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液冷如何給“火熱”的數(shù)據(jù)中心降溫?

   2021-02-09 中國(guó)信通院CAICT9270
核心提示:一、序言如果列舉目前數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域有哪項(xiàng)技術(shù)是又冷又熱的,液體冷卻肯定榜上有名。所謂冷是指液冷的散熱效率高,對(duì)于計(jì)算功率密
一、序言

如果列舉目前數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域有哪項(xiàng)技術(shù)是又冷又熱的,液體冷卻肯定榜上有名。所謂冷是指液冷的散熱效率高,對(duì)于計(jì)算功率密度大的設(shè)施有良好的降溫作用;所謂熱則是指液冷的發(fā)展勢(shì)頭火熱,在業(yè)內(nèi)的認(rèn)可度和關(guān)注度越來越高。上世紀(jì)60年代開始,液冷已經(jīng)被用在大型計(jì)算機(jī)上,但因?yàn)闊嶝?fù)荷不高的情況下風(fēng)冷成本更低也更安全,液冷產(chǎn)業(yè)并未得到太大發(fā)展。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心需應(yīng)對(duì)的業(yè)務(wù)復(fù)雜度日益提高,功率密度快速增長(zhǎng),數(shù)據(jù)中心因此變得越來越“熱”,在綠色高效的發(fā)展壓力下,液冷技術(shù)強(qiáng)勢(shì)回歸。

二、需求分析

1. 5G

如今互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為第四次工業(yè)革命的核心推動(dòng)力,伴隨著此次工業(yè)革命的發(fā)展,人類生活的方方面面都在發(fā)生改變,尤其表現(xiàn)在數(shù)據(jù)流量需求持續(xù)猛增、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大幅提高。5G是全世界期待的解決網(wǎng)絡(luò)通信問題、打開萬物互聯(lián)大門的鑰匙,作為支撐5G的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,基站承擔(dān)著處理和傳輸海量數(shù)據(jù)的重任,此過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱,據(jù)統(tǒng)計(jì),基站本身占用了通信網(wǎng)絡(luò)傳輸總能耗的80%。隨著5G的深化和應(yīng)用場(chǎng)景的落地,這些基站散熱問題或可以依靠液體冷卻來解決。目前,諾基亞已在芬蘭的一棟大樓部署了全球首個(gè)液冷基站系統(tǒng),并將回收的基站廢熱用于樓內(nèi)供暖,有效降低了能源消耗。

2. 邊緣計(jì)算

數(shù)據(jù)中心建設(shè)有一條經(jīng)驗(yàn),一個(gè)10.5kW的服務(wù)器機(jī)架每分鐘需要1200CFM的冷卻空氣,這些空氣每分鐘流量足以填滿一個(gè)11平方米、樓高3米的機(jī)房空間,單是移動(dòng)這些空氣就需要大量的能量。液體冷卻系統(tǒng)可以比風(fēng)冷系統(tǒng)提供更高的冷卻性能,但卻不需像風(fēng)冷那樣耗費(fèi)過多空間,它對(duì)機(jī)房的體積要求要小得多。換言之,優(yōu)化設(shè)計(jì)的液體冷卻解決方案將使數(shù)據(jù)中心能夠在更小的空間內(nèi)提供更多的計(jì)算能力。邊緣數(shù)據(jù)中心為了靠近業(yè)務(wù)端通常設(shè)計(jì)得較小,并且為了適應(yīng)業(yè)務(wù)需求而需容納更多的高密度硬件設(shè)施,液冷可以滿足邊緣數(shù)據(jù)中心所期望的小空間和高性能特征,有能力成為未來邊緣數(shù)據(jù)中心的理想制冷解決方案。

3. 人工智能

從通用的CPU到GPU(圖形處理單元)、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)和ASIC(專用集成電路),新一代AI處理器的出現(xiàn)使得強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)分析程序能順利運(yùn)行,為現(xiàn)代AI提供了動(dòng)力支撐。然而,人工智能場(chǎng)景的計(jì)算量和迭代需求都非常高,服務(wù)器等設(shè)備通常會(huì)采用集群部署AI加速器的方式提升算力,因此,單臺(tái)服務(wù)器的功率越來越高,數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的冷卻能力越來越緊張。以谷歌為例,其專為人工智能業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的TPU pod計(jì)算機(jī),升級(jí)一代(從2.0到3.0)功耗增加了8倍,為此不得不在數(shù)據(jù)中心中使用液冷散熱。未來,隨著越來越多的企業(yè)和組織開始運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)提供AI解決方案即服務(wù),設(shè)備散熱的需求會(huì)更快驅(qū)動(dòng)液冷的實(shí)施和落地。

三、液冷技術(shù)分析

液冷技術(shù)是通過液體循環(huán)介質(zhì)將大部分熱量帶走,單臺(tái)服務(wù)器需求風(fēng)量降低,機(jī)房整體送風(fēng)需求也隨之降低,可以達(dá)到削減散熱系統(tǒng)消耗的效果,以此促進(jìn)數(shù)據(jù)中心的綠色化進(jìn)程。目前來看數(shù)據(jù)中心液冷主要有間接液冷和直接液冷兩種主流技術(shù)路線,間接液冷以冷板式為主,技術(shù)成熟度較高;直接液冷以浸沒式為主,散熱效率較高。直接液冷同時(shí)也涌現(xiàn)出噴淋式等新形態(tài),目前尚處于發(fā)展初期,公開展示的研究和實(shí)踐成果較少,具有一定發(fā)展?jié)摿Α?br />
1. 間接液冷——冷板式

冷板式液冷對(duì)發(fā)熱器件的改造和適配要求較低,技術(shù)成熟度較高,應(yīng)用進(jìn)展最快。冷板式液冷系統(tǒng)由換熱冷板、分液?jiǎn)卧?、熱交換單元、循環(huán)管路和冷卻液組成,它是通過換熱冷板(通常是銅、鋁等高導(dǎo)熱金屬構(gòu)成的封閉腔體)將發(fā)熱器件的熱量傳遞給封閉在循環(huán)管路中的冷卻液體進(jìn)行換熱的方式,按照管路的連接方式不同可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式。串聯(lián)方式中,冷卻液體先進(jìn)入一個(gè)冷板腔體散熱后再繼續(xù)流入下一個(gè)冷板腔體,管路連接簡(jiǎn)單但不同部分的CPU會(huì)存在溫差;并聯(lián)式方式中,冷卻液在進(jìn)入不同腔體前會(huì)先進(jìn)行分流,然后再分別進(jìn)入腔體內(nèi),散熱更高效但管路系統(tǒng)更復(fù)雜。由于冷板式液冷中發(fā)熱器件無需直接與液體接觸,所以對(duì)發(fā)熱器件本身的改造和適配要求較小,因此,冷板式液冷的成熟度相對(duì)較高。目前,百度、騰訊、美團(tuán)等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)均開始對(duì)冷板式液冷進(jìn)行技術(shù)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證,在冷板式液冷產(chǎn)業(yè)內(nèi)形成了強(qiáng)勁的帶動(dòng)作用。

2. 直接液冷——浸沒式

浸沒式散熱優(yōu)勢(shì)最明顯,能極大提升能源使用效率,較適合新建數(shù)據(jù)中心。浸沒式液冷是一種以液體作為傳熱介質(zhì),將發(fā)熱器件完全浸沒在液體中,發(fā)熱器件與液體直接接觸并進(jìn)行熱交換的冷卻技術(shù)。按照熱交換過程中冷卻液是否存在相態(tài)變化,可分為單相液冷和相變液冷兩類。區(qū)別在于作為傳熱介質(zhì)的液體在熱量傳遞過程中是只發(fā)生溫度變化,還是存在相態(tài)轉(zhuǎn)變。浸沒式液冷系統(tǒng)一般分為浸沒腔體子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、室外冷源系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)四部分。由于系統(tǒng)架構(gòu)特殊,冷卻液可以與發(fā)熱器件直接接觸,所以浸沒式的散熱效率較高,可支持更高功率密度的IT部署,能極大提升能源使用效率(PUE)。雖然制冷效果較好,但由于需要直接將冷卻液和發(fā)熱器件接觸,數(shù)據(jù)中心設(shè)備改造的動(dòng)作更大,因此浸沒式更適合新建數(shù)據(jù)中心。目前,阿里巴巴已經(jīng)在其北京冬奧云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行浸沒式液冷的規(guī)模化部署,開啟了浸沒式液冷的正式商用。

四、變化與影響


革新數(shù)據(jù)中心的整體架構(gòu)。從避免液體接觸機(jī)房設(shè)備到主動(dòng)引入液體和使用液體,液冷技術(shù)的使用讓數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)架構(gòu)發(fā)生了變化。從地板到天花板,從線路到管路,從機(jī)柜外部結(jié)構(gòu)到內(nèi)部部署,液冷將會(huì)帶來完全不一樣架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心。

革命性地改變數(shù)據(jù)中心散熱方式。以往數(shù)據(jù)中心散熱以風(fēng)冷為主,散熱消耗要占據(jù)大部分的能源消耗。液冷逐漸替代了風(fēng)冷散熱后,散熱效率顯著提升。應(yīng)用證明,大多數(shù)地區(qū)使用液冷技術(shù)后可獲得機(jī)房PUE<1.1的效果。

重構(gòu)IT設(shè)備及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和部署。以服務(wù)器為主的IT設(shè)備,包括CPU、GPU、存儲(chǔ)、網(wǎng)卡等關(guān)鍵部件,都會(huì)為了更好地散熱(例如,與風(fēng)冷相比部分CPU滿載工作時(shí)的核溫可降低20℃)開始直接或間接接觸液體,為了與液冷系統(tǒng)兼容,它們的設(shè)計(jì)和部署勢(shì)必會(huì)做出改變。

顛覆數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控和運(yùn)維模式。液冷技術(shù)進(jìn)入機(jī)房后,數(shù)據(jù)中心的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)會(huì)重點(diǎn)圍繞它進(jìn)行,如部署漏液監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)等。除此之外,數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)思路也會(huì)改變,液體、管路、接口等液冷配套設(shè)施均會(huì)給運(yùn)維帶來新要求。

完善能效評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法。目前評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的主要指標(biāo)是PUE,它是數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗的比值。現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心液冷部署還處于過渡階段,即同一數(shù)據(jù)中心可能同時(shí)使用風(fēng)冷和液冷系統(tǒng),為了充分了解兩部分系統(tǒng)的性能,需要分開度量能源效率,因此,PUE的度量指標(biāo)可以進(jìn)一步完善。

五、展望

在數(shù)據(jù)中心中,受限于機(jī)房設(shè)計(jì)和配套設(shè)施,當(dāng)單機(jī)架功率密度接近20kW時(shí),風(fēng)冷系統(tǒng)就已達(dá)到其經(jīng)濟(jì)有效的制冷極限。液體冷卻技術(shù)是一個(gè)開放、靈活的制冷解決方案,它支持技術(shù)計(jì)算、網(wǎng)格部署和數(shù)據(jù)分析等工作負(fù)載,可以有效應(yīng)對(duì)高性能計(jì)算(HPC)、大規(guī)模云數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算、人工智能等高功率密度場(chǎng)景,對(duì)于減少數(shù)據(jù)中心能源消耗、降低TCO有非常明顯的優(yōu)勢(shì),具有廣闊的市場(chǎng)前景。

然而,液冷的優(yōu)勢(shì)和潛力并未形成很強(qiáng)的商業(yè)帶動(dòng)效應(yīng),從世界互聯(lián)網(wǎng)巨頭們釋放出來的信號(hào)來看,它們對(duì)液冷系統(tǒng)和零配件產(chǎn)品的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化還有很大顧慮,不愿面對(duì)設(shè)備采購(gòu)和后期維護(hù)的麻煩。因此,在加強(qiáng)液冷技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新的同時(shí),還應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)化和適配性問題。

文章來源:中國(guó)信通院CAICT  
 
標(biāo)簽: 液冷 數(shù)據(jù)中心 5G
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