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数据中心PUE值最低降至1?风冷&液冷到底哪种形式更好?

2024-08-30

在数据中心行业,通常使用PUE来定义能源利用效率,并给出了计算公式PUE等于数据中心总能耗除以ICT设备能耗。ICT设备很好理解,包括网络设备、计算设备和存储设备等。然而,数据中心除了ICT设备,还包括其他各种设备,这些设备也会耗能。

据统计,数据中心能耗的60%来自ICT设备,30%来自空调制冷,8%来自配电系统,2%来自照明和其他设施。从建造数据中心的目的来看,ICT设备能耗以外的其他能耗基本都是无效耗能,越低越好。换算过来,也就是数据中心的PUE值越低越好。

工业和信息化部印发的新型数据中心发展三年行动计划2021-2023年,要求到2023年底,新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下,严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。一方面为了满足工信部发文要求,另一方面为了节能降耗,于是,广大数据中心业主纷纷各显神通,或直接抽取海水来冷却数据中心,或将数据中心建在年均气温2.6℃地区,或掏空大山来为数据中心安家等。

但是,并非所有的业主都有条件、资源和时间效仿以上操作。所以,根据数据中心能耗分布,采用一种能耗更低的散热方式,取代原有的“占据数据中心能耗30%”的空调散热,成为了广大业主们的新思路。

在PC行业,电脑主机的散热方式由多年前的风冷逐步演变到如今的240、360冷排。以此为借鉴,在寻找液冷数据中心新的散热方式时,业内人士也将目光从风冷逐步转向了液冷。如今,主流的液冷方式包括冷板式和浸没式两种。

冷板式液冷

冷板式液冷主要通过冷板将元器件的热量间接传递给封闭在循环管道中的冷却液体,然后利用冷却液体将热量带走,其通过工作流体的传递特点将中间热量运输到后端进行冷却。冷板式液冷的散热思路比较明确,将液冷散热资源重点投入到CPU、GPU等散热需求较高的器件上,其他器件依然采用风冷或者自然散热的方式。利用冷板式液冷,数据中心的PUE值基本可以降到1.2左右。冷板式液冷凭借其高效的热传递、精确控温、材料兼容性、降低能耗、减少噪音等优点,目前正在逐步取代风冷,成为液冷行业的主流。

不过,冷板式液冷也存在一定的不足。

首先,冷板式液冷存在漏液的不可靠性。在使用冷板式液冷时,服务器从CDU、Mainfold、冷水头再到内部均有大量的水管和快拆头,存在漏液风险和隐患。一旦漏液发生,对于ICT设备的破坏将会非常严重。尽管有漏液监测绳的存在,但依旧无法从根本上避免这种问题。

其次,冷板式液冷的设计、制造和维护成本较高。由于冷板式液冷是通过冷板将元器件的热量间接传递给封闭在循环管道中的冷却液体,这就意味着需要实现冷板与元器件的覆盖接触。元器件的复杂多样化,自然也就要求冷板的复杂多样化,致使许多冷板都要进行定制化设计和制造。与此同时,服务器后期在更换元器件时,冷板的更换、拆卸和安装也需要花费大量的时间、精力和资金。

浸没式液冷

浸没式液冷是一种通过将发热的服务器整体或部分地直接浸没在装有冷却液的TANK中,实现循环散热的一种液冷方式。根据冷却液在工作过程中是否存在相变,浸没式液冷又被分为单相浸没和双相浸没。简单来说,单相浸没,冷却液在工作过程中一直保持液态;双相浸没,冷却液在工作过程中会进行液-气态转换。单相浸没和双相浸没式液冷可分别使数据中心PUE值降到1.1和1左右。尽管双相浸没的散热效果更好,但由于技术还不太成熟,目前浸没式液冷市场仍以单相浸没为主。和冷板式液冷一样,浸没式液冷也存在一定不足。

首先,现有数据中心里的服务器基本都是一个个地插在机架上,而浸没式液冷需要将服务器浸泡在装有冷却液的TANK中。这就意味着,改用浸没式液冷,业主方要么重新建造一个数据中心,要么将原有的数据中心改建,两种方案的成本无疑都是巨大的。

其次,浸没式液冷对于冷却液的要求极高。目前,市场选择的冷却液主要包括氟化液和矿物油类冷却液。二者在散热效果、兼容性、成本、安全性等方面各具优势,但也存在着对应的不足。这些不足,均需经过大量的试验和较长的时间来进行验证,才能确认其能否被大面积商用。

在数据中心散热问题上,传统风冷被液冷取代只是时间的问题。然而,液冷技术的大面积商业落地确实还有待技术的成熟和市场的检验。

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