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液冷顯著降低數(shù)據(jù)中心 PUE，政策端+需求端雙重驅(qū)動
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-05-30

1.數(shù)據(jù)中心耗電量巨大，節(jié)能存在較大優(yōu)化空間，政策端驅(qū)動推動行業(yè)發(fā)展

近年來隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AI 等數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)計算量呈現(xiàn)井噴式增長，配套的數(shù)據(jù)中心與通信基站投資及建設(shè)力度也不斷加大。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷增大，耗電量也隨之劇增。

根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2022 年我國數(shù)據(jù)中心耗電量達(dá) 2700 億千瓦時，能耗約占全國總用電量的 3.1%，足以滿足上海、深圳兩座超大型城市的全年用電需求。IDC 預(yù)計到 2024 年我國數(shù)據(jù)中心耗電量將占到全社會耗電量的 5%以上。

中國能源報預(yù)計到 2030 年全國數(shù)據(jù)中心耗電量將接近 4000 億千瓦時，數(shù)據(jù)中心減排迫在眉睫。中國電子學(xué)會副秘書長洪京一在“算力-電力聯(lián)合調(diào)度促進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展研討會”上表示，“一方面，數(shù)據(jù)中心用電量大、用電負(fù)荷高，在‘雙碳’目標(biāo)下減排任務(wù)重；另一方面，新型電力系統(tǒng)建設(shè)需要云計算、5G 等高科技支撐，算力調(diào)度在提高可再生能源電力應(yīng)用比例、降低用能成本、增強(qiáng)電網(wǎng)安全等方面具有重要意義?！?

全國 PUE 要求趨嚴(yán)，數(shù)據(jù)中心溫控設(shè)備需求將不斷提升。2022 年 2 月，國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)通知，同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏等 8 地啟動建設(shè)國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃了 10 個國家數(shù)據(jù)中心集群。按照全國一體化數(shù)據(jù)中心建設(shè)要求，東部數(shù)據(jù)中心集群平均 PUE 值小于 1.25，西部則小于 1.2，同時數(shù)據(jù)中心平均上架率不低于 65%。

2022 年8 月 22 日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委、財政部等 7 部門聯(lián)合印發(fā)《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動計劃（2022-2025 年）》，要求到 2025 年，全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心電能利用效率（PUE）降到 1.3 以下，改建核心機(jī)房 PUE 降到 1.5 以下。2023 年 11月，北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局發(fā)布關(guān)于征求《數(shù)據(jù)中心能源效率限額》北京市地方標(biāo)準(zhǔn)意見的通知。

要求已建成并穩(wěn)定運行一個自然年以上以及改擴(kuò)建的數(shù)據(jù)中心，其 PUE 值應(yīng)符合1.3 限定值的要求；新建的數(shù)據(jù)中心，其 PUE 值應(yīng)符合 1.2 準(zhǔn)入值的要求；數(shù)據(jù)中心管理者應(yīng)通過節(jié)能技術(shù)改造和加強(qiáng)節(jié)能管理，使數(shù)據(jù)中心 PUE 值達(dá)到 1.15 先進(jìn)值的要求（標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)據(jù)中心中電子信息設(shè)備機(jī)房使用面積 3000 ㎡及以上或電子信息設(shè)備裝機(jī)總額定功率 5000kW 及以上的數(shù)據(jù)中心能源效率的計算、控制和考核）。

數(shù)據(jù)中心耗電量的不斷攀升使得節(jié)能降耗迫在眉睫，同時各省份低 PUE 政策也對數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備提出了更高的要求，推動了數(shù)據(jù)中心溫控設(shè)備需求的提升和產(chǎn)品的不斷進(jìn)步。

2023 年 6 月 5 日，國內(nèi)三大運營商聯(lián)合發(fā)布《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》。白皮書提出，當(dāng)前新型應(yīng)用日新月異，AI、智算紛紛提前布局，高密、高算力等多樣性算力基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)發(fā)展。計算型節(jié)點、AI 訓(xùn)練、超算等高算力業(yè)務(wù)需求持續(xù)推升芯片性能、功率與服務(wù)器功率不斷提高，液冷技術(shù)利用液體較高的比熱容和換熱能力可以支撐更高功率散熱，正在逐步成為新型制冷需求。

根據(jù)《白皮書》規(guī)劃，2023 年三大運營商開展技術(shù)驗證，充分驗證液冷技術(shù)性能，降低 PUE，儲備規(guī)劃、建設(shè)與維護(hù)等技術(shù)能力。2024 年開展規(guī)模測試，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)成熟，降低全生命周期成本，新建項目 10%規(guī)模試點液冷技術(shù)。2025 年開展規(guī)模應(yīng)用，共同推進(jìn)形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、生態(tài)完善、成本最優(yōu)、規(guī)模應(yīng)用的高質(zhì)量發(fā)展格局，2025 年及以后 50%以上項目規(guī)模應(yīng)用液冷技術(shù)。

2.AI 行業(yè)發(fā)展帶來芯片功耗與機(jī)柜密度不斷增加，液冷散熱勢在必行

AI 行業(yè)快速發(fā)展加速液冷時代來臨。從芯片端看，高算力應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)，AI 芯片迭代加速，芯片功耗逐代提升。Intel、ADM 等主要 CPU 芯片制造商持續(xù)提高芯片的散熱設(shè)計功耗 TDP，主流系列處理器功耗已達(dá) 350-400 TDP/W。NVIDIA 的 H100 GPU 最大功耗可達(dá) 700W，B200 性能升級算力較 H100 提升 6 倍，功耗亦有較大幅度提升。預(yù)計未來在后摩爾定律時代下，芯片算力與功耗仍將大幅提升。

從機(jī)柜端看，根據(jù)科智咨詢《中國液冷數(shù)據(jù)中心市場深度研究報告》，數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率密度將持續(xù)上升，6-8kW 及 8kW 以上單機(jī)柜功率密度將成為目前新建數(shù)據(jù)中心的主流選擇；存量數(shù)據(jù)中心為提升市場競爭力也會通過升級改造提高單機(jī)柜 IT 負(fù)載，預(yù)計到 2025年單機(jī)柜功率密度將向 20kW 演進(jìn)。AI 行業(yè)快速發(fā)展有望加速這一演進(jìn)進(jìn)程。

根據(jù) UptimeInstitute 發(fā)布的《2022 年全球數(shù)據(jù)中心調(diào)查報告》，以英偉達(dá) DGX A100 服務(wù)器為例，其額定功率為 4KW，單機(jī)最大功率為 6.5KW，一個標(biāo)準(zhǔn)的 42U 高度的機(jī)柜大約可以放置 5個 5U 高度的 AI 服務(wù)器，單機(jī)柜總功率超過 20KW。

目前數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的制冷方式主要有風(fēng)冷和液冷兩種方式。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的散熱方式為風(fēng)冷，即使用空氣作為冷媒，對服務(wù)器的發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量的技術(shù)。傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)散熱的上限一般為單機(jī)柜 20kw。

伴隨高密應(yīng)用場景增加以及 IT 部署密度提升，數(shù)據(jù)中心需要采用更加高效的散熱方式，液冷通過用高比熱容的液體取代空氣作為熱量傳輸?shù)拿浇?，直接或間接接觸發(fā)熱器件，散熱效率高，能夠最大程度滿足數(shù)據(jù)中心高效散熱需求。