戰略的需要;另一種以貴州、內蒙為代表的西部地區可再生能源資源豐富,綠色數據中心發展潛力巨大著力提升服務質量和利用效率,充分發揮資源優勢,夯實網絡等基礎保障,積極承接全國范圍需后臺加工、離線分析、儲存備份非實時算力需求,打造面向全國的非實時性算力保障基地。

      三、十大集群旨在保障底層資源,優化計算效率

      在八個算力樞紐內,東數西算工程在全國規劃共計10個數據中心集群。每個集群都是一片物理連續的行政區域,具體承載算力樞紐內的大型、超大型數據中心建設。兩類集群對數據中心PUE要求都比較嚴格,同時對機架層面的要求也很高,體現了政策調控供給集約化的綠色發展導向,避免資源浪費。

      四、各區域要求體現差異化定位,承托數字經濟發展

      各地緊抓“東數西算”的戰略機遇,結合市場需求和自身區域特點,實施各項創新舉措。在東部地區,“北上廣”聚焦算力,加強統籌規劃、智能調度和多元化供給;在西部地區,充分發揮資源優勢,夯實網絡等基礎保障。

      1、內蒙古呼和浩特

      培育以大數據、云計算為特色的電子信息技術產業集群,實施高性能計算機算力翻番計劃,先后建成4個超級計算機應用平臺,實現全國最高性能運算總能力和規模位居全國前列。

      2、寧夏中衛

      積極構建完整的“云生態”,著力打造以東數西移、東數西儲、東數西算、信息技術創新應用發展和區域數字經濟發展為重點的西部云基地,積極開展東方算力服務,建設國家“東數西算”示范基地。

      3、甘肅省

      充分利用本地能源和算力資源,定向承接上海、深圳等地的算力需求,在西北建設一批人工智能數據中心和人工智能數據治理基地,構建算力精準對接機制和算力資源共享通道。

      4、成渝地區

      定位國家超算中心,建設成渝綜合科學中心(興隆湖)和西部科學城(成都),強化天府新區創新源頭功能。

      5、北京市

      將加強算力算法平臺等新型基礎設施建設,打造高水平自動駕駛全場景運營等20個重大應用場景,打造數字經濟標桿城市。

      6、上海市

      以提供普惠算力資源、支撐國產算法框架、建設算法孵化平臺、創新數據應用模式為目標,試點打造全國首個人工智能公共算力服務平臺。

      7、貴州省

      實施數字產業重大突破,打造數據產業“五區”,包括承接“貴州-粵港澳”、“貴州-長三角”兩線算力需求的“引領區”;推動數據資源匯聚、流通交易,打造數據供應鏈,培育超大規模數據要素市場“先行區”;建設決策大腦、行業大腦、城市大腦“示范區”。推廣安全產品和防范機制,建設大數據中心集群多副本中心和“備份區”的戰略安全基地;連接成渝及灣區,建設西部數據中心走廊,打造連接西部陸海通道中心的“核心區”。

      8、廣東省

      建設先進算力集群,統籌全省算力網絡建設布局。

      整體來看,近幾年東部地區的投資節奏將會快于西部,數據中心的投資節奏將會快于云網投資。項目整體過程中看中強化東西部算力樞紐,集群內部和集群之間的統籌聯動,推動節點之間的算力網協同布局。

      東數西算帶來的產業機遇

      一、東數西算產業鏈分析

      “東數西算”項目打通多條產業鏈,帶來巨大效益。從產業鏈分類來看,“東數西算”工程設計產業鏈的上游是數據中心和算網絡基礎設施提供商,中游包括云計算、數據中心和通信網絡運營商,下游為算力服務的使用方。

      二、東數西算帶動的產業鏈

      1、數據中心產業鏈充分收益“東數西算”工程

      數據中心產業從上至下有望充分受益“東數西算”工程。數據中心是在網絡上用于傳遞、加速、顯示、計算和存儲數據信息的物理場所,主要用于對數據計算和存儲有大量需求的組織。完整的數據中心由IT設備和基礎設施組成。數據中心基礎設施是支持數據中心正常運行的各種系統的統稱,包括制冷、配電、機柜、布線、監控等系統。

      2、算力網絡產業鏈為“東數西算”工程提出基礎保障

      “東數西算”涉及的產業鏈不僅僅局限于數據中心業務。從算力網絡的構成來看,可以拆解為三層:算網基礎設施層、編排管理層、服務運營層。算力網絡發展需要超大規模的數據中心來保障算力供應,也需要高效的算力優先網絡進行算力管理。

      3、“東數西算”工程驅動光通信產業鏈的發展

      “東數西算”項目推動了光通信產業鏈的發展,有效解決了時延問題,提高了數據傳輸質量。數據互聯依賴于光通信,而光通信網絡是算力網絡的基礎。在“東算西算”工程背景下,網絡質量是實現算力均衡分配的前提。為了將數據傳輸到西部地區進行存儲,前提是在數據中心之間建立高速網絡通道,這將帶動西部地區日益增長的網絡建設需求。根據光通信器件的各種物理形態,產業鏈可分為光組件、光芯片、光器件、光模塊和光通信設備。光模塊在“東數西算”項目中執行信號轉換任務,可實現光信號產生、信號調制、檢測、光路轉換和光電轉換等功能。

      三、東數西算拉動的行業需求

      1、科技、綠色雙主線,經濟和生態共發展

      “東數西算”具有經濟和生態雙重意義。圍繞“科技”和“綠色”兩條主線展開。“科技”主線對應數據中心等產業鏈核心硬件設備國產化替代,“綠色”主線對應綠色降碳,液冷分布式供電、模塊化機房、可再生能源等綠色先進的節能減碳技術。

      2、科技主線東數西算建設拉動服務器采購需求

      服務器約占數據中心硬件成本的70%,是數據中心IT設備的重要組成部分。服務器作為數字經濟的算力基礎設施,受益于我國數字經濟的快速發展,中國服務器出貨量整體保持穩定增長。數據顯示,中國服務器市場出貨量350萬臺,同比增長9.8%。東數西算規劃10個國家數據中心集群,持續建設將刺激服務器采購需求。

      為何液冷數據中心如此重要

      全球單機柜功率正在上升,在“雙碳”政策的支持下,風冷器換液冷器已成大勢所趨。2021年11月,國家發改委表示,全國新建大型、超大型數據中心平均PUE降至1.3以下,全國樞紐節點進一步降至1.25以下。隨著芯片技術的進步,服務器的計算能力飛速發展,建設高密度、高能耗的大型數據中心成為平衡算力和環保規定的必然選擇。制冷系統是數據中心重要的基礎設施之一,在高密度數據中心的運行中,傳統風冷面臨散熱不足、能耗嚴重的問題。液冷技術成為數據中心降低PUE的最優方案,15kW/機柜以上更經濟。目前的液冷技術主要分為冷板式和浸入式,其中浸入式液冷可將數據中心PUE降至1.2以下。除了更高的能源利用率,液冷技術在降噪、空間利用率和地理環境等方面也有更好的表現。隨著液冷相關技術的日趨成熟,國內外許多公司開始為客戶提供定制化的液冷技術解決方案,一些科技公司也逐步建設和部署了自己的液冷數據中心。

      在國家工程“東數西算”背景下,預計2025年液冷基礎設施規模將達到245億元,新型算力基礎設施綠色建設將逐步提速。根據《2021-2022年度中國數據中心基礎設施產品市場總體報告》,2021 年我國單機柜功率在 10kW 以上的數據中心市場規模增速超過 10%,其中 30kW 以上增速達 31%。隨著超高密度數據中心的建設節奏加快,傳統風冷已無法滿足高性價比、低 PUE 的需求,因此液冷技術成為未來建設數據中心的主要路徑。據賽迪顧問預測,中國液冷數據中心基礎設施市場規模預計由 2019 年的 64.7 億元增至 2025 年的 245.3 億元。由于浸沒式液冷具備制冷效率更高等特點,預計占比由 2019 年的 18%升至 2025 年的 41%。逐漸增長的數據中心算力將推動高功率單機柜快速普及,預計 2025 年全球數據中心平均功率提升至 25kW。

      一、政策背景:國家政策指導全國新建大型、超大型數據中心平均 PUE 降到 1.3 以下、樞紐節點降到 1.25 以下
      世界主要國家紛紛承諾到2050年完成碳中和計劃,數據中心綠色低碳政策相繼出臺實施。政府間氣候變化委員會于2018年10月8日發布報告,提出將全球變暖限制在1.5℃,需要加快土地、能源和產業轉型,在2050年前后實現“凈零”排放。切實到各國的數據中心的低碳政策,美國政府采取DCOI數據中心優化倡議整合關閉數據中心、制定數據中心PUE和服務器利用率的具體標準等措施,實現數據中心PUE平均2 .0以上下降到在近一半的大型數據中心下降到 1.5 甚至低于 1.4。新加坡發布的《綠色數據中心技術路線圖》提出了冷卻設備效率提升、IT設備溫濕度容忍度、數據中心資源調度、負載分配和優化能力整合等建議。歐盟通過《2020年歐盟數據中心能效行為準則最佳實踐指南》和《歐洲數據中心能效狀況白皮書》,對PUE、SUE和DCiE數據中心等綠色指標進一步細化和標準化。

      為促進行業規范化和快速發展,工信部等部門相繼出臺了數據中心指導政策。2021年11月,國家發改委、網信辦、工信部、能源局聯合印發《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和 5G 等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》指出堅持集約化、綠色化、智能化建設,加快節能低碳技術研發推廣,支持技術創新和創新模式。全國新建大型、超大型數據中心平均用電效率降至1.3以下,全國中心節點進一步降至1.25以下,綠色低碳水平達到4A以上。

      二、液冷技術在散熱效率、適用功率等方面優于風冷

      數據中心基礎設施是支撐數據中心正常運行的各種系統的總稱,包括制冷、配電、機柜、布線、監控等系統,是數據中心的組成部分之一。數據中心是在網絡上用于傳輸、加速、顯示、計算和存儲數據信息的物理場所,主要用于對數據計算和存儲有大量需求的組織。

      數據中心基礎設施根據冷卻方式不同可分為風冷數據中心基礎設施和液冷數據中心基礎設施。風冷方式起步較早,技術相對成熟;液冷方式是近幾年因數據中心散熱需求提升而出現的一種新方式,技術尚處于發展階段。液冷方式分為冷板液冷和浸沒式液冷,浸沒式液冷方式又可分為相變浸沒式液冷和非相變浸沒式液冷。

      冷板式液冷為間接接觸型,浸沒式液冷為直接接觸型。風冷是一種以空氣為冷媒,通過空氣與發熱部件接觸進行熱量交換,從而實現散熱的冷卻方式。液冷是以液體作為冷媒的冷卻方式,利用液體將數據中心IT設備內部部件產生的熱量傳遞到設備外部,從而對IT設備進行降溫的一種冷卻方式。其中,冷板液冷是間接接觸型液冷,將冷板固定在散熱物體上,液體在冷板內流動傳遞設備的熱量,實現散熱。浸沒式液冷是直接接觸式液冷的一種,將服務器等有散熱要求的IT設備完全浸沒在冷卻液中,通過液體的循環或相變進行冷卻。

      藍海大腦液冷服務器系統突破傳統風冷散熱模式,采用風冷和液冷混合散熱模式——服務器內主要熱源 CPU 利用液冷冷板進行冷卻,其余熱源仍采用風冷方式進行冷卻。通過這種混合制冷方式,可大幅提升服務器散熱效率,同時,降低主要熱源 CPU 散熱所耗電能,并增強服務器可靠性。經檢測,采用液冷服務器配套基礎設施解決方案的數據中心年均 PUE 值可降低至 1.2 以下。

      浸入式液冷可將數據中心PUE降至1.2以下,優于風冷和冷板式液冷。與不同的冷卻方式相比,浸沒式液冷冷卻液和發熱設備充分接觸,散熱效率更高,可將數據中心的PUE降至1.2以下,運行更穩定。同時,由于沒有風扇,噪音更低,符合國家發改委對數據中心建設的政策指導目標,是未來數據中心基礎設施建設的發展方向。

      兩相浸沒式液冷的能耗低于單相浸沒式液冷。數據中心浸沒式液冷技術的能耗主要是由水泵和室外冷卻設備驅動液體循環產生的,根據冷卻液熱交換過程中是否發生相變,可分為單相浸入液冷卻和兩相浸入液冷。其中,兩相浸沒式液冷的循環是被動的,因此兩相浸沒式液冷的能耗普遍低于單相浸沒式液冷。由于浸沒式液冷的室外側通常是高溫水,其室外冷卻設備往往可以使用自然冷源,不受場地面積的限制,達到節能減排的目的。

      三、液冷技術商用條件逐漸成熟,國內外實踐案例不斷增多

      隨著液冷相關技術的日趨成熟,國內外許多公司開始為客戶提供針對不同散熱需求的液冷技術解決方案,部分科技公司也將基于液冷技術的冷卻系統應用于企業數據中心。

      阿里云作為中國領先的云服務提供商,是最早探索和實踐大規模液冷解決方案的科技公司之一。2020年1月,阿里云宣布面向全社會開放“浸沒液冷數據中心技術規范”, 2020年9月,仁和數據中心開服,采用服務器全浸沒液冷等多項節能技術進行規劃設計與建造,PUE低至1.09,相比傳統風冷數據中心每年可節電3000萬度,該數據中心成為我國首座綠色等級達到 5A 級的液冷數據中心;2021年12月,阿里云發布磐久系列液冷Immersion DC 1000一體機,整體能耗可降低34.6%。

      中科曙光面向人工智能、大數據等多種應用場景,推出硅立方液體相變冷卻計算機。硅立方液體相變冷卻計算機采用創新的浸沒液冷技術,PUE低至1.04,節能效果顯著。硅立方將包括服務器芯片和主板在內的所有計算部件浸沒于液態冷媒中,通過相變熱將組件產生的熱量傳出設備,實現高效散熱。同時,單個硅立方機柜的功率密度可達160kW,是傳統風冷數據中心的4-5倍,能效比提升30%。

      為更好地捕捉局強對流天氣,滿足3D播放所增加的27倍算力需求,馬來西亞氣象局數據中心配備了聯想冷板式液冷設備。在這個系統中,水被送入服務器的冷板,在組件周圍循環,然后從冷板吸收熱量并進入冷源進行冷卻。據測算,馬來西亞氣象局實施液冷系統后,散熱效果達到90%,大大有助于提高天氣預報的準確性。

      Facebook 在新加坡的潮濕天氣創建了 Facebook 新加坡亞洲數據中心。數據中心采用StatePoint Liquid Cooling液冷系統,利用水來降溫,最多可減少20%的用水量。Facebook 還計劃使用所有可持續能源為整個數據中心供電。
      在浸沒式液冷方案的供給端,國內外均有企業在積極布局。例如,總部位于美國的Green Revolution Cooling,主要為數據中心提供單相浸沒式液冷解決方案,為高性能計算、邊緣數據中心、區塊鏈等場景提供一站式完整的冷卻和電力基礎設施。

      四、液冷數據中心的優勢是什么?

      1、更高的能源利用率

      由于液體具有更高的導熱系數和比熱容,導熱更快,吸熱更有效,可以保證CPU在特定范圍內超頻時不會出現過熱故障,有效提高服務器的適用效率和穩定性。

      2、空間利用率更高

      液冷數據中心節省了空調系統及相關基礎設施的建設,無需安裝冷熱通道關閉設施,也不需要架空地板,節省了大量空間,使其成為更易于管理以單位空間的服務器,提高數據中心的運算效率。因此,液冷技術比傳統的冷卻方式具有更高的空間利用率。

      3、能夠實現節能降噪

      液冷技術省去了空調基礎設施,只增加了循環泵,節省了建設成本。因此,采用液冷技術可以為數據中心實現節能降噪。

      4、無視海拔高度和地域差異,余熱同時創造經濟價值

      由于液體的比熱容不受海拔高度和氣壓的影響,可以保持較高的散熱效率,從而保證運行高度數據中心的效率和性能。余熱可以以液體為載體,通過熱交換接入樓宇供暖系統和供水系統,滿足當地居民的采暖和供熱水需求,為數據中心創造附加價值。

      隨著芯片技術與工藝的進步,服務器計算能力增長快速,但總體功耗也隨之提升。預計到 2025 年,數據中心的 x86 CPU 芯片 TDP 提升至 350W 左右,ARM CPU 芯片的 TDP 提升至 600W 左右,而用于人工智能計算的 NPU/GPU 芯片會提升到 750W 左右。同時期對應的典型服務器 (2U 高度 2 路處理器 )功率也持續演進,x86 CPU 服務器會提升到 725W 左右,ARM CPU 服務器提升至 1000W 左右,用于人工智能計算的 NPU/GPU 服務器會提升到 1500W 左右?;谶@些預測,2025 年主流機柜功率預計會達到 12~15kW/柜,未來會繼續增加到 25kW-50kW/柜,甚至更高在此背景下,我們認為數據中心散熱“革命”勢在必行。

      五、市場空間:預計 2025 年我國液冷數據中心基礎設施市場規模達 245.3 億元

      數據中心是促進 5G、人工智能、云計算等新一代數字技術發展的數據中樞和算力載體,對于我國經濟增長與未來發展具有重要推動作用。隨著 5G 時代的到來、云計算等技術的發展,數據中心行業將迎來較大機遇。近年來,國內數據中心建設進入高峰期,新建數據中心數量快速增長,功率密度逐年上升。

      “雙碳”目標既定,液冷技術市場需求廣闊。在“碳達峰”、“碳中和”目標背景下,計劃到 2025 年,全國新建大型、超大型數據中心平均 PUE 降到 1.3 以下。預計 2025 年中國液冷數據中心基礎設施市場規??蛇_ 245.3 億元。近年來,隨著液冷數據中心技術設施商業化進程加快,以及市場需求高漲,液冷數據中心及基礎設施市場規模將保持持續增長。據賽迪顧問預測,中國液冷數據中心市場規模將由 2019 年的 260.9 億元增長至 2025 年的 1283.2 億元,中國液冷數據中心基礎設施市場規模將由 2019 年的 64.7 億元增長至 2025 年的 245.3 億元。

      六、發展趨勢:市場接受度不斷提高,預制化、智能化、低碳化為未來發展方向

      液冷數據中心基礎設施市場接受度不斷提高。伴隨著液冷數據中心及其基礎設施的逐步大規模商業應用,以及液冷技術的優勢不斷顯現和傳統觀念的改變,液冷數據中心的市場接受度將不斷提高,技術設施普及速度加快。
      液冷數據中心基礎設施技術和性能不斷優化。一方面,近幾年國家政策支持液冷先進數據中心技術發展,各項文件鼓勵企業開展新興數據中心預制化、液冷等設施層技術開發,另一方面,液冷基礎設施將不斷向預制化、智能化、低碳化方向發展。

      隨著“東數西算”政策的出臺,建設數據中心成為了當今社會的潮流。數據中心和液冷服務器之間存在著緊密的關系。液冷服務器是一種使用液體冷卻技術的服務器,它們通常被用于高性能計算和大數據處理等需要大量計算資源的任務。數據中心是用于存儲、處理和管理大量數據的設施,通常由許多服務器組成。

      液冷技術可以在減少服務器的能耗和延長硬件壽命方面發揮作用,使得數據中心更加高效和節能。在液冷系統中,通過將液體循環運輸到服務器的熱點部件上,可以有效地降低服務器的溫度。這有助于減少機器故障和降低能源成本。此外,液冷服務器的緊湊設計可以使得數據中心占用更少的空間,從而節省資金和資源。

      因此,液冷技術是數據中心優化的一個重要方向,也是未來數據中心技術發展的趨勢之一。液冷服務器的應用可以幫助企業和機構提高數據中心的效率,降低能源成本,從而更好地應對數據處理方面的挑戰。

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