聚焦液冷 | 信通院攜手業(yè)界為液冷“升溫”

隨著我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，算力賦能場(chǎng)景日新月異。伴隨著ChatGPT迅速“破圈”，AI驅(qū)動(dòng)算力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，使得數(shù)據(jù)資源的計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用需求快速擴(kuò)張，數(shù)據(jù)中心等算力基礎(chǔ)設(shè)施的高密度、高算力發(fā)展已成必然趨勢(shì)。與此同時(shí)，在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)中心也面臨著高能效的發(fā)展要求，利用風(fēng)冷散熱的傳統(tǒng)方式已無(wú)法滿足數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)增長(zhǎng)與節(jié)能降碳的雙重需求，先進(jìn)的液冷技術(shù)為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)了全新的曙光。

數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)主要分為冷板式和浸沒(méi)式。其中，采用冷板式液冷技術(shù)，服務(wù)器等發(fā)熱器件無(wú)需直接接觸冷卻液，對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備改動(dòng)較小，可操作性更強(qiáng)、成熟度更高、應(yīng)用較廣泛。浸沒(méi)式液冷技術(shù)使用冷卻液作為熱傳輸媒介，借助液體優(yōu)越的導(dǎo)熱率和比熱容特性，可以更快地傳導(dǎo)以及更有效地吸收熱量，支持更高的部署密度，節(jié)能效果也更佳。近幾年，中國(guó)信息通信研究院（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)信通院”）瞄準(zhǔn)政策方向與產(chǎn)業(yè)需求，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)各方加快在液冷領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新、試驗(yàn)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)研究，持續(xù)推動(dòng)液冷服務(wù)器、冷卻液、液冷基礎(chǔ)設(shè)施等更新迭代，優(yōu)化液冷技術(shù)解決方案，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)成熟，以期更大規(guī)模地部署應(yīng)用液冷技術(shù)，切實(shí)緩解數(shù)據(jù)中心的高能耗壓力，助力我國(guó)算力產(chǎn)業(yè)走向綠色低碳發(fā)展之路。

液冷需求為何越“燒”越旺

一方面，智能計(jì)算中心、邊緣數(shù)據(jù)中心等新型算力基礎(chǔ)設(shè)施興起，加快了算力基礎(chǔ)設(shè)施高密度部署的步伐，發(fā)展需求促使制冷技術(shù)革新。得益于算力應(yīng)用場(chǎng)景的日漸豐富，各類計(jì)算加速芯片不斷問(wèn)世，多元化算力價(jià)值進(jìn)一步顯現(xiàn)。同時(shí)這也引起了數(shù)據(jù)中心功率密度不斷升高，尤其是芯片制程提升趨緩導(dǎo)致了芯片的功耗升高。通用CPU的TDP（熱設(shè)計(jì)功耗）持續(xù)增加，已從最初的100W左右逐步增加到400W，用于AI訓(xùn)練的GPU單機(jī)可高達(dá)10kW，高密度部署下的散熱問(wèn)題成為數(shù)據(jù)中心算力升級(jí)路上的“絆腳石”。液冷技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)風(fēng)冷式服務(wù)器冷卻模式，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器級(jí)乃至芯片級(jí)高效散熱，為數(shù)據(jù)中心CPU、GPU超頻工作提供散熱支撐，有效解決數(shù)據(jù)處理模型越來(lái)越復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理量“爆炸性”增長(zhǎng)等業(yè)務(wù)難題，為智能計(jì)算中心、邊緣數(shù)據(jù)中心等新型數(shù)據(jù)中心提供了高效的散熱解決方案。

另一方面，在“雙碳”“東數(shù)西算”等國(guó)家戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，行業(yè)愈發(fā)重視算力基礎(chǔ)設(shè)施的高質(zhì)量發(fā)展。國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略對(duì)數(shù)據(jù)中心能源效率提出了新要求，各級(jí)主管部門越來(lái)越重視數(shù)據(jù)中心的能耗管理，不斷出臺(tái)相關(guān)政策引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心節(jié)能發(fā)展?！皷|數(shù)西算”工程致力于提升國(guó)家整體算力水平，在優(yōu)化數(shù)據(jù)中心投資建設(shè)布局的同時(shí)，也強(qiáng)調(diào)了能效和可再生能源的使用要求。對(duì)此，產(chǎn)業(yè)界積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，大力優(yōu)化算力基礎(chǔ)設(shè)施用能結(jié)構(gòu)，尋求新的技術(shù)路徑以加強(qiáng)綠色設(shè)計(jì)，液冷正是其中一項(xiàng)行之有效的技術(shù)方案。依托全新的液冷散熱系統(tǒng)及配套的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在保證冷卻液穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心可實(shí)現(xiàn)PUE低于1.1。

此外，越來(lái)越多投資建設(shè)主體研判未來(lái)業(yè)務(wù)演進(jìn)趨勢(shì)，克服改造難度和運(yùn)營(yíng)成本問(wèn)題，逐漸部署液冷。早在2019年，工業(yè)和信息化部等三部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，就對(duì)能源資源利用效率較低的在用老舊數(shù)據(jù)中心的改造提出了明確要求。各地主管部門積極響應(yīng)號(hào)召，如北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局印發(fā)的《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實(shí)施方案（2021—2023年）》提出，“按照‘以舊換新、增減替代’原則推動(dòng)存量數(shù)據(jù)中心的改造升級(jí)”；上海市經(jīng)濟(jì)信息化委等部門發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)本市數(shù)據(jù)中心健康有序發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》提出，“充分發(fā)揮政府引導(dǎo)和市場(chǎng)機(jī)制調(diào)節(jié)作用，推動(dòng)小散老舊數(shù)據(jù)中心升級(jí)改造，促進(jìn)存量數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)優(yōu)化”。然而要達(dá)到改造后能效提升的目標(biāo)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)方不僅要更新或淘汰低效的老舊設(shè)備，還要對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)制冷、供電等設(shè)施及系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)，這往往需要消耗大量人力、物力，同時(shí)還存在業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，部分大型數(shù)據(jù)中心投資建設(shè)主體在新建數(shù)據(jù)中心時(shí)逐漸傾向于將液冷作為首選方案。

行業(yè)痛點(diǎn)仍然存在，眾人拾柴火焰高

為滿足不斷提升的計(jì)算需求、緩解日益突出的能耗問(wèn)題，數(shù)據(jù)中心將目光轉(zhuǎn)向散熱能力出色的液冷，而與之相隨的諸多挑戰(zhàn)也值得業(yè)界關(guān)注。

一是液冷產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同困難。液冷作為高新技術(shù)，覆蓋多學(xué)科、多領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)鏈上中下游涉及企業(yè)廣泛，各企業(yè)的技術(shù)路徑多種多樣、新興產(chǎn)品千差萬(wàn)別，因此，液冷進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化適配與部署的難度很大，加之缺乏統(tǒng)一的技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范引導(dǎo)，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V應(yīng)用。

二是液冷系統(tǒng)可靠性仍有待提升。液冷系統(tǒng)中的管路容易出現(xiàn)腐蝕、沉積、漏液或堵塞等風(fēng)險(xiǎn)，由于缺乏充分的規(guī)模部署驗(yàn)證，目前液冷數(shù)據(jù)中心的可靠性問(wèn)題存在一定爭(zhēng)議，尤其是浸沒(méi)式液冷，冷卻材料的兼容性與可靠性對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

三是液冷部署成本較高。相較于風(fēng)冷，不管是數(shù)據(jù)中心直接部署液冷，還是進(jìn)行液冷化改造，初期投資以及全生命周期成本均較高。此外，液冷的運(yùn)維難度比較大，比如浸沒(méi)式液冷需要使用吊臂插拔，液體容易揮發(fā)，使得整體運(yùn)維成本提升。

中國(guó)信通院推動(dòng)產(chǎn)業(yè)界協(xié)同創(chuàng)新

面向液冷領(lǐng)域，中國(guó)信通院近年來(lái)取得了多項(xiàng)代表性成果。自2017年依托中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)開(kāi)放數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)委員會(huì)（ODCC）成立“冰河”液冷項(xiàng)目組以來(lái)，中國(guó)信通院聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游開(kāi)展了液冷方面的關(guān)鍵技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、聯(lián)合測(cè)試實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)工作。具體包括：2018年發(fā)布第一版《液冷技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展白皮書》；2019年出版國(guó)內(nèi)首本液冷科普書籍《液冷革命》；2019年?duì)款^發(fā)布6項(xiàng)液冷系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，打破了我國(guó)數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域液冷標(biāo)準(zhǔn)的空白；2021年聯(lián)合UDP、ITU在全球聯(lián)合發(fā)布題為《Innovative Data Centre Cooling Technologies in China-Liquid Cooling Solution》的液冷研究報(bào)告；2022年上述6項(xiàng)液冷系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正式升級(jí)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)規(guī)范和引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展。

隨著研究的不斷深入，中國(guó)信通院持續(xù)加強(qiáng)在液冷細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的研究。聚焦冷卻液的規(guī)范化研制與使用，中國(guó)信通院聯(lián)合40余家單位共同編制《浸沒(méi)式冷卻液可靠性規(guī)范》，并于2022年在ODCC峰會(huì)上正式發(fā)布1.0版本，目前該規(guī)范仍在持續(xù)迭代中。立足浸沒(méi)式液冷產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2021年在ODCC冬季全會(huì)上，中國(guó)信通院云大所與阿里、OPPO聯(lián)合設(shè)立“浸沒(méi)液冷智算產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”，在由論壇主辦的“2023年浸沒(méi)液冷智算產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇（衢州）”上，發(fā)布了涵蓋浸沒(méi)式液冷數(shù)據(jù)中心建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、熱回收等多個(gè)環(huán)節(jié)的9項(xiàng)研究成果。面向冷板式液冷推廣應(yīng)用，在2022年ODCC峰會(huì)上，中國(guó)信通院聯(lián)合超聚變發(fā)布《冷板式液冷服務(wù)器可靠性白皮書》，目前正聯(lián)合各單位開(kāi)展《冷板式液冷整機(jī)柜服務(wù)器技術(shù)要求和測(cè)試方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及《數(shù)據(jù)中心冷板式液冷發(fā)展研究報(bào)告》藍(lán)皮書的編寫工作。

接下來(lái)，中國(guó)信通院將繼續(xù)依托ODCC這一領(lǐng)先的行業(yè)平臺(tái)，聯(lián)合業(yè)界組織運(yùn)營(yíng)“冰河”項(xiàng)目，緊跟市場(chǎng)需求、緊抓產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)，繼續(xù)在液冷領(lǐng)域開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新與標(biāo)準(zhǔn)研究，助力我國(guó)液冷產(chǎn)業(yè)早日實(shí)現(xiàn)騰飛。

伴隨著新一代綠色低碳數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃建設(shè)，液冷作為一項(xiàng)革命性技術(shù)，正逐步走向規(guī)?；ａ槍?duì)本文提到的挑戰(zhàn)，未來(lái)行業(yè)更應(yīng)以需求為牽引，吸引更多企業(yè)參與到產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)中，加強(qiáng)研發(fā)投入，形成規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)共識(shí)，從而降低液冷的整體建設(shè)部署成本，助力液冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與環(huán)境效益的最大化，推進(jìn)整個(gè)行業(yè)良性發(fā)展。

*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：《中國(guó)信通院：眾人拾柴火焰高 攜手業(yè)界為液冷“升溫”》

作者：中國(guó)信息通信研究院 謝麗娜

中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì) 王超

責(zé)編/版式：王鶴迦

審核：舒文瓊

監(jiān)制：劉啟誠(chéng)