中科曙光“綠色數(shù)據(jù)（算力）中心”的節(jié)能新突破

每經(jīng)記者 范芊芊    每經(jīng)編輯 文多    

在電影《流浪地球2》中，出現(xiàn)了一臺(tái)“2058年的計(jì)算機(jī)”，它可滿足數(shù)萬(wàn)座發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同運(yùn)作，并支撐“數(shù)字生命”計(jì)劃所需算力。這臺(tái)新型計(jì)算機(jī)的“原型”來(lái)源于中科曙光還未正式發(fā)布的“缸式”新型浸沒(méi)液冷計(jì)算機(jī)。中科曙光及旗下公司曙光數(shù)創(chuàng)在液冷技術(shù)領(lǐng)域已探索多年，這一技術(shù)目前被廣泛用于構(gòu)建綠色數(shù)據(jù)（算力）中心。

計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)被稱為數(shù)據(jù)中心的三大IT基礎(chǔ)設(shè)施，也是數(shù)據(jù)中心耗電量的重要來(lái)源，為了解決數(shù)據(jù)中心節(jié)能減碳問(wèn)題，中科曙光旗下公司曙光數(shù)創(chuàng)推出浸沒(méi)式相變液冷方案為服務(wù)器“降溫”。去年，中科曙光則推出了曙光ParaStor液冷存儲(chǔ)系統(tǒng)為存儲(chǔ)器“降溫”，打造存算一棧式液冷方案。

目前，由中科曙光參與建設(shè)的眾多液冷數(shù)據(jù)中心，一年節(jié)省電能達(dá)2億度，節(jié)省的這些電能可滿足12.5萬(wàn)個(gè)中國(guó)家庭全年用電，相當(dāng)于減少66157噸二氧化碳的排放。

數(shù)據(jù)中心究竟有多耗電？

國(guó)家“東數(shù)西算”工程啟動(dòng)已有一年，全國(guó)各地的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目正在緊鑼密鼓地建設(shè)中，以滿足數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代日益增長(zhǎng)的算力需求。作為新基建的重要組成部分，算力已經(jīng)成為拉動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一輛重要馬車，是新的生產(chǎn)力。

但與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心也被業(yè)內(nèi)稱為耗電大戶。中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院數(shù)據(jù)顯示，2021年全國(guó)數(shù)據(jù)中心能源消耗達(dá)到2166億千瓦時(shí)，這相當(dāng)于超1億個(gè)中國(guó)家庭的全年用電量。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下，如何在保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定高效運(yùn)營(yíng)的前提下節(jié)能減排，成為業(yè)界和學(xué)界研究的重點(diǎn)。

數(shù)據(jù)中心為何耗電量大？在曙光云計(jì)算集團(tuán)首席戰(zhàn)略架構(gòu)師王建波看來(lái)，數(shù)據(jù)中心的耗電體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是數(shù)據(jù)中心所承載的提供算力服務(wù)的IT設(shè)備，另一方面則是保障IT設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的制冷設(shè)備。

服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)被稱為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的三大件。在一座超大型數(shù)據(jù)中心里，數(shù)層高樓，數(shù)千平方米的土地上，僅密密麻麻排列著的服務(wù)器就數(shù)以萬(wàn)計(jì)，這些設(shè)備24小時(shí)不停歇運(yùn)行，以支撐上游應(yīng)用場(chǎng)景，其中一張?zhí)峁┧懔Φ腉PU卡的功率都有幾百瓦，可想而知一座數(shù)據(jù)中心的能耗量是一個(gè)天文數(shù)字。

隨著應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)算力的種類數(shù)量和質(zhì)量精度等要求越來(lái)越高，服務(wù)器的耗電量將越來(lái)越大。王建波告訴記者，（服務(wù)器）處理性能越強(qiáng)，集成度越高，耗電量同樣也就越大，這是一種相輔相成的關(guān)系。“例如一塊單晶硅片上集成的數(shù)字電路越密集，其處理能力越強(qiáng)，但耗電量也越大。”

保障IT設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的其他設(shè)備則包括除濕、散熱等設(shè)備。在業(yè)內(nèi)，為了精準(zhǔn)計(jì)算數(shù)據(jù)中心的能源利用率，將數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源的比值稱為PUE（Power Usage Effectiveness），PUE值越低，意味著能源利用率越高。

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排，則要從降低PUE值來(lái)入手。工信部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》中，明確指出到2023年底，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.3以下，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)力爭(zhēng)降低到1.25以下。

如何給服務(wù)器“降溫”？

那么如何降低數(shù)據(jù)中心PUE值？耗電量最大的服務(wù)器是節(jié)能降碳的重點(diǎn)，冷卻則是關(guān)鍵一環(huán)，一方面高溫可能會(huì)使服務(wù)器停止運(yùn)行，另一方面溫度越高則意味著降溫需要消耗的電量越大。“數(shù)據(jù)中心制冷主要有幾種方式，如風(fēng)冷、液冷等，其中PUE達(dá)到1.1以下的基本依靠液冷。”王建波告訴記者。

所謂液冷，是指用流動(dòng)液體將計(jì)算機(jī)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量傳遞到計(jì)算機(jī)外，以保證計(jì)算機(jī)工作在安全溫度范圍內(nèi)的一種冷卻方法，目前液冷技術(shù)分為冷板式、噴灑式和浸沒(méi)式。

早在2011年，中科曙光便開(kāi)始節(jié)能液冷技術(shù)的探索與研究，其浸沒(méi)式相變液體方案被應(yīng)用于全國(guó)多個(gè)數(shù)據(jù)中心。

在成都中科曙光參建的一座“綠色數(shù)據(jù)中心”，機(jī)房的服務(wù)器就采用了曙光數(shù)創(chuàng)的浸沒(méi)式相變液冷方案。記者了解到，包含CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）等元器件在內(nèi)的服務(wù)器被直接浸沒(méi)在一種電子氟化液中，不斷冒出沸騰的小氣泡，這些小氣泡帶著熱量進(jìn)入裝有冷水的冷卻裝置，待溫度下降后再循環(huán)回到服務(wù)器，而吸收了熱量的熱水則隨著管道進(jìn)入外部的冷卻塔。

所謂浸沒(méi)式相變液冷方案，關(guān)鍵詞是“浸沒(méi)”和“相變”。王建波告訴記者，區(qū)別于冷板式液冷，浸沒(méi)式相變液冷方案不是將散熱最多的關(guān)鍵元器件放入液體中，而是將服務(wù)器整體浸沒(méi)在液體中。相變則是指物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變，高溫使上述電子氟化液在50攝氏度左右便沸騰轉(zhuǎn)化為氣體，繼而與冷水進(jìn)行熱交換。

上述散熱方式能帶來(lái)哪些益處呢？一方面由于上述液態(tài)高分子材料沸點(diǎn)較低，該解決方案可使CPU等主要芯片運(yùn)行溫度下降10攝氏度左右，從而額外帶來(lái)10%~30%的應(yīng)用性能提升，同時(shí)溫度變化幅度減小，也提升了數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性；另一方面該解決方案去掉了空調(diào)系統(tǒng)以及對(duì)應(yīng)的風(fēng)冷基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)成本降低，使數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)全年自然冷卻，風(fēng)扇風(fēng)機(jī)能耗降低接近100%，相較于風(fēng)冷總能耗降低約30%。

另外，區(qū)別于其他液冷技術(shù)，由于將服務(wù)器整體浸沒(méi)，以及采用氣體的形式帶走熱量，浸沒(méi)式相變液冷方案采用高密度部署，可為機(jī)房節(jié)省85%左右的空間。這也就意味著同樣面積的機(jī)房?jī)?nèi)能夠放置更多的服務(wù)器，從而提高運(yùn)算效率，同樣數(shù)量的服務(wù)器則可以放置在更小的空間內(nèi)，從而降低能耗。

王建波舉例說(shuō)，例如原來(lái)（一定數(shù)量的服務(wù)器）需要放在五層樓里，每層樓需要放置照明燈、空調(diào)等，采用上述方案現(xiàn)在可以放在兩層樓里，就可以節(jié)約三層樓的電力開(kāi)銷。

如何給存儲(chǔ)系統(tǒng)“降溫”、給生產(chǎn)節(jié)能降耗？

除了服務(wù)器，存儲(chǔ)系統(tǒng)同樣是數(shù)據(jù)中心耗電量較大的設(shè)備。中國(guó)數(shù)據(jù)中心節(jié)能委員會(huì)的一項(xiàng)研究表明，數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗中，服務(wù)器系統(tǒng)約占50%，存儲(chǔ)系統(tǒng)約占35%。因此，存算一棧式液冷方案成為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心“深度綠色化”的關(guān)鍵一環(huán)。

為此，中科曙光在去年推出了曙光ParaStor液冷存儲(chǔ)系統(tǒng)，這也是業(yè)內(nèi)首個(gè)液冷存儲(chǔ)系統(tǒng)，其將冷板液冷方案與存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合。相比風(fēng)冷模式，液冷存儲(chǔ)系統(tǒng)性能提升超過(guò)20%，以EB級(jí)單位存儲(chǔ)設(shè)施的耗電量為例，相比風(fēng)冷模式，采用液冷存儲(chǔ)一年可節(jié)電450萬(wàn)千瓦時(shí)，減少1493噸二氧化碳排放。

相較于服務(wù)器，內(nèi)存、機(jī)械硬盤(pán)等存儲(chǔ)關(guān)鍵部件采用液冷方案的難點(diǎn)在哪兒？王建波告訴記者，通用的電子元器件要放到一種液體里，而且要支持熱插拔（帶電插拔），其中有很多技術(shù)性的突破。“比如我把CPU內(nèi)存儲(chǔ)器取下來(lái)，取下來(lái)之后口要盡快封閉，否則就連電了，在插拔一瞬間還不能讓液體進(jìn)去，這里面都有很多突破性的設(shè)計(jì)。”

例如，中科曙光所設(shè)計(jì)的液冷存儲(chǔ)方案中，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，保證硬盤(pán)盤(pán)盒與液冷箱體的接觸面積滿足機(jī)械硬盤(pán)的散熱需求，并且硬盤(pán)的插拔操作不會(huì)帶來(lái)散熱接觸面的變化，增加了液冷循環(huán)系統(tǒng)后，仍能保持硬盤(pán)的獨(dú)立熱插拔。

從計(jì)算與存儲(chǔ)兩個(gè)維度助力數(shù)據(jù)中心行業(yè)綠色低碳、節(jié)能減排的同時(shí)，中科曙光在自身產(chǎn)品的生產(chǎn)方面同樣注重綠色節(jié)能。

據(jù)悉，曙光智能制造基地從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、原材料選用、生產(chǎn)工藝驗(yàn)證、包裝優(yōu)化到回收利用全面貫徹綠色制造理念，不良品率、運(yùn)營(yíng)成本較早先生產(chǎn)線分別下降了20%、33%，單位產(chǎn)值能耗降低30%。

王建波告訴記者，基地全部采用無(wú)燈工廠，機(jī)器人生產(chǎn)作業(yè)，生產(chǎn)可靠性提升。據(jù)了解，基地采用先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)機(jī)器人和數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和智能監(jiān)控，工廠自動(dòng)化率達(dá)95%以上，平均每90秒便可組裝一臺(tái)高端服務(wù)器產(chǎn)品。

（實(shí)習(xí)生羅藝對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）