數(shù)據(jù)中心新時(shí)代，液冷起飛
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編者按：本文來自微信公眾號(hào) 奇偶派（ID：jioupai），作者：葉子，編輯：釗，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
隨著AI、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)、計(jì)算與應(yīng)用需求加速擴(kuò)張。尤其是自去年年底以來，由ChatGPT引起的大模型浪潮，更是讓數(shù)據(jù)處理熱上加熱，進(jìn)一步催生了AI算力等大功率應(yīng)用場(chǎng)景加速落地。
作為信息基礎(chǔ)設(shè)施中心及通信設(shè)備的數(shù)據(jù)中心承擔(dān)的計(jì)算量越來越大，對(duì)計(jì)算效率的要求也越來越高，全球包括國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心有望迎來建設(shè)高峰。
而為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理性能的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器及通信設(shè)備不斷提升自身處理能力和集成度，功率密度節(jié)節(jié)攀升。而這些變化除了帶來巨額能耗問題以外，高熱密度也給制冷設(shè)備和技術(shù)提出了更高要求。
如何能在政策嚴(yán)格限制PUE（Power Usage Effectiveness）的情況下，仍舊保證散熱能力的不缺失，成為了擺在所有數(shù)據(jù)中心前面的一道難題。
在此背景下，作為風(fēng)冷的進(jìn)階版本，液冷憑借其超高能效、超強(qiáng)散熱等特點(diǎn)引起行業(yè)的普遍關(guān)注，并逐漸成為散熱的新方向。
那么，為什么液冷能成為大型數(shù)據(jù)中心散熱的必經(jīng)之路？相關(guān)技術(shù)分支有哪些？在液冷產(chǎn)業(yè)鏈中，哪些公司將迎來起飛良機(jī)？
01 液冷為何是數(shù)據(jù)中心散熱的唯一選擇？在政策、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性三重因素的共同推動(dòng)下，液冷正在快速替代風(fēng)冷，幾乎要成為數(shù)據(jù)中心散熱的唯一選擇。
在政策端，數(shù)據(jù)中心作為日益增長(zhǎng)的能耗大戶，相關(guān)政策不斷出臺(tái)，衡量其能耗的PUE指標(biāo)也在日趨嚴(yán)格。
中國通信院數(shù)據(jù)顯示，近年我國數(shù)據(jù)中心規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)，按照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架2.5KW來統(tǒng)計(jì)，2022年我國數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模將達(dá)到670萬架，近五年的CAGR超過30%。其中，大型以上數(shù)據(jù)中心增長(zhǎng)更為迅速，2022年底規(guī)模達(dá)540萬架，占比達(dá)81%。
資料來源：中國通信院，中銀證券
而在數(shù)據(jù)中心存量不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，其耗電量也在快速攀升。工信部數(shù)據(jù)顯示，2021年我國數(shù)據(jù)中心耗電量為2166億kwh，占社會(huì)總耗電量的2.6%，相當(dāng)于1.3個(gè)上海市的總社會(huì)用電量，而其中用于散熱的能耗占比超過40%，更是占到了非IT能耗的80%。
資料來源：中國數(shù)據(jù)中心行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與未來前景分析報(bào)告
同時(shí)，在雙碳背景下，政策導(dǎo)向上也明確要求PUE進(jìn)一步改善。國家層面，2021年11月發(fā)改委等部門發(fā)布的文件明確指出，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE低于1.3，而內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中心的PUE更是要控制在1.2以下。
可以說，在政策端的指導(dǎo)下，如果數(shù)據(jù)中心僅僅依靠風(fēng)冷進(jìn)行散熱，從能耗上來看已經(jīng)難以走通，新型散熱方法的應(yīng)用迫在眉睫。
在技術(shù)端，伴隨著芯片能耗的提升，風(fēng)冷逐漸乏力，液冷勢(shì)在必行。
隨著ChatGPT引爆新一輪人工智能應(yīng)用的熱潮，大模型訓(xùn)練、運(yùn)營(yíng)中對(duì)算力的需求也大幅增加，而在算力需求的背后，則是對(duì)芯片需要具備更高計(jì)算效率的渴求。
進(jìn)入2023年以來，英偉達(dá)發(fā)布了最新的H100計(jì)算卡，而其老對(duì)手AMD也即將發(fā)布Instinct MI300顯卡，為大模型與人工智能的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)底座。
但計(jì)算能力的快速發(fā)展，就必然伴隨著能耗的加大，據(jù)ODCC《冷板式液冷服務(wù)器可靠性白皮書》信息，2022年Intel第四代服務(wù)器處理器單CPU功耗已突破350瓦，英偉達(dá)單GPU芯片功耗突破700瓦，AI集群算力密度普遍達(dá)到50kW/柜。
資料來源：紫光集團(tuán)，浙商證券研究所
而隨著散熱需求的增加，風(fēng)冷也逐漸顯得乏力。根據(jù)CNKI數(shù)據(jù)，在風(fēng)冷系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4000r/min時(shí)，對(duì)芯片的散熱效果明顯，而當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過臨界值后，便只能改善與空氣的導(dǎo)熱傳熱，散熱效果降低，已經(jīng)不足以完成當(dāng)前主流高性能芯片的散熱任務(wù)了。
而液體作為吸熱能力更強(qiáng)的材料，在同等單位體積下吸收熱量是空氣的近3000倍，可以有效保障芯片在較低的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行超頻工作而不出現(xiàn)過熱故障，完全具有“壓住”計(jì)算卡的能力。
此外，液冷服務(wù)器還可以排除海拔、地域和氣溫的差距，保證運(yùn)行效率和性能，具備規(guī)?；瘧?yīng)用的優(yōu)勢(shì)。
在經(jīng)濟(jì)性方面，液冷技術(shù)已經(jīng)成熟，商業(yè)模式合理，可有效節(jié)約能源開支。
根據(jù)中銀證券測(cè)算，以單機(jī)房為例，200臺(tái)服務(wù)器總功率為192KW，液冷方案比傳統(tǒng)風(fēng)冷方案可省電30%，雖然新投入液冷的建設(shè)成本有提升，且整體節(jié)約的運(yùn)行成本隨著使用年限的增長(zhǎng)逐步增加，但從整體來看三年和五年的項(xiàng)目成本液冷較風(fēng)冷減少7%和12%。
而在大模型訓(xùn)練+推理的共同驅(qū)動(dòng)下，因風(fēng)冷難以適配最新的計(jì)算卡，也推動(dòng)了液冷市場(chǎng)總量與邊際增速快速提升，這意味著對(duì)于更大規(guī)模的機(jī)房和數(shù)據(jù)中心來說，規(guī)模效應(yīng)可以進(jìn)一步體現(xiàn)，從經(jīng)濟(jì)性角度來看，液冷明顯比風(fēng)冷更節(jié)能、更劃算。
資料來源：IDC，中銀證券
02 液冷的三大技術(shù)路線雖然，液冷都是使用液體來完成導(dǎo)熱和散熱，但在技術(shù)方向上大體可分為接觸式及非接觸式兩種。
接觸式液冷，是指將冷卻液體與發(fā)熱器件直接接觸的一種液冷實(shí)現(xiàn)方式，包括浸沒式和噴淋式液冷等具體方案。非接觸式液冷，是指冷卻液體與發(fā)熱器件不直接接觸的一種液冷實(shí)現(xiàn)方式，包括冷板式等具體方案。
資料來源：IDC圈
冷板式冷卻，液體與發(fā)熱器件不會(huì)直接接觸，主要通過液冷板將發(fā)熱器件的熱量間接傳遞給封閉在循環(huán)管路中的冷卻液體，再將冷卻液體中的熱量排至大氣環(huán)境中，之后再次通過風(fēng)冷或水冷等方式循環(huán)冷卻。
資料來源：《中興通訊液冷白皮書》冷板式液冷示意圖
噴淋式液冷，是面向芯片級(jí)器件的精準(zhǔn)噴淋，按發(fā)熱元件需求，通過重力或系統(tǒng)壓力直接將冷卻液噴灑至發(fā)熱器件或與之連接的導(dǎo)熱元件上的液冷形式。
資料來源：《中興通訊液冷白皮書》噴淋式液冷示意圖
而浸沒式液冷，則將 IT 設(shè)備發(fā)熱元件全部浸沒在冷卻液中實(shí)現(xiàn)散熱，根據(jù)工質(zhì)是否產(chǎn)生相變又分為單相液冷和相變液冷。吸熱后的冷卻液采用風(fēng)冷或水冷等方式循環(huán)冷卻或者冷凝。
資料來源：《中興通訊液冷白皮書》浸沒式液冷示意圖
在三種液冷路線中，由于冷板式液冷沒有實(shí)現(xiàn)元器件與冷卻液的直接接觸，故起步較早，目前成熟度最高。而浸沒式液冷、噴淋式液冷因冷卻液與元器件直接接觸，導(dǎo)致對(duì)氟化液純凈度、流體沸騰過程控制要求更高，所以起步較晚，尚未大規(guī)模商用。
但目前，3種不同液冷方案在通信行業(yè)各有一些應(yīng)用案例。
冷板式液冷在軍用雷達(dá)、高密度數(shù)據(jù)中心、高性能電腦、動(dòng)力電池以及高功率LED散熱領(lǐng)域中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用，是解決大功耗設(shè)備部署、提升能效、降低制冷運(yùn)行費(fèi)用、降低TCO的有效應(yīng)用方案。
浸沒式液冷則因?qū)崿F(xiàn)了100%的液體冷卻，具有更優(yōu)的節(jié)能效果，在超算、高性能計(jì)算領(lǐng)域取得了較多的應(yīng)用。
其中單相液冷類技術(shù)克服了以往IT設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的限制，幾乎完全免除濕度、灰塵和振動(dòng)的影響，優(yōu)化了服務(wù)器的運(yùn)行環(huán)境，延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命。而相變浸沒式液冷技術(shù)則在單相液冷的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，即使服務(wù)器在全負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行，服務(wù)器整體溫度仍能夠維持在合適的范圍內(nèi)，是數(shù)據(jù)中心高效和極具前景的冷卻方案。
但噴淋式液冷作為兩種方案的”中間體“，面臨著比上不足比下有余的情況，也導(dǎo)致目前公開展示的研究成果和應(yīng)用實(shí)踐相對(duì)較少。
03 液冷巨頭艾默生之下 浪潮信息和巨化股份伴隨著AI大模型引領(lǐng)算力需求快速升級(jí)，帶動(dòng)高功率密度的智算和超算中心建設(shè)，液冷配套設(shè)施早加速導(dǎo)入市場(chǎng)的過程中，也出現(xiàn)了一批相關(guān)企業(yè)的投資機(jī)會(huì)，主要集中于第三方專業(yè)溫控廠商、布局液冷技術(shù)的服務(wù)器廠商與冷卻液制造廠商中。
首先是以艾默生系為代表的專業(yè)三方溫控廠商，深耕業(yè)內(nèi)多年，擁有極廣的客戶資源，在存量產(chǎn)品替換層面具有極大的規(guī)模優(yōu)勢(shì)。
艾默生系公司普遍具備基礎(chǔ)的散熱技術(shù)平臺(tái)，且擁有技術(shù)橫向復(fù)用、業(yè)務(wù)橫向開拓的能力。旗下誕生的一批國內(nèi)電力電子技術(shù)龍頭公司，如匯川技術(shù)、麥格米特等，基于電力電子技術(shù)，聚焦在細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用，并逐步實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景化的擴(kuò)張，市值由十億級(jí)走向百億和千億級(jí)。
而在旗下的數(shù)據(jù)中心溫控廠商中，前身是艾默生網(wǎng)絡(luò)能源的維諦技術(shù)龍頭地位穩(wěn)固，市占率達(dá)30%左右，連續(xù)16年在國內(nèi)機(jī)房空調(diào)市場(chǎng)排名第一。
而在全球范圍內(nèi)，維諦技術(shù)也有廣泛的客戶基礎(chǔ)，目前在網(wǎng)運(yùn)行超過100萬套空調(diào)產(chǎn)品，在未來存量數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品替換上具有極大的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，也是國內(nèi)機(jī)房空調(diào)市場(chǎng)一超多強(qiáng)中一超的扮演者。
資料來源：ICT Research
同時(shí)，出于安全性、穩(wěn)定性等考慮，企業(yè)客戶在選擇液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商時(shí)通常需要進(jìn)行嚴(yán)格的資質(zhì)驗(yàn)證。另一方面，客戶在與液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商建立生產(chǎn)配套關(guān)系后，傾向于維持與現(xiàn)有技術(shù)供應(yīng)商的合作，不會(huì)輕易更換主要供應(yīng)商，因此先進(jìn)入者具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，也成為了維諦技術(shù)的最大依仗。
在受益于產(chǎn)品替換的第三方溫控廠商外，由于服務(wù)器行業(yè)具有較高的進(jìn)入壁壘，也讓提前布局液冷的服務(wù)器廠商擁有了大展身手的機(jī)會(huì)。
液冷數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品的研發(fā)和制造涉及冷卻技術(shù)、制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)、溫濕度解耦控制算法等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，要求企業(yè)具備成熟、深入的技術(shù)積累，而部分長(zhǎng)期跟蹤散熱技術(shù)的服務(wù)器廠商則具有深厚的技術(shù)實(shí)力，成為了最直接的受益者。
其中，浪潮信息作為“All In 液冷”的服務(wù)器廠商，已擁有百余項(xiàng)液冷技術(shù)領(lǐng)域核心專利， 并參與制定與發(fā)布10余項(xiàng)冷板式液冷、浸沒式液冷相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)聯(lián)合牽頭立項(xiàng)及撰寫冷板式液冷核心技術(shù)的4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。
在產(chǎn)品端，去年年浪潮信息發(fā)布全棧液冷產(chǎn)品，通用服務(wù)器、高密度服務(wù)器、整機(jī)柜服務(wù)器、AI 服務(wù)器等四大系列均支持冷板式液冷，同時(shí)浪潮信息亞洲最大液冷數(shù)據(jù)中心研發(fā)生產(chǎn)基地正式投產(chǎn)，年產(chǎn)能達(dá)到10萬臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界首次冷板式液冷整機(jī)柜的大批量交付，并進(jìn)一步升級(jí)液冷智算中心解決方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心PUE<1.1。
資料來源：公司公告
目前，浪潮信息液冷產(chǎn)品和解決方案已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)、金融、教科研等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。浪潮信息與京東云聯(lián)合推出天樞液冷整機(jī)柜服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心部署總體能耗降低40%以上，散熱效率提升50%，已經(jīng)于京東云數(shù)據(jù)中心完成規(guī)模化部署。
而在液冷相關(guān)的產(chǎn)品外，冷卻液作為整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的材料，市場(chǎng)需求大幅提升。
在浸沒式液冷技術(shù)應(yīng)用中，除了硬件設(shè)備要求，液體冷卻劑也是極為關(guān)鍵的因素之一。對(duì)于合適的接觸式液冷冷卻劑，其物化性質(zhì)都有著眾多要求，并且需保證不受監(jiān)管限制。
而在眾多材料中，由于氟化液具有良好導(dǎo)熱性、電絕緣、化學(xué)惰性等特性，也成為了冷卻液的最佳選擇，當(dāng)前已被用作超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軍用的敏感電子元器件的冷卻液。
目前，可以大量生產(chǎn)氟化冷卻液的國內(nèi)企業(yè)包括巨化股份、新宙邦等企業(yè)，其中，巨化股份是最先完成量產(chǎn)的企業(yè)，其開發(fā)的高性能巨芯專用冷卻液于2020年年底正式出廠，填補(bǔ)了國內(nèi)高性能大數(shù)據(jù)中心專用冷卻液的空白。
作為大數(shù)據(jù)中心冷卻液產(chǎn)品，巨芯冷卻液已通過第三方測(cè)試、流動(dòng)模擬測(cè)試、基材兼容性測(cè)試和單機(jī)運(yùn)行測(cè)試，主要性能指標(biāo)與國外壟斷產(chǎn)品相當(dāng)。目前，公司依托自有的技術(shù)研發(fā)中心已成功開發(fā)出系列電子氟化液產(chǎn)品包括氫氟醚D系列產(chǎn)品和全氟聚醚JHT系列產(chǎn)品。
而在冷卻液的物化性質(zhì)、冷卻效率驗(yàn)證通過后，2021年8月，巨化下屬企業(yè)、浙江創(chuàng)氟高科“年產(chǎn) 5000噸巨芯冷卻液項(xiàng)目”快速上馬開工建設(shè)，項(xiàng)目投資5.1億元，產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目采用行業(yè)先進(jìn)的制備工藝技術(shù)，在節(jié)能減排降碳方面有著顯著效果。
項(xiàng)目建成后，將成為全球技術(shù)、產(chǎn)能雙領(lǐng)先的單套浸沒式冷卻液生產(chǎn)裝置，能有效滿足國內(nèi)企業(yè)對(duì)浸沒式冷卻液的需求。巨芯冷卻液規(guī)劃5000噸/年產(chǎn)能，截至目前，一期1000噸基本已建設(shè)完成。
圖源：巨化股份公眾號(hào)
04 寫在最后隨著AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，作為信息基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心及通信設(shè)備承擔(dān)的計(jì)算量越來越大，對(duì)計(jì)算效率的要求也越來越高，從而對(duì)散熱效率提出了更高的要求。
而在政策、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性三端的共同推動(dòng)下，具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)的液冷技術(shù)正在快速替代風(fēng)冷技術(shù)，即將成為未來主流。
而在這一過程中，第三方溫控廠商、傳統(tǒng)服務(wù)器龍頭、冷卻液生產(chǎn)廠商都在這個(gè)從1到100的過程中快速提升技術(shù)實(shí)力，加速搶占市場(chǎng)份額。
而一批液冷產(chǎn)業(yè)鏈公司，或許也能在長(zhǎng)期的替換和新增需求等積極因素的影響下，得到市場(chǎng)的認(rèn)可與回饋。