降低PUE！從OCP China Day 2021大會(huì)看未來數(shù)據(jù)中心發(fā)展方向

降低PUE！從OCPChinaDay 2021大會(huì)看未來數(shù)據(jù)中心發(fā)展方向

張紫達(dá)

2021年7月27日，北京嘉里大酒店，OCPChinaDay 2021大會(huì)如期召開。大會(huì)上無論是主會(huì)場還是分會(huì)場都講了很多東西，但是有一個(gè)詞大家繞不開——PUE。

PUE基本概念

何為PUE？它是Power Usage Effectiveness的簡寫，是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源的比值。PUE = 數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，其中數(shù)據(jù)中心總能耗包括IT設(shè)備能耗和制冷、配電等系統(tǒng)的能耗，其值大于1，越接近1表明非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越好。比如數(shù)據(jù)中心總能耗為10000，其中IT設(shè)備能耗為5000，那么它的PUE就是2。

PUE的基準(zhǔn)值就是2，這個(gè)數(shù)值越接近1表示能效比越好。PUE是2有多夸張呢，這意味著這個(gè)數(shù)據(jù)中心有一半的電費(fèi)沒有花在IT設(shè)備（產(chǎn)出）上面，這一半的電費(fèi)花費(fèi)在了這套系統(tǒng)運(yùn)維方面，可以說這個(gè)數(shù)據(jù)中心是非常不節(jié)能的。

現(xiàn)實(shí)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)

6月11日，上海市經(jīng)信委印發(fā)《上海市互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)導(dǎo)則(2019)》，提出“嚴(yán)禁上海市中環(huán)以內(nèi)區(qū)域新建IDC(數(shù)據(jù)中心)”，“單項(xiàng)目規(guī)模應(yīng)控制在3000至5000個(gè)機(jī)架，平均機(jī)架設(shè)計(jì)功率不低于6kW，機(jī)架設(shè)計(jì)總功率不小于18000kW?！钡葮?biāo)準(zhǔn)。

2019年4月，深圳印發(fā)了《深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于數(shù)據(jù)中心節(jié)能審查有關(guān)事項(xiàng)的通知》。相比其他城市限制為主，深圳市更側(cè)重于改造現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心，對(duì)出于不同PUE(能源使用效率評(píng)價(jià)值，數(shù)值越低越說明“數(shù)據(jù)中心”用于計(jì)算的能源使用率越高)階段的數(shù)據(jù)中心，給予不同的政策支持，例如對(duì)PUE值為1.3-1.35(含1.3)的數(shù)據(jù)中心，新增能源消費(fèi)可給予實(shí)際替代量20%及以下的支持;對(duì)PUE值低于1.25的數(shù)據(jù)中心，新增能源消費(fèi)可給予實(shí)際替代量40%以上的支持。

而早在2018年9月，北京市政府便公布了《北京市新增產(chǎn)業(yè)的禁止和限制目錄》(2018年版)，其中要求全市層面禁止新建和擴(kuò)建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)、信息處理和存儲(chǔ)支持服務(wù)中的數(shù)據(jù)中心(PUE值在1.4以下的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心除外)，中心城區(qū)全面禁止新建和擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心。

應(yīng)該說，現(xiàn)在政府已經(jīng)把數(shù)據(jù)中心作為高能耗的重點(diǎn)對(duì)象來看待了，隨著數(shù)據(jù)中心小、中型合并到大型數(shù)據(jù)中心中，數(shù)據(jù)中心的單個(gè)體量也越來越大，總的來說，單個(gè)數(shù)據(jù)中心消耗的能源是在增長的，降低PUE指標(biāo)刻不容緩。

核心：改變制冷

IT服務(wù)器我們無法改變它的能源效率，電力、消防也差不多。數(shù)據(jù)中心除了服務(wù)器，還有另一個(gè)能源消耗大戶——制冷系統(tǒng)。十多年前數(shù)據(jù)中心普遍采用風(fēng)冷的制冷方式，伴隨著時(shí)間的演變，現(xiàn)在逐漸過渡到了冷水水冷制冷、間接蒸發(fā)冷卻以及液冷制冷方式。

這種改變是巨大的。從以前數(shù)據(jù)中心PUE1.8，下降到現(xiàn)在最新的數(shù)據(jù)中心PUE1.2左右。這意味著如果整個(gè)數(shù)據(jù)中心消耗10000度電/月，那么制冷方式的改變可以為企業(yè)節(jié)約3888度電。當(dāng)然這種計(jì)算方式是不科學(xué)的，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心總的耗電量會(huì)是個(gè)變量，但是這個(gè)計(jì)算間接地說明了PUE能為企業(yè)減少多少支出。

現(xiàn)在改變制冷的方式最普通的是冷水水冷制冷方式。

第二種是間接蒸發(fā)冷卻方式。

第三種是液冷制冷方式。

液冷制冷有三種，分別是冷板式液冷、單相浸沒式液冷、兩相浸沒式液冷。

冷板式液冷卻通過泵循環(huán)液體介質(zhì)經(jīng)過裝配到電子部件的冷板進(jìn)行散熱。液體不與電子設(shè)備直接接觸。盡管非電介質(zhì)液體（例如水/乙二醇）通常用于直抵芯片冷卻，但是電介質(zhì)電子氟化液也可用于直抵芯片應(yīng)用，減輕泄漏相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，提高硬件/IT設(shè)備可靠性?？梢允褂脝蜗嗪蛢上嗉夹g(shù)實(shí)現(xiàn)直抵芯片冷卻。

在單相浸沒式液冷中，電子氟化液保持液體狀態(tài)。電子部件直接浸沒在電介質(zhì)液體中，液體置于密封但易于觸及的容器中，熱量從電子部件傳遞到液體中。通常使用循環(huán)泵將經(jīng)過加熱的電子氟化液流到熱交換器，在熱交換器中冷卻并循環(huán)回到容器中。

在兩相浸沒式液冷中，通過電子氟化液的沸騰及冷凝過程，指數(shù)級(jí)地提高液體的傳熱效率。電子部件直接浸沒在容器中的電介質(zhì)液體中，該容器密封但易于操作。在該容器內(nèi)，熱量從電子部件傳遞到液體中，并引起液體沸騰產(chǎn)生蒸汽。蒸汽在容器內(nèi)的熱交換器（冷凝器）上冷凝，將熱量傳遞給在數(shù)據(jù)中心中循環(huán)流動(dòng)的設(shè)施冷卻水。

浸沒式液冷是一種通過直接將硬件浸入非導(dǎo)電液體中用于冷卻數(shù)據(jù)中心IT硬件的方法。電子部件產(chǎn)生的熱量直接有效地傳遞給浸沒液體。這就減少了對(duì)于傳統(tǒng)冷卻方法中常見的熱界面材料、散熱器、風(fēng)扇、護(hù)罩、鈑金和其他部件的需求。

與傳統(tǒng)空氣冷卻相比，使用氟化液進(jìn)行浸沒式液冷具有提升熱效率（即PUE更低）、數(shù)據(jù)中心的性能和可靠性等諸多優(yōu)勢。浸沒式液冷還避免了復(fù)雜的氣流管理。經(jīng)過優(yōu)化的浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心可以減少投資和運(yùn)營支出，縮短施工時(shí)間，降低施工復(fù)雜度。浸沒式液冷提高了計(jì)算密度，可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的數(shù)據(jù)中心布局，清除場地成本較高或區(qū)域空間受限等數(shù)據(jù)中心選址障礙。最后，使用氟化液進(jìn)行浸沒式液冷可以消除對(duì)冷水機(jī)組（帶節(jié)水器）和空氣冷卻中所用復(fù)雜控件的需求，從而有助于消除用因水、能效和成本而導(dǎo)致的性能受限。相反，通過利用多種氣候下的自然水溫實(shí)現(xiàn)全天候冷卻，同時(shí)無需蒸發(fā)設(shè)施，這就有助于消除冷卻數(shù)據(jù)中心的用水需求。

總的來說，未來最有潛力的制冷方式是液冷制冷方式，它可以適應(yīng)多種氣候、地貌、海拔的環(huán)境，可以利用此技術(shù)將數(shù)據(jù)中心建立在條件并不是那么良好的地方或者是密集的大城市中。

節(jié)能減排，綠色地球

伴隨著2019年聯(lián)合國世界氣候變化大會(huì)的召開，世界以及各國溫室氣體排放（碳排放）有了限制，我國也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。正如前一陣院士所說，我國67%的發(fā)電量都來源于火力發(fā)電，減少用電量就是在減少碳排放。而且，我們可以預(yù)測未來清潔能源發(fā)電（不包括核電）的成本會(huì)比火電成本高，這筆費(fèi)用最終會(huì)轉(zhuǎn)嫁到用戶身上——我們的電費(fèi)可能會(huì)因此上漲，工業(yè)用電電費(fèi)更是如此。為此，企業(yè)先行一步優(yōu)化能源分配能源消耗也合情合理。

我們可以看到隨著科技的進(jìn)步，我們對(duì)于能源的控制會(huì)越來越精確，我相信這會(huì)讓人類的步伐邁得更遠(yuǎn)。

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