数据中心的能耗焦虑，到底有没有最优解？

算力正在进入“基建化”的时代。

　　几年前的时候，每当电商大促、春晚红包等节点，宕机和救火几乎是从不缺席的戏份。近两年却是另一番景象：即便是在618大促这样的流量波峰，大多数电商平台都顶住了高并发的压力，背后离不开算力的迅猛增长。

　　正如中国信通院在一份研究报告中所揭示的：2016年到2020年期间，中国的算力规模平均每年增长42%，其中2020年的算力总规模已经达到135EFlops，并仍在保持55%的高速增长。

　　只是算力高速增长的同时，也带来了新的问题。

　　01计算与散热的“零和博弈”

　　对于不少人来说，“计算”早已不是什么新概念。每一次打开“绿码”、每一次视频会议、每一次搜索点击……都离不开数据中心的处理计算。“计算”在日常生活中的无缝渗透，勾勒出了多彩的数字世界。

　　可当计算量越来越大，产生的功耗也随之增大。以全球最为知名的预训练大模型GPT-3为例，一次训练要消耗巨量的算力，需要消耗约19万度的电力，产生85万吨的二氧化碳，将其形容为“耗电怪兽”绝不为过。

　　倘若这些电力用在了“计算”本身，或许不是什么坏消息。毕竟在数字经济的时代，有一个著名的经济学解释，即算力上每投入一元，将带动3-4元的经济产出，“性价比”远高于传统的农牧业和工业生产。

　　现实的情况却并不乐观。根据开源证券研究所的统计结果，一个数据中心的能耗分布中，散热系统的占比高达40%。也就是说，数据中心每耗费一度电，只有一半用在了“计算”上，其他的则浪费在了散热、照明等方面。计算和散热几乎陷入了一场零和博弈，计算量越大散热消耗的电量越大，如果不消耗足够的能源提高散热能力，将直接影响数据中心的性能、密度和可靠性。

　　行业内也由此流行起了PUE的概念，即电源使用效率，用来测算数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值，被视为评价数据中心能源效率的重要指标，PUE值越接近1，表明非IT设备的耗能越少，数据中心的能效水平越高。目前国内大型数据中心的平均PUE值为1.55，超大型数据中心平均PUE值也只有1.46。

　　2020年时国内数据中心的用电量已经超过2000亿千瓦时，占到了用电总量的2.7%，预计2023年数据中心的能耗就将超过2500亿千瓦时，2030年时将超过4000亿千瓦时，用电量占比也将上升到3.7%。就这个角度而言，解决数据中心的能耗问题，已经是摆在案前的棘手挑战。

　　工信部在《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》中，对数据中心的PUE进行了明确规定：2021年底新建大型及以上数据中心的PUE降低到1.35以下，到2023年时要低于1.3。北京、深圳等城市也对新建数据中心提出了严格要求，其中深圳已经发文鼓励PUE值低于1.25的数据中心。

　　联想到“碳达峰与碳中和”的时代背景，低PUE的“绿色计算”已经是不争的趋势。淘汰掉高耗能的组件，升级算力高、空间节省、碳排放低的新组件，已经是很多数据中心无法规避的现实问题。

　　02被捧上神坛的“液冷”技术

　　在算力正在重塑产业格局的机遇面前，数据中心已然是无法拒绝的刚需，为数不多的选择在于提高算力效率并降低能耗，而能否找到新的散热方案，逐渐成为计算产业上下游必须应对的课题。

　　传统的散热方案以风冷为主，即将空气作为冷媒，把服务器主板、CPU等散发出的热量传递给散热器模块，再利用风扇或空调制冷等方式将热量吹走，也是散热系统消耗数据中心近半电力的主要诱因。

　　当PUE值被严格限定，绿色计算渐渐深入人心的时候，上世纪80年代就开始尝试的“液冷”技术，迅速成了产业上下游的新焦点。其实“液冷”技术的原理并不复杂，简单来说就是利用矿物油、氟化液等绝缘低沸点的冷却液作为冷媒，通过热交换将服务器的热量排出，并演变出了冷板式、喷淋式、浸没式等多种散热方案。

　　看似只是“冷媒”的改变，却为数据中心的节能降耗带来了诸多可能：

　　比如风冷热传导存在过程复杂、热阻总和大、换热效率较低等痛点，在很大程度上制约了数据中心的算力密度，并且常常会产生很大的噪声。液冷技术所呈现出的节能降耗、减少噪声、节约空间的特性，不可谓不诱人。

　　一个直接的例子就是普渡大学的Bell集群，10个机架的戴尔PowerEdgeC6525服务器直接浸没在冷却液中，运行时产生的热量直接被冷却液吸收，PUE最低可以降到1.05左右，散热所需的功耗比传统方案降低了90%以上。

　　再比如风冷想要提高散热能力，最“简单粗暴”的做法就是提高风扇转速，可把热量带出去的同时，风扇和硬盘间也会形成大的漩涡，不规则的湍流可能会影响硬盘的读写能力，甚至会因为磁头震动导致硬盘报废。

　　液冷技术近乎完美地规避了这些不利因素，由于液冷方案是一个相对静止的环境，可以有效降低由空气、灰尘和震动引起的硬件产品故障率，且数据中心始终在低温环境中运行，极大地提升了内部电子元器件的使用寿命。

　　可以看到的是，液冷技术的出现和应用，在很大程度上让计算和散热跳出了“囚徒困境”，对风冷降维打击的综合优势，也让液冷技术被不少人捧上神坛。然而和很多新技术一样，液冷方案同样存在天然短板：冷却液的价格堪比茅台，无形中增加了散热的硬性成本；液冷技术对数据中心的机房环境要求苛刻，重新改造的成本较高；液冷技术降低了PUE，运营成本却难言优势……

　　液冷是各种散热方案中毋庸置疑的翘楚，却也要考虑到现实的考量。

　　03戴尔科技给出的最优解

　　就像国家发改委等部委在年初启动的“东数西算”工程，目的是将东部的算力需求转移到西部，堪比“南水北调”的工程量。除了国内东西部电力资源的不平衡，一个重要的因素就是对自然冷源的利用。

　　有机构曾经估算，即使是在现有的散热方案下，即使按照工业平均电价每千瓦时0.5元来计算，数据中心所在地的气温每降低1℃，10万台服务器的标准数据中心机房每天可节约9.6万元的电费。

　　这样的举措无疑向外界传递了一个清晰的信号：在液冷技术的价格居高不下的局面下，不可能在短时间内彻底取代风冷，现阶段需要的仍然是多元化的散热方案。挑战其实留给了大大小小的IT厂商，到底是Allin理想化的液冷，还是根植市场的现实诉求，推出多样性的解决方案？

　　在服务器市场牢牢占据一席之地的戴尔科技，已经给出了自己的答案。

　　外界普遍将风冷打入“冷宫”的时候，戴尔并未放弃风冷散热的技术创新，一边利用最佳的计算流体动力学CFD气流模拟技术来优化系统设计，一边推出了将数据中心的温暖废气循环到主空气调节的新风(FreshAir)系统，结合最新的空气输送解决方案和先进的软件控制算法，刷新了风冷能耗的“成绩单”。

　　比如新一代戴尔PowerEdge系列产品R750，通过合理的散热布局减少过多气流，让服务器的散热能效比前代产品提高了60%，大大降低了工作流程中的能源消耗，同时避免了因过热导致服务器宕机、业务中断的尴尬。

　　哪怕是“传统”的风冷散热，戴尔的FreshAir硬件冷却解决方案也让外界看到了新可能：在冬季为建筑设施提供“免费”的热量，在温暖月份直接将外部空气吸入数据中心，通过减少运行冷水机时间等方式，进一步降低了服务器的运营管理成本，PUE值同样有机会降低到1.05的水平。

　　而对于CPU功率超过150w的需求，戴尔科技针对不同的场景提供了冷板式和浸没式两种液冷技术：前者对应的例子有Triton液体冷却系统，将冷却液直接放入服务器sled冷却CPU，不仅带来了最高的冷却效率，还降低了冷却液的用量；PowerEdgeC6520则是后者的典型代表，以闭环水流取代典型的金属散热器，使服务器能够同时支持高功率处理器和更高的机架密度。

　　戴尔科技的答案并不复杂，相比于对某种技术的过度依赖，戴尔科技的策略是针对客户需求提供不同散热方案的产品，再通过统一能耗管理软件OpenManagePowerCenter，提高了客户对服务器功耗的可见性和控制性，继而帮助客户低成本、自动化、智能化地应对各种能耗事件，找到适合自己的最优解。