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算力VS能耗,数据中心如何当好“端水大师”?
作者:HCZ | 点击:155 | 录入时间:2022/7/20 15:39:27

算力VS能耗,数据中心如何当好“端水大师”?

张贺飞 戴尔科技集团渠道合作伙伴 2022-07-08 12:25 发表于福建

几年前,每到电商大促、春晚红包等重大节点,宕机和救火几乎是从不缺席的戏份。你经常可以经历或听闻剁手时提交不了订单、无法付款的情况。


然而近两年,却是另外一番景象:


即便在618大促这样的流量波峰,大多数电商平台都顶住了高并发压力,平稳渡过年中狂欢,除了大促时间从一个日子延长到一段日子外,算力的迅猛增长也是其中一个重要原因。

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可以看到,算力正进入“基建化”时代。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%的高速增长速度。


不过,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,勾勒出多彩的数字世界。


可当计算量越来越大,功耗也随之上升。以全球最为知名的预训练大模型「GPT-3」为例,GPT-3每次训练都要消耗巨量算力,需用掉约19万度电力、产生85万吨二氧化碳,可谓“耗电怪兽”。

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倘若这些电力用在“计算”本身,或许不是什么坏消息。毕竟数字经济时代有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。


然而现实的情况却并不乐观。根据开源证券研究所的统计结果,在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,可是如果不付出足够的能源支撑散热,又将直接影响数据中心的性能、密度和可靠性。


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。

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2020年国内数据中心用电量已超过2000亿千瓦时,占到用电总量的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。



02

被捧上神坛的

“液冷”技术



传统的数据中心散热方案以「风冷」为主,以空气作为冷媒,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,这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,上世纪80年代就开始尝试的“液冷”技术迅速成为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。

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液冷看似只是“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,很大程度上制约了数据中心的算力密度,并且常常会产生巨大噪音。对比之下,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」,这里10个机架的戴尔「PowerEdge C6525」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。

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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,然而这种做法把热量带出去的同时,也会在风扇和硬盘间形成大漩涡,而这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,因此极大提升了内部电子元器件的使用寿命。

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可以看到,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……


纵然液冷是各种散热方案中的无可争议的翘楚,却也要考虑现实因素。



03

戴尔科技

给出最优解



今年年初,国家发改委等部委启动“东数西算”工程,将东部的算力需求转移到西部,除了东西部电力资源的不平衡的考虑之外,另一个重要的因素就是利用自然冷源。


有机构曾经估算,在现有的散热方案下,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℃,配备10万台服务器的标准数据中心机房每天就可节约9.6万元电费。


这无疑向外界传递了一个清晰的信号:液冷价格居高不下,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All in 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?

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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。


在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(Fresh Air)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。

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戴尔PowerEdge R750采用英特尔®第三代Xeon®可扩展处理器,最高40核心/80线程,并在核心、缓存以及内存和I/O方面进行了大量优化,释放数据中心可扩展性能的巨大潜能。


哪怕是“传统”的风冷散热,戴尔的Fresh Air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。


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;PowerEdge C6520」则是浸没式技术的典型代表,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。

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戴尔科技的答案并不复杂,不同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,再通过统一能耗管理软件「OpenManage Power Center」提高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。

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根据赛迪顾问的预测,2025年中国浸没式液冷数据中心的市场规模将超过526亿元,市场份额有望突破40%。


站在行业角度,液冷散热的高速普及不失为一个好消息。可对于数据中心运营者来说,绿色计算是一件等不得的要务,存量的数据中心需要提高散热能力,找到性能和散热间的新平衡;对于一些追求“性价比”的用户,降低PUE的渠道不应只有液冷散热一种,而需要适合自己的产品和方案。


因此,戴尔科技深入市场需求,为不同用户提供多样化散热解决方案应对能耗焦虑,让您的数据中心运营更安心。

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