數據中心的功耗難題，液冷能解決嗎？

耗能頗高的數據中心常被稱爲“不冒煙的鋼廠”。這不僅是因爲處理器運行消耗大量電力，也是因爲數據中心需消耗更多能源，來冷卻高溫運行中的服務器。幾年間，數據中心處理器功耗持續攀升，大模型更添一把“火”，業內正在尋找新的冷卻方式。

“原來一個機櫃40多U（長度單位），有那麼高，功耗不到8000瓦，現在常用於訓練或推理的4U八卡機功耗達到10千瓦，體積才那麼大一點。”近日一場採訪中，綠色雲圖總經理、網宿科技副總裁胡世軒用手比劃，向記者形容，服務器機櫃變小了，但一臺高度不到2分米的服務器，現在卻成爲功耗“怪獸”。

推高功耗表現的一大原因是AI。AI處理器功耗隨着性能提高而提高，傳統風冷不再適合。有業內人士告訴記者，目前各種液冷技術還在競賽，但從大趨勢看，液冷已逐漸成爲新建智算中心的標配。

數據中心功耗難題

全球AI基礎設施競賽還在進行。與此同時，應用於AI場景的高性能芯片功耗越來越高。山西證券研報引用S&P Global數據稱，2017年主流芯片廠商TDP（熱設計功耗）僅200瓦左右，到2023年，一般GPU的TDP已經達到350~700瓦，英偉達新一代B100功耗甚至超過1000瓦。

“原來一臺服務器功率大概500瓦、1000瓦，現在單張芯片就能達到500瓦了。” 胡世軒向記者形容。

高功耗導向高排放。谷歌近日在其年度環境報告中指出，2023年公司溫室氣體排放量達到1430萬噸碳當量，比2019年基準高出48%。谷歌2023年與能源相關的排放量同比增長37%，排放主要來自數據中心電力消耗。微軟總裁布拉德·史密斯5月也承認，公司的減排目標受到人工智能戰略的影響。

高功耗導致芯片出現高溫，進而影響芯片性能，業內將這一現象成爲“功耗牆”。冷卻成爲必不可少的手段。一般而言，數據中心有約40%的功耗用於製冷系統。傳統數據中心多采用風冷等傳統冷卻方式，但因應對高功耗時的低能效，業內出現了取代風冷的聲音。

今年早些時候，英偉達CEO黃仁勳表示，液冷技術將成爲AI算力的下一個趨勢性領域。英偉達從B100產品開始便採用液冷技術。“黃仁勳認爲浸沒式液冷是未來方向，這是他的觀點，不一定代表業界對液冷技術走向的共識，但高功耗情況下，液冷確實是需要的。”一名服務器業內人士告訴記者，如果說風冷是吹風扇、空調，液冷則像泡澡。

英特爾資深技術專家近日接受第一財經記者採訪時解釋，之所以風冷不適應高功耗場景，是因爲傳統風冷風扇轉速越快、散熱效果越好、風扇轉動耗能越高，但轉速達到某個臨界點後散熱效果提升有限，功耗卻上升明顯。風冷對300瓦、350瓦功耗以上的處理器而言性價比不高。

記者從多名服務器業內人士瞭解到，今年服務器出貨增長較明顯的是智算中心常用的AI服務器。“據我們觀察，新建數據中心的冷卻方式以液冷爲主，風冷較少。我們和中國臺灣、美國的產業上下游廠商聊，發現大家的感覺都是‘今年跟以前明顯不一樣’。” 以上技術專家告訴記者，從存量市場看，多數數據中心仍採用風冷，應對高功耗時需通過加裝更多電風扇、做大散熱器等方式‘打補丁’，確保已有處理器還能使用。但未來幾年，隨着數據中心逐漸轉向液冷，芯片廠商可能會轉向推出只考慮液冷環境下運行的芯片。埃克森美孚合成基礎油業務部門亞太市場總監王欣也感受到，今年數據中心服務器冷卻液的需求有所增長。

粗略分，液冷目前主要有兩種方式，冷板式液冷不需要浸沒芯片，浸沒式液冷則是將整臺服務器包括芯片浸在液體中，由液體帶走熱量。胡世軒向記者形容，做通用計算的數據中心發熱量不大，沒有必要打破由冷機、空調降溫的方式，而當智算中心單U功耗達0.5千瓦的臨界值時，液冷的效果和性價比都更高。

“液冷和風冷相比，數據中心能節省20%以上能耗，我判斷其中用在製冷上的能耗可節省80%以上。風冷數據中心PUE（數據中心電能利用效率）一般在1.5左右，有的地方要求做到1.3，從我們做的項目看，浸沒式液冷數據中心PUE則能做到1.1以下。” 胡世軒表示。

仍在發展初期

液冷能以較低能耗冷卻數據中心的處理器，但作爲相對新興的技術，目前部署液冷的價格仍偏高，各種液冷技術也仍在爭流。

液冷有一些技術挑戰需要攻克。王欣告訴記者，浸沒式液體把服務器所有硬件泡在裡面，材料兼容是關鍵難題，此外，需要解決信號穩定性、散熱性等問題，冷卻液廠商需要持續研發和更新。

此外，記者瞭解到，目前各方對冷卻方案的選擇各有判斷，共識還未形成。據市場研究機構IDC數據，去年國內液冷服務器市場規模增長52.6%，其中95%採用冷板式液冷。技術路線上看，冷板式和浸沒式都有單相和兩相兩種技術路線，單相採用氟碳化合物或合成油，雙相目前只有氟碳化合物散熱能力較高。

上述英特爾資深技術專家表示，單相冷板散熱效果出色、業界採用較多，但無法根除液體泄漏風險。兩相冷板所用的氟化物冷卻液泄漏後不會造成電路短路，但氟化物對環境有影響。氟化物在國際上有減少或禁止使用的趨勢，英特爾目前支持基於合成油的單相冷板和單相浸沒式液冷技術。產業鏈也在根據目前的技術挑戰做調整。王欣表示，氟化液冷卻液非常穩定，在自然界中不容易降解且價格較高，公司推出對環境影響較小的無PFAS（全氟和多氟烷基物質）浸沒式冷卻液，正與產業鏈合作，滿足浸沒式冷卻場景的技術指標。

整體而言，上述英特爾資深技術專家告訴記者，現在液冷還沒有某種技術比另一種技術更有統治性優勢，未來需求也還不明確，每個技術都有優缺點，而且爲了適應未來需求還在繼續演進。另有業內人士告訴記者，液冷上游供應鏈有不少廠家，技術有壁壘，競爭也較激烈。

價格方面，胡世軒告訴記者，浸沒式和冷板式液冷的價格今年都在往下走。建造成本看，浸沒式液冷比傳統風冷貴5%~8%，但預計部署規模增大後，兩年內可以做到風液同價。冷卻液廠商也在推動冷卻液迭代降價，現在已有產品價格比氟化物冷卻液低很多。

目前，液冷產業鏈上游爲零部件及液冷設備廠商，國產廠商包括英維克、綠色雲圖等，中游爲液冷服務器及芯片廠商、液冷集成設施廠商，包括中興、浪潮、曙光、新華三等。產業鏈已形成一些合作。英特爾與綠色雲圖、立訊精密、埃克森美孚等合作開發液冷解決方案，6月推出PUE低於1.05的G-Tank浸沒式冷卻解決方案。英偉達則與液冷設備提供商Vertiv合作，超微電腦也針對英偉達芯片推出液冷系統。

從相關性較大的產業鏈上市企業看，部分股價或業績受液冷需求增長催化，但整體冷熱不均。Vertiv股價從年初的每股45美元左右漲至美股7月11日92.86美元/股。英維克7月11日發佈今年上半年業績預告，稱機房溫控節能產品增長較快，上半年淨利潤業績增長80%～110%。全棧佈局液冷的服務器廠商浪潮2023年曾受專用芯片供應緊張影響，營收、淨利潤均同比減少，今年上半年預計營收同比增長60%以上。

今年第一季度，中科曙光旗下佈局數據中心冷卻技術的曙光數創營收則同比下降94.22%，淨利潤虧損，公司相關負責人5月在投資者活動上提及，冷板產品門檻低於比浸沒液冷產品，仍處於發展初期，很多同行業公司都在進入冷板市場搶奪份額，導致競爭激烈，公司目前以搶佔市場份額爲主，長遠看預計毛利會改善。