一文弄懂液冷数据中心

    液冷数据中心正成为新焦点。近年来，杭州、山东青岛等地均探索液冷数据中心建设，阿里巴巴、华为、浪潮、中科曙光等头部IT企业也开始布局液冷技术，号称液冷数据中心每年至少可以节省30%电量。同时，市场权威分析机构预计，到2026年，液冷数据中心市场的初始估值从2018年的14.3亿美元增至1205亿美元，年化复合增长率达30.45%。那么，什么是液冷数据中心?目前液冷数据中心的发展情况如何?未来有哪些发展趋势?

　　采访者：《人民邮电》报记者 王欣
　　受访者：

      赛迪顾问电子信息产业研究中心总经理 杨梽永

　　阿里云基础设施服务器研发架构师 钟杨帆
　　随着互联网、云计算技术的快速发展，刷脸乘车、云办公、云直播成为日常生活的重要部分，万物皆可“云”的时代，数据中心正成为重要的基础设施。
　　显然，数据中心作为新基建的重要代表之一，已经成为全国各地发力的焦点。近年来，在贵州成功转型成为“大数据之都”后，河北、山东、四川等地均开始进行大数据中心建设，助力社会数字化转型升级。而在数据中心规模建设的背后，液冷数据中心一度成为业内的“网红”，为服务器“淋浴”“泡澡”，“洗澡水”可以为附近居民供暖、提供热水……如此神奇的黑科技究竟是什么?
　　为探究液冷数据中心的发展情况，《人民邮电》报记者采访了赛迪顾问电子信息产业研究中心总经理杨梽永和阿里云基础设施服务器研发架构师钟杨帆。　

“淋浴”“泡澡”助力数据中心节能

Q1：
液冷数据中心是什么?
　　杨梽永：液冷数据中心是指应用液冷技术和液冷服务器等设备的数据中心，与传统风冷服务器相比，液冷服务器的热量导出方式不同。液冷是指使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热，带走热量的技术。而液冷服务器是指将液体注入服务器，通过冷热交换带走服务器热量的一种服务器。一般来说，行业将液冷分为直接冷却和间接冷却。目前直接冷却以浸没式液冷技术为主，同时可分为相变和非相变两种，间接冷却以冷板式液冷技术为主。
　　钟杨帆：浸没式液冷技术是一种以液体作为传热介质，发热器件浸没于液体中，通过直接接触进行热交换的冷却技术。通俗理解，液冷是通过液体代替空气，把CPU、内存等IT发热器件产生的热量带走，就好似给服务器局部冷却、整体“淋浴”甚至全部“泡澡”。目前，液冷技术可谓百花齐放，常见的有冷板式液冷、浸没式液冷、风液混合。
Q2：
液冷数据中心有哪些优势?
　　杨梽永：液冷数据中心有五点优势。第一，液冷技术的高效制冷可有效提升服务器的使用效率和稳定性。液体传导热能效果更好，是空气的25倍，温度传递效果更快、更优，能够实现IT设备高效制冷。同时，由于液体的比热容大，在吸收大量热量后自身温度不会产生明显的变化，故而能够稳定CPU温度。即使服务器遇到突发操作，运行功率激增也不会引起CPU内部温度大幅升高，保障CPU在一定范围内进行超频工作不会出现过热故障。
　　第二，应用液冷技术有助于实现数据中心节能、降噪。首先，液冷数据中心与传统风冷数据中心相比，去掉了空调系统以及对应的风冷基础设施，增加了循环泵，能够节约建设成本。其次，与风冷系统相比，液冷数据中心能节省约30%的能源，有效降低能源消耗比，可以将PUE(数据中心能源效率的指标)降到1.05，满足绿色数据中心的要求。最后，在相同散热条件下，液冷系统所使用的泵和冷却液系统与传统的空调系统相比噪声更小，可达到“静音机房”的效果。
　　第三，应用液冷技术有助于提高数据中心单位空间的服务器密度，大幅提升数据中心的运算效率。液冷数据中心虽然增加了泵和冷却液系统，但是省却了空调系统和相应基础设施的建设，节省了大量空间，可以容纳更多的服务器。同时，液冷技术冷却能力优良，足以应对高功率密度数据中心的冷却工作，因此液冷数据中心可以配置高密度的服务器，从而得到更高的运算效率。
　　第四，液体冷却服务器能够无视海拔和地域等环境影响。数据中心是一个电子设备密集型的场所，影响数据中心正常运行的因素有很多，其中海拔高度是很少被提及，但对数据中心影响很大的因素。海拔越高的地区，大气压或空气密度越低，导致空气介质冷却效应降低，空气散热能力下降。对于风冷数据中心，由于散热能力下降，温升增高，因此，为了保证数据中心的散热效率，空调系统的温度需要调低，而将造成更多能量的损耗。相比空气而言，液体比热容不受海拔与气压的影响，因此高海拔地区液冷数据中心的散热效率与低海拔地区相比无差距，仍可以保持较高的散热效率，保证数据中心在高海拔地区的运行效率和性能。
　　第五，液冷数据中心余热可以创造经济价值。数据中心IT设备24小时不间断运行并散发巨大的热能。若这些热量直接排放到大气中，对环境而言是一种能源浪费。液冷数据中心热量是以液体为载体，可以直接通过热交换接入楼宇采暖系统和供水系统，满足附近居民的供暖、温水供应等需求。不仅节省了能源，也为数据中心创造了附加价值。
　　钟杨帆：浸没式液冷数据中心把计算、存储及网络设备基于液冷环境进行完全重构，将IT设备浸没在绝缘无腐蚀性的冷却液中，热量被冷却液吸收后直接通过冷却系统高效地传导到外界，打破风冷散热瓶颈且实现PUE逼近1.0，同时密封的箱体保障IT设备不受潮湿、有害气体、振动影响，提升设备可靠性达50%以上。自2015年起，阿里巴巴针对不同的液冷技术和方案展开研究、探索与实践，最终实现了浸没式液冷的技术创新和规模部署。相比其他液冷技术，浸没式液冷具有高能效、高密度、高可靠、高可用等特点，更加适合云计算数据中心的高可靠应用场景。

国内普及加快应用案例丰富

Q3：
国内液冷数据中心发展情况如何？
　　杨梽永：中国液冷数据中心普及速度加快。近年来，绿色逐渐成为数据中心建设的主题，液冷数据中心迎来发展风口。
　　目前，国内有很多液冷数据中心典型应用。诸如，中科曙光硅立方液体相变冷却计算机突破了传统的冷却方式，采用浸没式相变液冷，将包括服务器芯片、主板在内的所有计算部件浸没于液态冷媒中，实现了高效散热，同时硅立方一个机柜功率密度可达到160kW，是传统风冷数据中心的4~5倍，能效比提升了30%，PUE低至1.04，截至2020年12月，硅立方液体相变冷却计算机已在北京、南京、山西、甘肃、合肥等地建设应用，促进了区域的科技研发、产业集聚、转型升级与创新发展。
　　位于余杭钱江经济开发区的阿里巴巴浙江云计算仁和数据中心，作为全国首座绿色等级达5A的液冷数据中心，采用了服务器全浸没液冷等多项节能技术进行规划设计与建造，PUE低至1.09，也印证了仁和液冷数据中心领先的能效及绿色节能水平。阿里巴巴浙江云计算仁和数据中心的落成，不仅为杭州市经济发展提供强大的动力，也将为液冷技术的发展和应用积累宝贵经验。
　　马来西亚气象局数据中心为更好地捕捉局部强对流天气，三维播报共增加了27倍算力需求。在传统的风冷不能满足需求的情况下，该数据中心配置了联想的冷板式液冷设备，水被送入服务器冷板，在组件周围循环，然后吸收热量离开冷板，进入冷源实现冷却。据测算，马来西亚气象局应用液冷系统后，散热效果高达90%，有力地支持了气象预测精度的提升。
　　钟杨帆：从国家战略上看，新基建加速落地，数字经济蓬勃发展，数据中心作为重要的信息通信基础设施，必将迎来新的发展机遇。从技术和产业上看，浸没式液冷已经成功从实验室到小规模部署到目前的大规模部署，技术先进性得到了充分验证，产业链也已经相对完善。
　　杨梽永：以中科曙光、浪潮、阿里、华为等为代表的我国的主流企业在液冷数据中心领域走在全球前列，在应用案例方面，国内企业的领先优势尤为明显。
　　钟杨帆：当前，中国液冷技术发展迅速，经历了实验室阶段和样机阶段，中国液冷发展与国外基本同步，且在液冷技术的规模应用上积累了更为先进的经验。

行业标准、产业链尚需完善

Q4：
我国液冷数据中心在技术发展、推广等层面有哪些挑战?
　　杨梽永：在技术发展方面，目前液冷数据中心发展的最大争议就是其可靠性，诸如电子器件长时间浸没在浸没液里是否会出现腐蚀情况，是否会影响器件功能和使用寿命，液冷管道的安全性如何保证等。从目前液冷领域的技术进展和应用普及情况来看，数据中心电子器件的材料与冷却液兼容性会更优良，功能性会大大增强，使用寿命也会延长。
　　在推广方面，行业标准的缺失极大地限制了液冷数据中心的发展。尽管近年来部分企业和协会推出了一些液冷细分领域标准，但是液冷产品的质量和规格仍然参差不齐，液冷厂商处于各自为战的状态。因此，需要制定科学且完备的液冷行业标准，对发热设备和器件、冷却液体、液冷设备及运维等各个方面进行统一的要求，以此提高行业共识度，促进厂商之间的技术交流和对话，规范液冷市场健康发展。

　　客户认可度需提升，行业需提供更可靠的案例和节能数据。一方面，液冷数据中心的投资较高，应用多集中于高密计算场景，在现有通用计算场景下，市场替代空间还未实现规模化替代。另一方面，下游客户还未形成大规模应用液冷数据中心的习惯，客户不大愿意把自己的服务器等核心设备放到液冷环境中，一是对液冷技术的可靠性难以把握，二是对液冷技术能带来的能耗成本节约存在质疑。
　　钟杨帆：当前，整个液冷行业的发展水平属于起步萌芽阶段，新技术规模不大的时候不太容易发现问题和挑战，但是规模大了以后就会发现一些问题，目前浸没式液冷数据中心建设最大的挑战在于整个产业链和生态圈不成熟。在具体的使用上，阿里巴巴经过长期的摸索总结了一些规范，通过开源的方式让大家都参与到这个生态圈来，让所有用户都可以快速搭建浸没式液冷数据中心的系统。

“风冷+液冷”融合赋能千行百业

Q5：
液冷数据中心未来发展趋势是什么?
　　杨梽永：首先，风液融合成为新趋势，未来数据中心温控市场将出现“风冷﹢液冷”融合发展的新格局。风冷技术不会被液冷技术完全取代，客户会根据不同需求，选择不同的数据中心制冷方案。对于部署了较低单机柜功率的数据中心，客户依然会选择风冷的制冷方式。而针对超算、能源勘测等高密度大规模计算需求，综合考虑成本因素，灵活地选择冷板和浸没的混合液冷，部分功耗大的部件和设备改用液冷的解决方案也将成为热门。总而言之，液冷技术将与风冷技术配合，助力行业发展。
　　其次，中国液冷数据中心向高效率演变。液冷数据中心并不是一套简单的设备，而是全备的产业生态。随着一系列液冷设备及其配套产品的迭代发展，液冷生态系统将逐步完善。不仅如此，作为液冷生态系统运行的主要保障，监控与运维设备也在不断发展。AI技术的融入将加快智能运维取代人力运维的进程，从而实现对复杂的液冷生态系统进行全面监控，对故障进行准确的把控，提高数据中心的运行和运维效率。
　　钟杨帆：未来数据中心市场将出现“风冷﹢液冷”协同发展的格局。风冷技术不会被液冷完全取代，而是针对客户的不同需求，选择不同的数据中心方案。未来三到五年会具备风冷与液冷互换的技术条件，在部署风冷的区域，都可以部署液冷，就可以实现把液冷变成默认配置的过程。
　　杨梽永：保守来看，2025年中国冷板式液冷数据中心市场规模将达到757.1亿元，浸没式为526.1亿元;乐观来看，2025年中国冷板式液冷数据中心市场规模将达到784.9亿元，浸没式为545.4亿元;浸没式液冷数据中心凭借其优良的制冷效果，市场份额将实现较快增长。