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大模型浪潮推動(dòng)之下,數(shù)據(jù)中心的“液冷時(shí)代”將給誰(shuí)帶來(lái)機(jī)會(huì)?
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(lái),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(lái)越大,對(duì)計(jì)算效率的要求也越來(lái)越高,全球包括國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心有望迎來(lái)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(lái)巨額能耗問(wèn)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(lái)起飛良機(jī)?
1 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(guó)通信院數(shù)據(jù)顯示,近年我國(guó)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(lái)統(tǒng)計(jì),2022年我國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模將達(dá)到670萬(wàn)架,近五年的CAGR超過(guò)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(wàn)架,占比達(dá)81%。
資料來(lái)源:中國(guó)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(guó)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(guò)40%,更是占到了非IT能耗的80%。
資料來(lái)源:中國(guó)數(shù)據(jù)中心行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與未來(lái)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(guó)家層面,2021年11月發(fā)改委等部門(mén)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(shuō),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(lái)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(lái),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(shū)》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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)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(lái)說(shuō),規(guī)模效應(yīng)可以進(jìn)一步體現(xiàn),從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看,液冷明顯比風(fēng)冷更節(jié)能、更劃算。
資料來(lái)源:IDC,中銀證券
2 液冷的三大技術(shù)路線 雖然,液冷都是使用液體來(lái)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(méi)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(lái)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(guò)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(guò)風(fēng)冷或水冷等方式循環(huán)冷卻。
冷板式液冷示意圖 資料來(lái)源:《中興通訊液冷白皮書(shū)》
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(guò)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。 噴淋式液冷示意圖
而浸沒(méi)式液冷,則將 IT 設(shè)備發(fā)熱元件全部浸沒(méi)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。
浸沒(méi)式液冷示意圖
在三種液冷路線中,由于冷板式液冷沒(méi)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(méi)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(guò)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(méi)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(méi)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(kāi)展示的研究成果和應(yīng)用實(shí)踐相對(duì)較少。
3 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(guò)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(kāi)拓的能力。旗下誕生的一批國(guó)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(guó)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(guò)100萬(wàn)套空調(diào)產(chǎn)品,在未來(lái)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(guó)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(lái)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(méi)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(xiě)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(wàn)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(lái)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);渴稹 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(méi)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(guó)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(kāi)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(guó)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(guò)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(guó)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(méi)式冷卻液生產(chǎn)裝置,能有效滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)浸沒(méi)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。
4 寫(xiě)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(lái)越大,對(duì)計(jì)算效率的要求也越來(lái)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(lái)主流。 而在這一過(guò)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(guò)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。
北京漢深流體技術(shù)有限公司是丹佛斯中國(guó)數(shù)據(jù)中心行業(yè)簽約經(jīng)銷(xiāo)商 Danfoss Authorized Distributor,漢深專業(yè)提供丹佛斯流體管件在冷板式液冷和相變液冷的產(chǎn)品解決方案。冷板式液冷系統(tǒng)主要包括水冷板(water cold plate)、管道(tube)、 快換接頭(quick disconnect coupling)、分液器(Manifold)、冷卻液分配單元(CDU)與室外冷卻設(shè)備等組件。丹佛斯流體管件系列產(chǎn)品包括FD83接頭,UQD系列快速接頭,5400制冷劑接頭和EPDM軟管EHW194等。 北京漢深流體技術(shù)有限公司 Hansen Fluid 地址:北京市朝陽(yáng)區(qū)望京街10號(hào)望京SOHO塔1C座2115室
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