算力系列高級篇——算力危機報告：能源與散熱的秘密戰(zhàn)爭

AIGC的來臨，讓算力出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

為了滿足算力暴增的需求，數(shù)量眾多的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心在加速落地。

在數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展的過程中，一些關(guān)鍵因素也不能不察，迫切需要解決，否則可能導(dǎo)致“算力危機”。

今天，和文檔君一起了解一下，可能導(dǎo)致算力危機的2大因素：能源和散熱。

1、算力的“燃料”

要想馬兒跑得快，就得給馬兒喂好草料。

算力系列的文章《算力101：從零開始了解算力》、《算力與計算機性能：解鎖超能力的神秘力量！》、《數(shù)據(jù)中心大揭秘！》，相信各位粉絲也都了解到，龐大算力，是各種專用軟件、硬件共同努力的結(jié)果。

而所有的一切都要強勁、穩(wěn)定、持續(xù)的電力作為“燃料”，才能驅(qū)動龐大算力的運行。

這可不是一丁點的電力，據(jù)業(yè)界預(yù)測，2030年全國數(shù)據(jù)中心能耗總量將超過4000億千瓦時。

全球數(shù)據(jù)中心的能耗已經(jīng)超過了全球電力消費的2%，而且預(yù)計在未來幾年內(nèi)能耗還會繼續(xù)增長。

飛速增長的算力、電力，帶來了巨大的能源需求問題。

該如何解決呢？很多粉絲心里其實已有答案。

在“多”和“少”這2個方面，聰明的人們已經(jīng)有解決方案了。

“多”，就是算力提升速度再快，都要想盡辦法保障足夠的電力。

一是增加電力的生產(chǎn)

建立更多的火電廠，用更多的煤、石油、天然氣等不可再生資源來發(fā)電。

優(yōu)點是傳統(tǒng)的資源利用方式，方便快捷。缺點是消耗大，對環(huán)境的影響巨大。

二是增加電力的來源種類

包括水力發(fā)電、核能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等。

優(yōu)點是資源可再生，綠色環(huán)保。缺點是受限于外界環(huán)境，包括：地形地理位置、風(fēng)力大小、天氣陰晴等等。

三是增加電力的存儲

在電力富裕的時候存起來，等電力不足的時候再拿出來用。

優(yōu)點是可以保障電力的穩(wěn)定。缺點是新型技術(shù)，還在摸索創(chuàng)新中。

“少”，就是降低算力對電力的需求量。

一是減少算力的提升速度

現(xiàn)有的算力，是否已經(jīng)足夠滿足我們的需求？是否還需要繼續(xù)提升算力？如果再提升一定數(shù)量的算力就夠用的話，那增加的電力需求也就有限了吧？

二是減少數(shù)據(jù)中心的損耗

承擔(dān)計算主力任務(wù)的硬件，在運行過程中會損耗大量的能量。其他存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件，綜合的損耗也不少。

為了減少這些損耗，國家據(jù)此提出相應(yīng)要求，全國范圍內(nèi)新建數(shù)據(jù)中心的電源利用效率（PUE）<1.2。

?說明

PUE = 數(shù)據(jù)中心總能耗 / IT設(shè)備能耗

PUE越接近1，表示非IT設(shè)備耗能越少，數(shù)據(jù)中心能效水平越高。

三是減少單位算力的能耗

開發(fā)新型的計算技術(shù)，提高算力的能耗比，即同樣大小的算力，對應(yīng)的能耗減少。

相當于一份草料，以前只能供給一匹馬的全力奔跑。通過培育新品種，一份草料，現(xiàn)在可以供給兩匹新型馬了。

四是減少算力的重復(fù)建設(shè)

算力是個好東西，很多企業(yè)、科研機構(gòu)等都需要它。那有必要每個企業(yè)都建設(shè)單獨的數(shù)據(jù)中心去產(chǎn)生算力嗎？

如果集中在某些數(shù)據(jù)中心中產(chǎn)生算力，提供共用的算力池給大家使用，是否會達到這樣的效果：算力的能力更大、算力的建設(shè)成本更低、算力的使用效率更高。

讓多的多，讓少的少，讓馬兒跑得快，草料還吃的少。

最終目標，還是希望通過各種技術(shù)和改進，讓算力增加的多，電力還用的少。

2、算力的“冷卻”

在產(chǎn)生算力的過程中，各種硬件都在全力以赴的處理各種數(shù)據(jù)。

那忙碌的場景，可以用“忙到冒煙”來形容。

實際上硬件運行過程中產(chǎn)生的高溫，不僅會導(dǎo)致更多的能量損耗，更可能導(dǎo)致硬件的不穩(wěn)定，甚至可能導(dǎo)致硬件的損壞。

所以，聰明的人們，想出了各種辦法進行算力的“冷卻”。

風(fēng)冷

最常見的散熱方式，我們的家用電腦也是采用這種方式。

通過空氣的流動，將硬件產(chǎn)生的熱量吸收和排出。

優(yōu)點是成本低，便于安裝和維護，而且通過設(shè)計合理的布局，提高空氣流動的效率，確保散熱的效果。

缺點是散熱能力可能受到環(huán)境問題、空氣濕度等因素的影響。

而且在大型的數(shù)據(jù)中心中，由于熱密度更高，單純采用風(fēng)冷技術(shù)無法滿足整體的散熱要求。

空調(diào)

也是比較常見的散熱方式，風(fēng)冷方式是將常溫的空氣流動起來，空調(diào)冷卻系統(tǒng)則是通過冷卻空氣，來控制數(shù)據(jù)中心的溫度和濕度。

優(yōu)點是可以滿足數(shù)據(jù)中心對溫度、濕度的嚴格要求，例如溫度要求在20°~25°之間，濕度要求在40%~60%之間。

缺點是空調(diào)的運行也會消耗大量的能源，而且空調(diào)冷卻系統(tǒng)的多個壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器等設(shè)備，部署成本和維護成本都不低。

水冷

水的比熱容較大，能夠吸收大量的熱量，而且吸收熱量后的溫度上升速度比較緩慢。

更重要的是，液體的對流換熱系數(shù)，是空氣的10倍~40倍。所以用水來散熱，效率更高。

水冷系統(tǒng)是一整套的設(shè)備，水泵可以將自來水、井水或者專門的冷卻水泵送到冷卻管道中，冷卻管道與數(shù)據(jù)中心的設(shè)備進行熱交換，將設(shè)備產(chǎn)生的熱量吸收從而降低設(shè)備的溫度。吸收熱量后的升溫水會順著管道到達熱交換器，和熱交換器并列在一起的冷卻塔，就可以將水中的熱量吸收出來，將熱量散發(fā)到空氣中。冷卻后的水，繼續(xù)進入到水泵，循環(huán)給設(shè)備降溫。

優(yōu)點是散熱效率高，用了水冷以后，就可以減少對風(fēng)扇、空調(diào)等輔助散熱設(shè)備的依賴，降低能源消耗。

水冷系統(tǒng)的運行相對穩(wěn)定，不受環(huán)境問題、空氣濕度等因素的影響，可以進行精準的溫度控制，確保數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定工作環(huán)境。

缺點是需要部署專用的水泵、冷卻塔、冷卻管道等設(shè)備，占用了一定的空間。而且需要確保管道的密閉性，維護成本較高。

液冷

重要設(shè)備或者設(shè)備中的重要部件，進行有針對性的散熱。

這里的液體，不一定是水，也可以是增加了特定添加劑的水基冷卻液，改善水的性能，提高防腐防凍等能力。也可以是非水基的冷卻液，例如：礦物油、氟化液等。

優(yōu)點是可有針對性的降低特定設(shè)備的的溫度，對其他部件的影響較小。

冷卻液與發(fā)熱元件直接接觸，散熱效果好，能夠快速有效的帶走熱量。

缺點是液冷系統(tǒng)的設(shè)計水平、加工精度、安裝工藝、控制復(fù)雜度、冷卻液成本、維護難度等等，都有比較高的要求。

其中的兩種方式如下：

冷板式液冷服務(wù)器

????支持CPU液冷、CPU+內(nèi)存條液冷、CPU+GPU液冷等，液冷散熱占比超過

??? 80%，助力數(shù)據(jù)中心PUE降至1.1。

浸沒式服務(wù)器IceTank

????單節(jié)點能夠處理超過2000W的功率，可以確保溫度的均勻性，防止熱點的產(chǎn)生，從而延長了硬件的使用壽命。

????此外，超高散熱能力還減少了對傳統(tǒng)散熱方法如風(fēng)扇和空調(diào)的依賴，降低了運營成本。

上面簡單介紹的這些“冷卻”技術(shù)，有各自使用的場景。

而在“算力”世界里面，液冷技術(shù)由于具有低能耗、高散熱等特點，逐漸成為滿足數(shù)據(jù)中心散熱要求的重要選擇。

好的，今天介紹的就這么多：

算力越大，需要的電力越多。電力越多，提供的算力越多。是增加電力？還是減少算力？兩者之間的平衡，該如何把握，是一個難題。

風(fēng)冷、空調(diào)、水冷、液冷，“冷卻”的技術(shù)有很多，該如何選擇？該如何繼續(xù)演進，需要綜合考慮，因地制宜。

各位聰明的粉絲，有什么更好的解決方法吧，可以留言區(qū)一起討論哈~

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