每經記者 范芊芊    每經編輯 文多    

在電影《流浪地球2》中，出現(xiàn)了一臺“2058年的計算機”，它可滿足數(shù)萬座發(fā)動機協(xié)同運作，并支撐“數(shù)字生命”計劃所需算力。這臺新型計算機的“原型”來源于中科曙光還未正式發(fā)布的“缸式”新型浸沒液冷計算機。中科曙光及旗下公司曙光數(shù)創(chuàng)在液冷技術領域已探索多年，這一技術目前被廣泛用于構建綠色數(shù)據(jù)（算力）中心。

計算、存儲、網絡被稱為數(shù)據(jù)中心的三大IT基礎設施，也是數(shù)據(jù)中心耗電量的重要來源，為了解決數(shù)據(jù)中心節(jié)能減碳問題，中科曙光旗下公司曙光數(shù)創(chuàng)推出浸沒式相變液冷方案為服務器“降溫”。去年，中科曙光則推出了曙光ParaStor液冷存儲系統(tǒng)為存儲器“降溫”，打造存算一棧式液冷方案。

目前，由中科曙光參與建設的眾多液冷數(shù)據(jù)中心，一年節(jié)省電能達2億度，節(jié)省的這些電能可滿足12.5萬個中國家庭全年用電，相當于減少66157噸二氧化碳的排放。

數(shù)據(jù)中心究竟有多耗電？

國家“東數(shù)西算”工程啟動已有一年，全國各地的數(shù)據(jù)中心項目正在緊鑼密鼓地建設中，以滿足數(shù)字經濟時代日益增長的算力需求。作為新基建的重要組成部分，算力已經成為拉動數(shù)字經濟增長的一輛重要馬車，是新的生產力。

但與此同時，數(shù)據(jù)中心也被業(yè)內稱為耗電大戶。中國電子技術標準化研究院數(shù)據(jù)顯示，2021年全國數(shù)據(jù)中心能源消耗達到2166億千瓦時，這相當于超1億個中國家庭的全年用電量。在“雙碳”戰(zhàn)略目標的背景下，如何在保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定高效運營的前提下節(jié)能減排，成為業(yè)界和學界研究的重點。

數(shù)據(jù)中心為何耗電量大？在曙光云計算集團首席戰(zhàn)略架構師王建波看來，數(shù)據(jù)中心的耗電體現(xiàn)在兩個方面，一方面是數(shù)據(jù)中心所承載的提供算力服務的IT設備，另一方面則是保障IT設備穩(wěn)定運行的制冷設備。

服務器、存儲、網絡被稱為數(shù)據(jù)中心基礎設施的三大件。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器就數(shù)以萬計，這些設備24小時不停歇運行，以支撐上游應用場景，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天文數(shù)字。

隨著應用場景對算力的種類數(shù)量和質量精度等要求越來越高，服務器的耗電量將越來越大。王建波告訴記者，（服務器）處理性能越強，集成度越高，耗電量同樣也就越大，這是一種相輔相成的關系。“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，但耗電量也越大。”

保障IT設備穩(wěn)定運行的其他設備則包括除濕、散熱等設備。在業(yè)內，為了精準計算數(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。

要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排，則要從降低PUE值來入手。工信部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（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，嚴寒和寒冷地區(qū)力爭降低到1.25以下。

如何給服務器“降溫”？

那么如何降低數(shù)據(jù)中心PUE值？耗電量最大的服務器是節(jié)能降碳的重點，冷卻則是關鍵一環(huán)，一方面高溫可能會使服務器停止運行，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，如風冷、液冷等，其中PUE達到1.1以下的基本依靠液冷。”王建波告訴記者。

所謂液冷，是指用流動液體將計算機內部元器件產生的熱量傳遞到計算機外，以保證計算機工作在安全溫度范圍內的一種冷卻方法，目前液冷技術分為冷板式、噴灑式和浸沒式。

早在2011年，中科曙光便開始節(jié)能液冷技術的探索與研究，其浸沒式相變液體方案被應用于全國多個數(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”，機房的服務器就采用了曙光數(shù)創(chuàng)的浸沒式相變液冷方案。記者了解到，包含CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）等元器件在內的服務器被直接浸沒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入裝有冷水的冷卻裝置，待溫度下降后再循環(huán)回到服務器，而吸收了熱量的熱水則隨著管道進入外部的冷卻塔。

所謂浸沒式相變液冷方案，關鍵詞是“浸沒”和“相變”。王建波告訴記者，區(qū)別于冷板式液冷，浸沒式相變液冷方案不是將散熱最多的關鍵元器件放入液體中，而是將服務器整體浸沒在液體中。相變則是指物質狀態(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化為氣體，繼而與冷水進行熱交換。

上述散熱方式能帶來哪些益處呢？一方面由于上述液態(tài)高分子材料沸點較低，該解決方案可使CPU等主要芯片運行溫度下降10攝氏度左右，從而額外帶來10%~30%的應用性能提升，同時溫度變化幅度減小，也提升了數(shù)據(jù)中心運行的穩(wěn)定可靠性；另一方面該解決方案去掉了空調系統(tǒng)以及對應的風冷基礎設施，建設成本降低，使數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)全年自然冷卻，風扇風機能耗降低接近100%，相較于風冷總能耗降低約30%。

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

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

如何給存儲系統(tǒng)“降溫”、給生產節(jié)能降耗？

除了服務器，存儲系統(tǒng)同樣是數(shù)據(jù)中心耗電量較大的設備。中國數(shù)據(jù)中心節(jié)能委員會的一項研究表明，數(shù)據(jù)中心IT設備系統(tǒng)所產生的功耗中，服務器系統(tǒng)約占50%，存儲系統(tǒng)約占35%。因此，存算一棧式液冷方案成為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心“深度綠色化”的關鍵一環(huán)。

為此，中科曙光在去年推出了曙光ParaStor液冷存儲系統(tǒng)，這也是業(yè)內首個液冷存儲系統(tǒng)，其將冷板液冷方案與存儲技術結合。相比風冷模式，液冷存儲系統(tǒng)性能提升超過20%，以EB級單位存儲設施的耗電量為例，相比風冷模式，采用液冷存儲一年可節(jié)電450萬千瓦時，減少1493噸二氧化碳排放。

相較于服務器，內存、機械硬盤等存儲關鍵部件采用液冷方案的難點在哪兒？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），其中有很多技術性的突破。“比如我把CPU內存儲器取下來，取下來之后口要盡快封閉，否則就連電了，在插拔一瞬間還不能讓液體進去，這里面都有很多突破性的設計。”

例如，中科曙光所設計的液冷存儲方案中，在硬件設計時，保證硬盤盤盒與液冷箱體的接觸面積滿足機械硬盤的散熱需求，并且硬盤的插拔操作不會帶來散熱接觸面的變化，增加了液冷循環(huán)系統(tǒng)后，仍能保持硬盤的獨立熱插拔。

從計算與存儲兩個維度助力數(shù)據(jù)中心行業(yè)綠色低碳、節(jié)能減排的同時，中科曙光在自身產品的生產方面同樣注重綠色節(jié)能。

據(jù)悉，曙光智能制造基地從產品設計開發(fā)、原材料選用、生產工藝驗證、包裝優(yōu)化到回收利用全面貫徹綠色制造理念，不良品率、運營成本較早先生產線分別下降了20%、33%，單位產值能耗降低30%。

王建波告訴記者，基地全部采用無燈工廠，機器人生產作業(yè)，生產可靠性提升。據(jù)了解，基地采用先進的國產機器人和數(shù)字孿生技術實現(xiàn)自動化生產和智能監(jiān)控，工廠自動化率達95%以上，平均每90秒便可組裝一臺高端服務器產品。

（實習生羅藝對本文亦有貢獻）