數據中心的能耗焦慮，到底有沒有最優解？

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舉報 2022-06-28

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算力正在進入“基建化”的時代。

幾年前的時候，每當電商大促、春晚紅包等節點，宕機和救火幾乎是從不缺席的戲份。近兩年卻是另一番景象：即便是在618大促這樣的流量波峰，大多數電商平臺都頂住了高并發的壓力，背后離不開算力的迅猛增長。

正如中國信通院在一份研究報告中所揭示的：2016年到2020年期間，中國的算力規模平均每年增長42%，其中2020年的算力總規模已經達到135EFlops，并仍在保持55%的高速增長。

只是算力高速增長的同時，也帶來了新的問題。

01 計算與散熱的“零和博弈”

對于不少人來說，“計算”早已不是什么新概念。每一次打開“綠碼”、每一次視頻會議、每一次搜索點擊……都離不開數據中心的處理計算?！坝嬎恪痹谌粘Ｉ钪械臒o縫滲透，勾勒出了多彩的數字世界。

可當計算量越來越大，產生的功耗也隨之增大。以全球最為知名的預訓練大模型GPT-3為例，一次訓練要消耗巨量的算力，需要消耗約19萬度的電力，產生85萬噸的二氧化碳，將其形容為“耗電怪獸”絕不為過。

倘若這些電力用在了“計算”本身，或許不是什么壞消息。畢竟在數字經濟的時代，有一個著名的經濟學解釋，即算力上每投入一元，將帶動3-4元的經濟產出，“性價比”遠高于傳統的農牧業和工業生產。

現實的情況卻并不樂觀。根據開源證券研究所的統計結果，一個數據中心的能耗分布中，散熱系統的占比高達40%。也就是說，數據中心每耗費一度電，只有一半用在了“計算”上，其他的則浪費在了散熱、照明等方面。計算和散熱幾乎陷入了一場零和博弈，計算量越大散熱消耗的電量越大，如果不消耗足夠的能源提高散熱能力，將直接影響數據中心的性能、密度和可靠性。

行業內也由此流行起了PUE的概念，即電源使用效率，用來測算數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值，被視為評價數據中心能源效率的重要指標，PUE值越接近1，表明非IT設備的耗能越少，數據中心的能效水平越高。目前國內大型數據中心的平均PUE值為1.55，超大型數據中心平均PUE值也只有1.46。

2020年時國內數據中心的用電量已經超過2000億千瓦時，占到了用電總量的2.7%，預計2023年數據中心的能耗就將超過2500億千瓦時，2030年時將超過4000億千瓦時，用電量占比也將上升到3.7%。就這個角度而言，解決數據中心的能耗問題，已經是擺在案前的棘手挑戰。

工信部在《新型數據中心發展三年行動計劃（2021-2023年）》中，對數據中心的PUE進行了明確規定：2021年底新建大型及以上數據中心的PUE降低到1.35以下，到2023年時要低于1.3。北京、深圳等城市也對新建數據中心提出了嚴格要求，其中深圳已經發文鼓勵PUE值低于1.25的數據中心。

聯想到“碳達峰與碳中和”的時代背景，低PUE的“綠色計算”已經是不爭的趨勢。淘汰掉高耗能的組件，升級算力高、空間節省、碳排放低的新組件，已經是很多數據中心無法規避的現實問題。

02 被捧上神壇的“液冷”技術

在算力正在重塑產業格局的機遇面前，數據中心已然是無法拒絕的剛需，為數不多的選擇在于提高算力效率并降低能耗，而能否找到新的散熱方案，逐漸成為計算產業上下游必須應對的課題。

傳統的散熱方案以風冷為主，即將空氣作為冷媒，把服務器主板、CPU等散發出的熱量傳遞給散熱器模塊，再利用風扇或空調制冷等方式將熱量吹走，也是散熱系統消耗數據中心近半電力的主要誘因。

當PUE值被嚴格限定，綠色計算漸漸深入人心的時候，上世紀80年代就開始嘗試的“液冷”技術，迅速成了產業上下游的新焦點。其實“液冷”技術的原理并不復雜，簡單來說就是利用礦物油、氟化液等絕緣低沸點的冷卻液作為冷媒，通過熱交換將服務器的熱量排出，并演變出了冷板式、噴淋式、浸沒式等多種散熱方案。

看似只是“冷媒”的改變，卻為數據中心的節能降耗帶來了諸多可能：

比如風冷熱傳導存在過程復雜、熱阻總和大、換熱效率較低等痛點，在很大程度上制約了數據中心的算力密度，并且常常會產生很大的噪聲。液冷技術所呈現出的節能降耗、減少噪聲、節約空間的特性，不可謂不誘人。

一個直接的例子就是普渡大學的Bell集群，10個機架的戴爾PowerEdge C6525 服務器直接浸沒在冷卻液中，運行時產生的熱量直接被冷卻液吸收，PUE最低可以降到1.05左右，散熱所需的功耗比傳統方案降低了90%以上。

再比如風冷想要提高散熱能力，最“簡單粗暴”的做法就是提高風扇轉速，可把熱量帶出去的同時，風扇和硬盤間也會形成大的漩渦，不規則的湍流可能會影響硬盤的讀寫能力，甚至會因為磁頭震動導致硬盤報廢。

液冷技術近乎完美地規避了這些不利因素，由于液冷方案是一個相對靜止的環境，可以有效降低由空氣、灰塵和震動引起的硬件產品故障率，且數據中心始終在低溫環境中運行，極大地提升了內部電子元器件的使用壽命。

可以看到的是，液冷技術的出現和應用，在很大程度上讓計算和散熱跳出了“囚徒困境”，對風冷降維打擊的綜合優勢，也讓液冷技術被不少人捧上神壇。然而和很多新技術一樣，液冷方案同樣存在天然短板：冷卻液的價格堪比茅臺，無形中增加了散熱的硬性成本；液冷技術對數據中心的機房環境要求苛刻，重新改造的成本較高；液冷技術降低了PUE，運營成本卻難言優勢……

液冷是各種散熱方案中毋庸置疑的翹楚，卻也要考慮到現實的考量。

03 戴爾科技給出的最優解

就像國家發改委等部委在年初啟動的“東數西算”工程，目的是將東部的算力需求轉移到西部，堪比“南水北調”的工程量。除了國內東西部電力資源的不平衡，一個重要的因素就是對自然冷源的利用。

有機構曾經估算，即使是在現有的散熱方案下，即使按照工業平均電價每千瓦時0.5元來計算，數據中心所在地的氣溫每降低1℃，10萬臺服務器的標準數據中心機房每天可節約9.6萬元的電費。

這樣的舉措無疑向外界傳遞了一個清晰的信號：在液冷技術的價格居高不下的局面下，不可能在短時間內徹底取代風冷，現階段需要的仍然是多元化的散熱方案。挑戰其實留給了大大小小的IT廠商，到底是All in 理想化的液冷，還是根植市場的現實訴求，推出多樣性的解決方案？

在服務器市場牢牢占據一席之地的戴爾科技，已經給出了自己的答案。

外界普遍將風冷打入“冷宮”的時候，戴爾并未放棄風冷散熱的技術創新，一邊利用最佳的計算流體動力學CFD氣流模擬技術來優化系統設計，一邊推出了將數據中心的溫暖廢氣循環到主空氣調節的新風(Fresh Air)系統，結合最新的空氣輸送解決方案和先進的軟件控制算法，刷新了風冷能耗的“成績單”。

比如新一代戴爾PowerEdge系列產品R750，通過合理的散熱布局減少過多氣流，讓服務器的散熱能效比前代產品提高了60%，大大降低了工作流程中的能源消耗，同時避免了因過熱導致服務器宕機、業務中斷的尷尬。

哪怕是“傳統”的風冷散熱，戴爾的Fresh Air硬件冷卻解決方案也讓外界看到了新可能：在冬季為建筑設施提供“免費”的熱量，在溫暖月份直接將外部空氣吸入數據中心，通過減少運行冷水機時間等方式，進一步降低了服務器的運營管理成本，PUE值同樣有機會降低到1.05的水平。

而對于CPU功率超過150w的需求，戴爾科技針對不同的場景提供了冷板式和浸沒式兩種液冷技術：前者對應的例子有Triton液體冷卻系統，將冷卻液直接放入服務器sled冷卻CPU，不僅帶來了最高的冷卻效率，還降低了冷卻液的用量；PowerEdge C6520則是后者的典型代表，以閉環水流取代典型的金屬散熱器，使服務器能夠同時支持高功率處理器和更高的機架密度。

戴爾科技的答案并不復雜，相比于對某種技術的過度依賴，戴爾科技的策略是針對客戶需求提供不同散熱方案的產品，再通過統一能耗管理軟件OpenManage Power Center，提高了客戶對服務器功耗的可見性和控制性，繼而幫助客戶低成本、自動化、智能化地應對各種能耗事件，找到適合自己的最優解。

04 寫在最后

根據賽迪顧問的預測，2025年中國浸沒式液冷數據中心的市場規模將超過526億元，市場份額有望突破40%。

站在行業的立場上，液冷散熱的高速普及不失為一個好消息?？蓪σ延械臄祿行倪\營者來說，綠色計算是一件等不得的事，存量的數據中心也需要提高散熱能力，找到性能和散熱間的新平衡；對于一些追求“性價比”的客戶，降低PUE的渠道不應只有液冷散熱一種，而是適合自己的產品和方案。

沿循這樣的邏輯，提供多樣化解決方案的戴爾科技，及其深入市場需求的理性思考，不失為借鑒和學習的對象。

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