解讀液冷 | 算力“出圈”，PUE告急！液冷技術(shù)熱度攀升

正如生成式人工智能（AIGC）橫空出世引爆算力需求，算力需求驟增也給數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展帶來更多挑戰(zhàn)。算力需求有增無減，數(shù)據(jù)中心該如何接招？液冷技術(shù)打開了發(fā)展新思路。

需求驅(qū)動，高效節(jié)能成關(guān)注焦點(diǎn)

當(dāng)前，我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)正在轉(zhuǎn)向深化應(yīng)用、規(guī)范發(fā)展、普惠共享的新階段。伴隨著新型應(yīng)用日新月異，計算型節(jié)點(diǎn)、AI訓(xùn)練、超算等高算力業(yè)務(wù)需求持續(xù)推升芯片性能，服務(wù)器功率不斷提高，企業(yè)紛紛在AI、智算領(lǐng)域提前布局。與此同時，在“雙碳”目標(biāo)提出的宏觀形勢下，政府部門對數(shù)據(jù)中心PUE（電能利用效率）的監(jiān)管要求也不斷提高。此前工信部發(fā)布的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021—2023年）》指出，到2023年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.3以下。

而制冷系統(tǒng)在典型數(shù)據(jù)中心中能耗占比達(dá)24%，因此在保證算力正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，只有通過降低數(shù)據(jù)中心能耗，才能達(dá)成節(jié)能目標(biāo)下的PUE要求。在此背景下，能夠提供高密度、高集成、低碳綠色數(shù)據(jù)中心解決方案的液冷技術(shù)嶄露頭角。

液冷技術(shù)利用液體較高的比熱容和換熱能力支撐更高功率散熱，正在逐步成為新型制冷方式。目前，國家、地方及行業(yè)已推出多項相關(guān)政策引導(dǎo)液冷技術(shù)落地應(yīng)用。2021年5月國家發(fā)展改革委、工信部等部門聯(lián)合發(fā)布的《全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實(shí)施方案》提出，“推動數(shù)據(jù)中心采用液冷、機(jī)柜模塊化、余熱回收利用等節(jié)能技術(shù)模式”。2023年3月，工信部等三部門印發(fā)的《綠色數(shù)據(jù)中心政府采購需求標(biāo)準(zhǔn)（試行）》指出，“數(shù)據(jù)中心相關(guān)設(shè)備和服務(wù)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用新能源、液冷、分布式供電、模塊化機(jī)房等高效方案”。

與此同時，以液冷服務(wù)器、液冷存儲、液冷機(jī)電設(shè)備為主建立的液冷數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。2023年6月5日，IDC發(fā)布的《中國半年度液冷服務(wù)器市場（2022下半年）跟蹤》報告顯示，2022年中國液冷服務(wù)器市場規(guī)模達(dá)到10.1億美元，同比增長189.9%。根據(jù)賽迪顧問統(tǒng)計，2022年中國液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模達(dá)到68.4億元，未來三年將以超過25％的年均復(fù)合增長率快速增長。不僅如此，在算力需求和政策引導(dǎo)的共同作用下，模塊化液冷產(chǎn)品、余熱回收技術(shù)等將推動中國液冷數(shù)據(jù)中心市場持續(xù)快速發(fā)展。

技術(shù)路線基本成型，冷板式液冷仍居主流

液冷技術(shù)主要包括冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷三種。三種液冷技術(shù)方案對比如表1所示。

表1 冷板式、浸沒式、噴淋式液冷技術(shù)方案對比

冷板式液冷是服務(wù)器芯片等高發(fā)熱元件的熱量通過冷板間接傳遞給液體進(jìn)行散熱，低發(fā)熱元件仍通過風(fēng)冷散熱的一種方式。

浸沒式液冷是服務(wù)器完全浸入冷卻液中，全部發(fā)熱元件熱量直接傳遞給冷卻液，通過冷卻液循環(huán)流動或蒸發(fā)冷凝相變進(jìn)行散熱的一種方式。其中，冷卻液循環(huán)流動的方式為單相浸沒式液冷，冷卻液蒸發(fā)冷凝相變的方式為相變浸沒式液冷，相變浸沒式液冷控制更復(fù)雜、要求更高。

噴淋式液冷是用冷卻液直接噴淋芯片等發(fā)熱單元，通過對流換熱進(jìn)行散熱的一種方式。

就技術(shù)發(fā)展來看，在上述三種液冷技術(shù)中，冷板式液冷技術(shù)發(fā)展較早，目前冷板式液冷數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品在市場上占比較高。而浸沒式液冷是直接接觸的制冷方式，相較于冷板式液冷，可以更大程度上利用液體的比熱容特點(diǎn)，制冷效率更高，可有效降低數(shù)據(jù)中心PUE。

當(dāng)前，市場需求以冷板式液冷、單相浸沒式液冷為主。未來冷板式液冷仍是行業(yè)主流方案，浸沒式液冷憑借更優(yōu)的制冷效率，在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中的比例將逐步提升。伴隨著技術(shù)的演進(jìn)發(fā)展，液冷還可能演進(jìn)出更多新的發(fā)展方向。中信證券認(rèn)為，液冷未來的發(fā)展方向?qū)⑹嵌说蕉说臄?shù)字化智能調(diào)節(jié)液冷系統(tǒng)。

產(chǎn)業(yè)加速布局，液冷設(shè)備市場競爭激烈

前瞻布局液冷“新賽道”，產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商已經(jīng)紛紛入局。由于液冷數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈條長、細(xì)分領(lǐng)域?qū)?，參與玩家較多。不僅如此，各細(xì)分領(lǐng)域的參與企業(yè)都在依據(jù)自身的核心優(yōu)勢逐步向相關(guān)領(lǐng)域滲透，構(gòu)建自身的生態(tài)圈。

從產(chǎn)業(yè)生態(tài)來看，液冷技術(shù)產(chǎn)業(yè)可以劃分為上中下游，其中包括產(chǎn)業(yè)上游的液冷基礎(chǔ)設(shè)施提供商、產(chǎn)業(yè)中游的解決方案提供商以及產(chǎn)業(yè)下游的算力服務(wù)使用者。液冷產(chǎn)業(yè)圖譜如圖1所示。

圖1 液冷產(chǎn)業(yè)圖譜

伴隨“雙碳”目標(biāo)和“東數(shù)西算”工程推進(jìn)，綠色數(shù)據(jù)中心能效建設(shè)要求越來越高，產(chǎn)業(yè)鏈中游的服務(wù)器提供者仍舊是帶動液冷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主力。2015—2018年，中科曙光、華為、浪潮信息、聯(lián)想、阿里巴巴等一眾國產(chǎn)廠商先后實(shí)現(xiàn)了液冷服務(wù)器大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用項目的落地，相應(yīng)產(chǎn)業(yè)體系逐漸建立。就整體產(chǎn)業(yè)鏈來看，無論是上游的基礎(chǔ)設(shè)備和設(shè)施提供商還是下游的應(yīng)用服務(wù)使用者，各個環(huán)節(jié)的競爭主體均呈現(xiàn)豐富化、多元化，并且液冷的涉及領(lǐng)域也在擴(kuò)大。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、金融、能源等行業(yè)業(yè)務(wù)量的快速增長，其對液冷數(shù)據(jù)中心的需求量將會持續(xù)加大?？浦亲稍冾A(yù)計2025年互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)液冷數(shù)據(jù)中心占比將達(dá)到27.9%，金融行業(yè)將達(dá)到15.5%，電信行業(yè)將達(dá)到19.4%。除此之外，液冷技術(shù)還將逐漸應(yīng)用于5G基站、個人或企業(yè)PC等非數(shù)據(jù)中心場景中，以降低能耗。

運(yùn)營商持續(xù)加碼，錨定液冷技術(shù)“主力軍”

面對算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化的趨勢，在算力基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域早已布局的運(yùn)營商也逐漸加快液冷技術(shù)的推廣和應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心是液冷技術(shù)的最大需求方，而運(yùn)營商又占據(jù)全國數(shù)據(jù)中心最大的市場份額，其對于液冷技術(shù)的推廣與應(yīng)用將直接影響到液冷行業(yè)的發(fā)展。

近日，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通與液冷產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)聯(lián)合發(fā)布的《電信運(yùn)營商液冷技術(shù)白皮書》指出，未來新建的IDC均將全面推進(jìn)液冷技術(shù)，目標(biāo)是2024年開展規(guī)模測試，新建項目10%試點(diǎn)應(yīng)用液冷技術(shù)，2025年開展規(guī)模應(yīng)用，50%以上數(shù)據(jù)中心項目將采用液冷技術(shù)。這標(biāo)志著液冷技術(shù)將成為未來運(yùn)營商數(shù)據(jù)中心節(jié)能的主流技術(shù)。

目前三大運(yùn)營商在液冷技術(shù)應(yīng)用方面均已落地實(shí)踐。

中國電信深入開展數(shù)據(jù)中心綠色低碳化建設(shè)，大力推進(jìn)“要素升級、集成創(chuàng)新”，突出創(chuàng)新發(fā)展、低碳發(fā)展，積極開展液冷技術(shù)研究和試點(diǎn)試用。在數(shù)據(jù)中心液冷應(yīng)用方面，中國電信在高密度機(jī)房開展試點(diǎn)應(yīng)用，2018年3月，在中國電信廣州數(shù)據(jù)中心開展冷板式液冷微模塊試點(diǎn)工作，實(shí)測液冷微模塊PUE值約為1.2，風(fēng)冷微模塊PUE值約為1.4，冷板式液冷節(jié)能效果明顯。按照計劃，中國電信于2023年將逐步在京津冀數(shù)據(jù)中心增設(shè)30個液冷服務(wù)器機(jī)柜。

中國移動針對冷板式液冷與浸沒式液冷主動布局，按步驟、分階段，積極在數(shù)據(jù)中心與5G基站等場所開展了液冷系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用，對液冷技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性、節(jié)能性等進(jìn)行測試驗證。在前期探索階段，2012年中國移動在南方基地開展“數(shù)據(jù)中心雙通道散熱關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”研究；在先行試點(diǎn)階段，2017年中國移動在呼和浩特組織熱管水冷、兩級熱管和水冷冷板等三種冷板式液冷測試；在規(guī)模試點(diǎn)階段，2023年中國移動在呼和浩特數(shù)據(jù)中心國家發(fā)展改革委綠色節(jié)能示范項目以及智算中心項目中啟動液冷規(guī)模試點(diǎn)。

中國聯(lián)通根據(jù)發(fā)展需求和IT設(shè)備單機(jī)功耗變化特點(diǎn)，積極響應(yīng)國家綠色節(jié)能、低碳政策要求，主動開展液冷基礎(chǔ)理論技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)備、實(shí)際使用方面的研究交流，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行液冷技術(shù)探索與應(yīng)用。在數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)應(yīng)用方面，中國聯(lián)通在德清云數(shù)據(jù)基地高功率機(jī)房，布局安裝機(jī)柜32架，采用冷板式液冷，進(jìn)出水溫度為15℃/32℃，于2021年6月投產(chǎn)，目前已穩(wěn)定運(yùn)行近兩年，制冷效果良好。

加強(qiáng)液冷技術(shù)布局，從側(cè)面反映出運(yùn)營商正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)角色的轉(zhuǎn)變。從傳統(tǒng)意義上的單純用戶，轉(zhuǎn)變成為液冷生態(tài)的主導(dǎo)者、設(shè)計者、構(gòu)筑者。三大運(yùn)營商目前已經(jīng)找準(zhǔn)未來發(fā)展路線，2023年將開展技術(shù)驗證，充分驗證液冷技術(shù)性能，降低PUE，儲備規(guī)劃、建設(shè)與維護(hù)等技術(shù)能力；2024年開展規(guī)模測試，推進(jìn)液冷機(jī)柜與服務(wù)器解耦，促進(jìn)競爭，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)成熟，降低全生命周期成本；2025年，開展規(guī)模應(yīng)用，推動形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、生態(tài)完善、成本最優(yōu)、規(guī)模應(yīng)用的高質(zhì)量發(fā)展格局。

總而言之，伴隨數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸邁入新階段，液冷技術(shù)也因此迎來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新“風(fēng)口”，但與此同時也面臨新挑戰(zhàn)，如行業(yè)生態(tài)尚未完善、液冷成本相對較高、產(chǎn)品規(guī)范化程度較低等。產(chǎn)業(yè)各方應(yīng)凝聚共識、加強(qiáng)協(xié)作，堅持綠色低碳發(fā)展理念，在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、生態(tài)等方面攻堅克難，支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)不斷做強(qiáng)做優(yōu)做大。

*本文刊載于《通信世界》總第924期 2023年7月25日 第14期

原文標(biāo)題：《算力“出圈”，PUE告急?液冷技術(shù)熱度攀升》

作者：包建羽 程琳琳

責(zé)編/版式：王鶴迦

審核：舒文瓊

監(jiān)制：劉啟誠