中國儲能網訊：正如生成式人工智能（AIGC）橫空出世引爆算力需求，算力需求驟增也給數據中心建設發(fā)展帶來更多挑戰(zhàn)。算力需求有增無減，數據中心該如何接招？液冷技術打開了發(fā)展新思路。
需求驅動，高效節(jié)能成關注焦點
當前，我國數字經濟正在轉向深化應用、規(guī)范發(fā)展、普惠共享的新階段。伴隨著新型應用日新月異，計算型節(jié)點、AI訓練、超算等高算力業(yè)務需求持續(xù)推升芯片性能，服務器功率不斷提高，企業(yè)紛紛在AI、智算領域提前布局。與此同時，在“雙碳”目標提出的宏觀形勢下，政府部門對數據中心PUE（電能利用效率）的監(jiān)管要求也不斷提高。此前工信部發(fā)布的《新型數據中心發(fā)展三年行動計劃（2021—2023年）》指出，到2023年底，新建大型及以上數據中心PUE降低到1.3以下。
而制冷系統(tǒng)在典型數據中心中能耗占比達24%，因此在保證算力正常運轉的前提下，只有通過降低數據中心能耗，才能達成節(jié)能目標下的PUE要求。在此背景下，能夠提供高密度、高集成、低碳綠色數據中心解決方案的液冷技術嶄露頭角。
液冷技術利用液體較高的比熱容和換熱能力支撐更高功率散熱，正在逐步成為新型制冷方式。目前，國家、地方及行業(yè)已推出多項相關政策引導液冷技術落地應用。2021年5月國家發(fā)展改革委、工信部等部門聯(lián)合發(fā)布的《全國一體化大數據中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實施方案》提出，“推動數據中心采用液冷、機柜模塊化、余熱回收利用等節(jié)能技術模式”。2023年3月，工信部等三部門印發(fā)的《綠色數據中心政府采購需求標準（試行）》指出，“數據中心相關設備和服務應當優(yōu)先選用新能源、液冷、分布式供電、模塊化機房等高效方案”。
與此同時，以液冷服務器、液冷存儲、液冷機電設備為主建立的液冷數據中心呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。2023年6月5日，IDC發(fā)布的《中國半年度液冷服務器市場（2022下半年）跟蹤》報告顯示，2022年中國液冷服務器市場規(guī)模達到10.1億美元，同比增長189.9%。根據賽迪顧問統(tǒng)計，2022年中國液冷數據中心市場規(guī)模達到68.4億元，未來三年將以超過25％的年均復合增長率快速增長。不僅如此，在算力需求和政策引導的共同作用下，模塊化液冷產品、余熱回收技術等將推動中國液冷數據中心市場持續(xù)快速發(fā)展。
技術路線基本成型，冷板式液冷仍居主流
液冷技術主要包括冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷三種。三種液冷技術方案對比如表1所示。
表1 冷板式、浸沒式、噴淋式液冷技術方案對比
冷板式液冷是服務器芯片等高發(fā)熱元件的熱量通過冷板間接傳遞給液體進行散熱，低發(fā)熱元件仍通過風冷散熱的一種方式。
浸沒式液冷是服務器完全浸入冷卻液中，全部發(fā)熱元件熱量直接傳遞給冷卻液，通過冷卻液循環(huán)流動或蒸發(fā)冷凝相變進行散熱的一種方式。其中，冷卻液循環(huán)流動的方式為單相浸沒式液冷，冷卻液蒸發(fā)冷凝相變的方式為相變浸沒式液冷，相變浸沒式液冷控制更復雜、要求更高。
噴淋式液冷是用冷卻液直接噴淋芯片等發(fā)熱單元，通過對流換熱進行散熱的一種方式。
就技術發(fā)展來看，在上述三種液冷技術中，冷板式液冷技術發(fā)展較早，目前冷板式液冷數據中心產品在市場上占比較高。而浸沒式液冷是直接接觸的制冷方式，相較于冷板式液冷，可以更大程度上利用液體的比熱容特點，制冷效率更高，可有效降低數據中心PUE。
當前，市場需求以冷板式液冷、單相浸沒式液冷為主。未來冷板式液冷仍是行業(yè)主流方案，浸沒式液冷憑借更優(yōu)的制冷效率，在數據中心基礎設施中的比例將逐步提升。伴隨著技術的演進發(fā)展，液冷還可能演進出更多新的發(fā)展方向。中信證券認為，液冷未來的發(fā)展方向將是端到端的數字化智能調節(jié)液冷系統(tǒng)。
產業(yè)加速布局，液冷設備市場競爭激烈
前瞻布局液冷“新賽道”，產業(yè)鏈上下游廠商已經紛紛入局。由于液冷數據中心產業(yè)鏈條長、細分領域寬，參與玩家較多。不僅如此，各細分領域的參與企業(yè)都在依據自身的核心優(yōu)勢逐步向相關領域滲透，構建自身的生態(tài)圈。
從產業(yè)生態(tài)來看，液冷技術產業(yè)可以劃分為上中下游，其中包括產業(yè)上游的液冷基礎設施提供商、產業(yè)中游的解決方案提供商以及產業(yè)下游的算力服務使用者。液冷產業(yè)圖譜如圖1所示。
圖1 液冷產業(yè)圖譜
伴隨“雙碳”目標和“東數西算”工程推進，綠色數據中心能效建設要求越來越高，產業(yè)鏈中游的服務器提供者仍舊是帶動液冷產業(yè)發(fā)展的主力。2015—2018年，中科曙光、華為、浪潮信息、聯(lián)想、阿里巴巴等一眾國產廠商先后實現(xiàn)了液冷服務器大規(guī)模商業(yè)應用項目的落地，相應產業(yè)體系逐漸建立。就整體產業(yè)鏈來看，無論是上游的基礎設備和設施提供商還是下游的應用服務使用者，各個環(huán)節(jié)的競爭主體均呈現(xiàn)豐富化、多元化，并且液冷的涉及領域也在擴大。
隨著互聯(lián)網、金融、能源等行業(yè)業(yè)務量的快速增長，其對液冷數據中心的需求量將會持續(xù)加大?？浦亲稍冾A計2025年互聯(lián)網行業(yè)液冷數據中心占比將達到27.9%，金融行業(yè)將達到15.5%，電信行業(yè)將達到19.4%。除此之外，液冷技術還將逐漸應用于5G基站、個人或企業(yè)PC等非數據中心場景中，以降低能耗。
運營商持續(xù)加碼，錨定液冷技術“主力軍”
面對算力基礎設施建設逐漸網絡化、智能化、綠色化的趨勢，在算力基礎設施領域早已布局的運營商也逐漸加快液冷技術的推廣和應用。數據中心是液冷技術的最大需求方，而運營商又占據全國數據中心最大的市場份額，其對于液冷技術的推廣與應用將直接影響到液冷行業(yè)的發(fā)展。
近日，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通與液冷產業(yè)鏈相關企業(yè)聯(lián)合發(fā)布的《電信運營商液冷技術白皮書》指出，未來新建的IDC均將全面推進液冷技術，目標是2024年開展規(guī)模測試，新建項目10%試點應用液冷技術，2025年開展規(guī)模應用，50%以上數據中心項目將采用液冷技術。這標志著液冷技術將成為未來運營商數據中心節(jié)能的主流技術。
目前三大運營商在液冷技術應用方面均已落地實踐。
中國電信深入開展數據中心綠色低碳化建設，大力推進“要素升級、集成創(chuàng)新”，突出創(chuàng)新發(fā)展、低碳發(fā)展，積極開展液冷技術研究和試點試用。在數據中心液冷應用方面，中國電信在高密度機房開展試點應用，2018年3月，在中國電信廣州數據中心開展冷板式液冷微模塊試點工作，實測液冷微模塊PUE值約為1.2，風冷微模塊PUE值約為1.4，冷板式液冷節(jié)能效果明顯。按照計劃，中國電信于2023年將逐步在京津冀數據中心增設30個液冷服務器機柜。
中國移動針對冷板式液冷與浸沒式液冷主動布局，按步驟、分階段，積極在數據中心與5G基站等場所開展了液冷系統(tǒng)試點應用，對液冷技術的安全性、穩(wěn)定性、節(jié)能性等進行測試驗證。在前期探索階段，2012年中國移動在南方基地開展“數據中心雙通道散熱關鍵技術及應用”研究；在先行試點階段，2017年中國移動在呼和浩特組織熱管水冷、兩級熱管和水冷冷板等三種冷板式液冷測試；在規(guī)模試點階段，2023年中國移動在呼和浩特數據中心國家發(fā)展改革委綠色節(jié)能示范項目以及智算中心項目中啟動液冷規(guī)模試點。
中國聯(lián)通根據發(fā)展需求和IT設備單機功耗變化特點，積極響應國家綠色節(jié)能、低碳政策要求，主動開展液冷基礎理論技術、產品設備、實際使用方面的研究交流，并結合實際進行液冷技術探索與應用。在數據中心試點應用方面，中國聯(lián)通在德清云數據基地高功率機房，布局安裝機柜32架，采用冷板式液冷，進出水溫度為15℃/32℃，于2021年6月投產，目前已穩(wěn)定運行近兩年，制冷效果良好。
加強液冷技術布局，從側面反映出運營商正在進行產業(yè)角色的轉變。從傳統(tǒng)意義上的單純用戶，轉變成為液冷生態(tài)的主導者、設計者、構筑者。三大運營商目前已經找準未來發(fā)展路線，2023年將開展技術驗證，充分驗證液冷技術性能，降低PUE，儲備規(guī)劃、建設與維護等技術能力；2024年開展規(guī)模測試，推進液冷機柜與服務器解耦，促進競爭，推進產業(yè)生態(tài)成熟，降低全生命周期成本；2025年，開展規(guī)模應用，推動形成標準統(tǒng)一、生態(tài)完善、成本最優(yōu)、規(guī)模應用的高質量發(fā)展格局。
總而言之，伴隨數字經濟發(fā)展逐漸邁入新階段，液冷技術也因此迎來產業(yè)發(fā)展的新“風口”，但與此同時也面臨新挑戰(zhàn)，如行業(yè)生態(tài)尚未完善、液冷成本相對較高、產品規(guī)范化程度較低等。產業(yè)各方應凝聚共識、加強協(xié)作，堅持綠色低碳發(fā)展理念，在技術、產業(yè)、生態(tài)等方面攻堅克難，支撐數字經濟不斷做強做優(yōu)做大。
