近些年計算力需求的增長直接推動了社會的進步。隨著新基建時代的到來,5G網(wǎng)絡(luò),人工智能以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將會獲得飛速發(fā)展。舉例來說,2016年,全球最大的數(shù)據(jù)中心大約是58萬平方米,但是到了2019年,已經(jīng)達到了99萬平方米,相當于140個足球場。在三年的時間里,最大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的面積增長了75%。這就充分說明社會經(jīng)濟進步對于計算力的巨大需求。在這樣的背景下,提供超強算力的大型數(shù)據(jù)中心,以及服務(wù)近場數(shù)據(jù)處理的邊緣數(shù)據(jù)中心勢必會加快建造和部署。

　　
　　據(jù)科智咨詢(中國IDC圈)最新發(fā)布的《2019-2020中國IDC產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告》預(yù)計,2019～2022年中國IDC業(yè)務(wù)市場規(guī)模復(fù)合增長率為26.9%。圖1為2019～2022年中國IDC業(yè)務(wù)市場規(guī)模及預(yù)測。
　　
一、傳統(tǒng)制冷方式總結(jié)

 （1）緊耦合或熱源冷卻

      緊耦合冷卻方式通過貼近熱源來實現(xiàn)更有效的運作。這不算什么新東西——問問老的大型機操作員或任何筆記本電腦設(shè)計人員就知道了。雖然緊耦合冷卻在數(shù)據(jù)中心里面還是“主流”，但是更新的方法在滿足能源效率的需求方面往往做得更好，并獲取更多關(guān)注。它的工作方式很簡單：消耗能源來將大量的空氣吹入地板下的空間或者導(dǎo)風管，然后又將這些空氣拉回至空調(diào)。

      更有前途的技術(shù)包括浸入式冷卻：將服務(wù)器整個浸泡在礦物油里，以便使用最少的能耗獲得極高的冷卻效率。但是技術(shù)人員需要對內(nèi)外布滿了石油的服務(wù)器進行處理時，心里會怎么想？顯然這種冷卻方式并不是適合所有場景。部分也是因為水冷方式重新受到關(guān)注。如果將巨大的機房空調(diào)系統(tǒng)取消，改用貼近設(shè)備的新型冷卻方式的話，相信數(shù)據(jù)中心行業(yè)會運行得比現(xiàn)在更好。教育背景和希望與眾不同的個人意愿或許會促生新案例，但成本和電源可用性的矛盾將決定最終結(jié)果。

（2）更高的運行溫度

      美國供暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）在2008年就第一次發(fā)表了關(guān)于較高溫度數(shù)據(jù)中心的建議，但并未引起注意。服務(wù)器不需要冷藏。即使入口空氣溫度達到華氏75到80°F（攝氏25至27°C），這些設(shè)備仍然能維持良好運作。服務(wù)器制造商實際上已經(jīng)擴展了產(chǎn)品的運行溫度范圍，而且舊設(shè)備其實也和新設(shè)備一樣能夠在擴展的溫度區(qū)間內(nèi)運行。提高運行溫度可以大幅度節(jié)省能源消耗，但人們首先需要認可這種處理方式，然后同意讓熱通道變得更熱——想像一下100°F （38°C）的溫度怎樣？這會刺激后門冷卻器的應(yīng)用和普及。

 （3）免費冷卻

      更高的運行溫度通常也會讓免費冷卻系統(tǒng)一起受益。在ASHRAE 90.1-2010指導(dǎo)文件中，免費冷卻幾乎是一項節(jié)約能源的強制要求，必將被普遍運用。節(jié)能改造的資本投入會部分地抵消運營成本節(jié)約的好處。但在改造或升級的同時實現(xiàn)免費冷卻也是技術(shù)和投資上的挑戰(zhàn)。預(yù)計未來兩年內(nèi)將出現(xiàn)新的標準，使免費冷卻更具可行性。靠近水源的免費冷卻將可能會更具優(yōu)勢，但我們將會看到更多類似日本Kyoto Wheel的空氣冷卻案例。最終，數(shù)據(jù)中心運營商將能夠在超出以前預(yù)計的更多氣候條件下采用免費冷卻措施，這部分是因為更高運行溫度的貢獻。

 （4）蒸發(fā)或絕熱冷卻

      雖然使用蒸發(fā)方式制冷的科學(xué)原理簡單，并正在逐漸流行，但它對于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心操作人員而言仍然顯得新奇。絕熱冷卻通過降低封閉環(huán)境中的某種物質(zhì)運行的壓力來實現(xiàn)冷卻，讓這些物質(zhì)沸騰如同巖漿涌上火山表面，同時用風帶走山峰上的高溫。絕熱冷卻在溫暖、干燥的氣候中仍然有效，這大大拓寬了一年中能夠“免費冷卻”的有效期。其主要的缺點是用水量有些多，但在同等冷卻量的情況下，它所需的冷卻水仍然比標準冷卻塔要少很多。

 （5）密封冷卻

      密封措施也無法解決由于錯誤的冷卻規(guī)劃、空氣流動不充分或冷卻能力引起的過熱問題。最新的國家防火協(xié)會商業(yè)標準（NFPA-75）可能會使密封冷卻的方案更難實現(xiàn)。對噴淋和（或）氣體滅火系統(tǒng)的改造將大大增加成本。除了要盡力避免錯誤的實施外，日常優(yōu)化也很重要：在未使用的機架空間一定要安裝盲板，架空地板上的孔洞要及時封堵，地板下面影響通風的線纜也要做好清理。

 （6）煙囪式機柜和天花板風道

      使用天花板上方的空間形成的風道將空氣傳輸給機房空調(diào)系統(tǒng)，確?；仫L以最高的溫度返回空調(diào)冷卻盤管，可以顯著增加精密空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能力。結(jié)合了吊頂風道和熱通道措施的最終設(shè)備形式就是煙囪式機柜，可以獲得最大的冷卻效率。來自服務(wù)器群的高溫廢氣從機柜后部的煙囪排出，然后直接通過吊頂天花板上方的風道回到空調(diào)設(shè)備中。整個過程中熱空氣和冷空氣保持分離，所以可以保持很高的能效比。

      雖然效果明顯，但是煙囪式機柜并沒有獲得大力推廣或被廣泛接受。這可能是因為全密封式的設(shè)計靈活性更好，可以使用更多的機柜實現(xiàn)相同的效果。然而，煙囪式機柜可以讓整個房間維持冷通道溫度，讓工作環(huán)境變得更加舒適。　　

　　首先,和傳統(tǒng)的風冷技術(shù)相比,液體導(dǎo)熱能力是空氣的25倍,同體積液體帶走熱量是同體積空氣的近3000倍;其次,同等散熱水平時,液冷噪音水平比風冷噪音降低20～35分貝;另外,在耗電量方面,液冷系統(tǒng)約比風冷系統(tǒng)節(jié)省電量30%～50%;最后,液冷還可以降低數(shù)據(jù)中心的故障率。傳統(tǒng)的風冷系統(tǒng)會帶來空氣的流動而產(chǎn)生振動,振動會直接影響IT系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。但液冷則完全不必擔心這個問題。由此不難發(fā)現(xiàn),液冷在未來取代風冷和水冷空調(diào)在技術(shù)上完全沒有障礙。一旦數(shù)據(jù)中心的制冷方式從風冷轉(zhuǎn)為液冷,那么隨之發(fā)生改變的還有服務(wù)器的設(shè)計,以及整個數(shù)據(jù)中心的設(shè)計。如果液冷技術(shù)進一步完善,生態(tài)系統(tǒng)進一步成熟,那么將引發(fā)一連串的“革命”。
　　
 二、新基建時代浸沒式液冷將成主流
　　
　　事實上,出于多種因素的考慮,在數(shù)據(jù)中心液冷領(lǐng)域也演化出了諸多“門派”。其中最典型的分別是浸沒式、冷板式以及噴淋式。不過無論是從當前需求還是從未來數(shù)據(jù)中心的技術(shù)演進來看,浸沒式液冷相比于其他兩種方式更被行業(yè)看好。
　　
　　浸沒式液冷是數(shù)據(jù)中心的躍遷式技術(shù)創(chuàng)新,具有高能效、高密度、高可用和高可靠等特性。浸沒式液冷突破技術(shù)瓶頸,可以使單機柜功率密度提升3倍以上;同時,IT部件故障率大幅降低,有效提升云服務(wù)品牌。浸沒式液冷可以為社會節(jié)省大量能源,預(yù)計2030年浸沒式液冷可節(jié)約用電1637.77億千瓦時,將數(shù)據(jù)中心的總用電量降低至2477.23億千瓦時。事實上,除了行業(yè)專家和企業(yè)用戶的高度關(guān)注以外,近兩年來,很多設(shè)備廠商也加大了針對數(shù)據(jù)中心液冷市場的產(chǎn)品開發(fā)力度。
　　
　　可以說,在未來新基建時代,大型數(shù)據(jù)中心將有望成為浸沒式液冷技術(shù)的天下。不過需要說明的是,由于需要對建筑結(jié)構(gòu)進行“傷筋動骨”的改造,所以浸沒式液冷并不適用于對已建成數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)升級。另外,目前風冷還能夠滿足市面上熱負荷較低的EDC或者小型數(shù)據(jù)中心,完全沒有必要更換價格昂貴的液冷系統(tǒng)。
　　
 浸沒式液冷案例 
      11月3日，在阿里巴巴雙11技術(shù)溝通會上，阿里巴巴副總裁、阿里云基礎(chǔ)設(shè)施負責人周明表示，為支撐屢創(chuàng)紀錄的交易峰值，2020年雙11將有包括張北、烏蘭察布、河源、南通、杭州在內(nèi)的五大超級數(shù)據(jù)中心合力支撐，讓消費者們享受絲般順滑的”剁手”體驗。其中在杭州數(shù)據(jù)中心內(nèi)，全球規(guī)模最大的液冷服務(wù)集群將有上萬臺液冷服務(wù)器投入生產(chǎn)處理雙11的海量計算工作，這些服務(wù)器的網(wǎng)線連起來，可以繞地球一周。

將建立10座綠色超級數(shù)據(jù)中心

      據(jù)悉，阿里巴巴重構(gòu)了業(yè)內(nèi)罕見的”給服務(wù)器泡澡”冷卻技術(shù)——工程師將服務(wù)器浸泡在特殊的絕緣冷卻液中，散熱全程無需風扇、空調(diào)等制冷設(shè)備，大大降低了數(shù)據(jù)中心的能耗，整體節(jié)能超70%，年均PUE可達1.09，全球最低。除了硬件外，阿里工程師還設(shè)計了一套適合浸沒液冷的監(jiān)控管理系統(tǒng)，故障率降低了50%。

      這也是全球唯一投入大規(guī)模部署的液冷集群，近十億剁手黨們在消費的同時還將創(chuàng)造史上最綠色環(huán)保的雙11。初步估算，相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，阿里云杭州數(shù)據(jù)中心可每年省電7000萬度，相當于西湖周邊所有路燈連續(xù)點亮8年的耗電量。假如全中國所有的服務(wù)器都采用液冷技術(shù)，每年將節(jié)省超過800億度電，接近三峽大壩一年的發(fā)電量。未來阿里云還將在全國建立10座以上的綠色超級數(shù)據(jù)中心，支持數(shù)字新基建發(fā)展。

結(jié)語
　　
　　綜上所述,從長遠角度而言,社會對于計算力的需求永無止境,而機房的冷卻技術(shù)發(fā)展將在很大程度上決定數(shù)據(jù)中心計算力提升的瓶頸高低。浸沒液冷技術(shù)作為一種高效,節(jié)能,安全的冷卻技術(shù),在新基建時代,將成為大型和超大型數(shù)據(jù)中心的最佳選擇?！?/p>

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