服务器冷却技术发展概述(2023)

智能计算芯世界 2023-10-15 07:42

我国液冷技术起步稍晚于国外,但起步后发展迅速,后期与国外发展进程基本同步,并且在液冷规模试点应用方面积累了丰富经验。根据中国液冷数据中心发展白皮书​,2017年,华为推出FusionServer液冷解决方案;2018年,阿里巴巴在其自建的张北数据中心部署浸没式液冷系统;2019年,中科曙光实现了全球首个“刀片式浸没相变液冷技术”的大规模部署,其单机柜功率密度达160kW,TC4600E-LP液冷刀片服务器液冷部分PUE低于1.1。

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服务器的冷却方式分为风冷技术和液冷技术两种,风冷技术使用空气作为冷媒,通过空气与发热部件接触换热实现散热的冷却方式;而液冷技术则是以液体作为冷媒的冷却方式,利用液体将数据中心IT设备内部元器件产生的热量传递到设备外,从而冷却IT设备。

针对液冷技术,按照液体与发热器件的接触方式,大致分为冷板式(间接接触)、喷淋式和全浸没式(直接接触)。冷板式是将液冷冷板固定在服务器的主要发热器件上,依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热目的;喷淋式液冷是在机箱顶部储液和开孔,让冷却液对发热体进行喷淋,达到设备冷却的目的;浸没式液冷是将发热元件直接浸没在冷却液中,依靠液体的流动循环带走服务器等设备运行产生的热量。

针对不同的应用场景,液冷技术相对于风冷技术存在以下优劣势:散热效率方面,液冷技术的散热效率高于风冷技术,有利于将热量传递到设备外;适应环境方面,相比风冷散热,液冷散热技术可以适应多粉尘等恶劣场景,有效避免充电模块故障率高和噪音大的问题;噪音方面,相比风冷散热,液冷散热技术没有风扇,噪音更低;能源效率方面,液冷技术相比风冷技术能够更好地降低PUE值,从而达到节能减排的目的。

AI新阶段算力需求大幅提升:随着AIGC的不断发展,大模型所需要的参数和训练数据量和深度学习时期相比,有了数量级的提升。奇异摩尔产品及解决方案副总裁祝俊东表示:以GPT-3为例,1750亿的模型参数,45TB的训练数据集,是之前的10倍以上。算力需求的持续扩大需要相关硬件的完善,从而加快数据中心的建设落地,而液冷设备作为数据中心的基础配套设施,其需求量会随之提升。

今年以来,AI的发展迎来了一个小高潮,先是ChatGPT登陆苹果商店,成为了史上突破百万用户最快的应用程序;之后谷歌、华为、百度、科大讯飞等纷纷推出自己的大语言模型;其次Apple Vision Pro的强势推出标志着正式进入空间计算时代;而在刚刚过去的英伟达COMPUTEX 2023大会上,超级计算机GH200的全面量产又无疑为AI的持续发展提供了强劲的硬件支持。

在新工业革命的背景下,大数据、算力、算法等快速迭代,正驱动人工智能进入新阶段,这也推动着AI架构不断革新,得益于此,AI服务器规模不断扩大,集群数量不断增多。目前架构类型主要分为三种:中小型、中型和大型,分别对应的集群规模是1000台、2000台、2000—18000台。据华经产业研究院统计,2020年全球AI服务器市场规模为122亿美元,预计到2025年全球AI智能服务器市场将达到288亿美元,5年CAGR达到18.8%。

服务器的应用场景和大数据中心密不可分,服务器是大数据中心的重要组成部分,据前瞻产业研究院测算。服务器在数据中心建设中的占比高达69%。在高算力需求下,数据中心规模不断扩大,进而提高服务器的整体需求。

据中国信通院数据,我国数据中心市场规模在2021年达到1500亿元左右,近三年年均复合增速达到30.69%。随着我国各地区各行业数字化转型的深入,我国数据中心规模将保持持续增长态势,预计在2023年将达到2470亿元。

截至2022年4月,我国数据中心行业市场集中度较高,以三大电信运营商为主。凭借其网络带宽和机房资源优势,三大电信运营商市场份额占比超60%,其中中国电信市场份额为34%,中国联通市场份额为18%,中国移动市场份额为10%。

目前发展的散热冷却技术主要有风冷和液冷两大类,其中风冷包括自然风冷和强制风冷,适用的机柜功率密度较低;液冷分为单相液冷和相变液冷。散热冷却系统所采用的冷却介质、冷却方式不同,移热速率差距大。传统风冷最高可冷却30 kW/r的机柜,对于30 kW/r以上功率密度的机柜无法做到产热与移热速率匹配,会使机柜温度不断升高导致算力下降甚至损害设备。因此,在机柜功率密度不断提高的大数据时代,要求散热冷却设备及方式的不断创新,提升移热速率。

液冷利用液体的高导热、高传热特性,在进一步缩短传热路径的同时充分利用自然冷源,实现PUE小于1.25的极佳节能效果。由此可见,液冷的制冷效率更高更适合高功率数据中心,液冷或成必选项。

根据中国信通网,冷板式液冷产品相关企业包括:谷歌、IBM、中科曙光、腾讯、百度、京东、华为等;浸没式液冷产品相关企业包括:Facebook、英特尔、微软、中科曙光、阿里巴巴、施耐德、3M、高澜、英维克、维谛技术等;喷淋式液冷产品相关企业包括:长城、广东合一。

从液冷数据中心基础设施产品的比例来看,冷板式液冷仍是行业主流方案,浸没式液冷数据中心基础设施比例将逐步提升。根据赛迪顾问数据,2019年冷板式液冷产品和浸没式液冷产品在市场上的占比分别为82%和18%。冷板式液冷技术发展较早,目前冷板式液冷数据中心产品在市场上占比较高,但浸没式液冷是直接接触的制冷方式,相较于冷板式液冷,更大程度上利用液体的比热容特点,制冷效率更高,可有效降低数据中心PUE。

根据观研报告网发布的《中国液冷设备行业发展趋势研究与未来投资分析报告(2023-2030年)》显示,在市场竞争方面,由于国内外数据中心基础设施厂商液冷技术普及率较低,市场参与者较少,尚未形成较强龙头,市场竞争格局未定,同时在加上我国对数据安全具有严格的保护政策,国外企业进入困难。目前,我国液冷设备行业内具有竞争性的企业主要有华为、阿里巴巴、联想、浪潮信息、广东合一、戴尔中国等,其中中科曙光、华为、阿里和联想处于市场领导者地位。

2023年6月5日,IDC发布的《中国半年度液冷服务器市场(2022下半年)跟踪》报告显示:2022 年中国液冷服务器市场规模达到 10.1 亿美元(71.8 亿元人民币),同比增长 189.9%。从厂商销售额角度看,浪潮、超聚变、宁畅位居前三,占据了七成左右的市场份额。
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