降低PUE！從OCPChinaDay 2021大會看未來數據中心發(fā)展方向

張紫達

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

PUE基本概念

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

PUE的基準值就是2，這個數值越接近1表示能效比越好。PUE是2有多夸張呢，這意味著這個數據中心有一半的電費沒有花在IT設備（產出）上面，這一半的電費花費在了這套系統(tǒng)運維方面，可以說這個數據中心是非常不節(jié)能的。

現實嚴峻的挑戰(zhàn)

6月11日，上海市經信委印發(fā)《上海市互聯(lián)網數據中心建設導則(2019)》，提出“嚴禁上海市中環(huán)以內區(qū)域新建IDC(數據中心)”，“單項目規(guī)模應控制在3000至5000個機架，平均機架設計功率不低于6kW，機架設計總功率不小于18000kW?！钡葮藴?。

2019年4月，深圳印發(fā)了《深圳市發(fā)展和改革委員會關于數據中心節(jié)能審查有關事項的通知》。相比其他城市限制為主，深圳市更側重于改造現有數據中心，對出于不同PUE(能源使用效率評價值，數值越低越說明“數據中心”用于計算的能源使用率越高)階段的數據中心，給予不同的政策支持，例如對PUE值為1.3-1.35(含1.3)的數據中心，新增能源消費可給予實際替代量20%及以下的支持;對PUE值低于1.25的數據中心，新增能源消費可給予實際替代量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建互聯(lián)網數據服務、信息處理和存儲支持服務中的數據中心(PUE值在1.4以下的云計算數據中心除外)，中心城區(qū)全面禁止新建和擴建數據中心。

應該說，現在政府已經把數據中心作為高能耗的重點對象來看待了，隨著數據中心小、中型合并到大型數據中心中，數據中心的單個體量也越來越大，總的來說，單個數據中心消耗的能源是在增長的，降低PUE指標刻不容緩。

核心：改變制冷

IT服務器我們無法改變它的能源效率，電力、消防也差不多。數據中心除了服務器，還有另一個能源消耗大戶——制冷系統(tǒng)。十多年前數據中心普遍采用風冷的制冷方式，伴隨著時間的演變，現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。從以前數據中心PUE1.8，下降到現在最新的數據中心PUE1.2左右。這意味著如果整個數據中心消耗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。當然這種計算方式是不科學的，因為數據中心總的耗電量會是個變量，但是這個計算間接地說明了PUE能為企業(yè)減少多少支出。

現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)液體介質經過裝配到電子部件的冷板進行散熱。液體不與電子設備直接接觸。盡管非電介質液體（例如水/乙二醇）通常用于直抵芯片冷卻，但是電介質電子氟化液也可用于直抵芯片應用，減輕泄漏相關風險，提高硬件/IT設備可靠性?？梢允褂脝蜗嗪蛢上嗉夹g實現直抵芯片冷卻。

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，指數級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液體中，該容器密封但易于操作。在該容器內，熱量從電子部件傳遞到液體中，并引起液體沸騰產生蒸汽。蒸汽在容器內的熱交換器（冷凝器）上冷凝，將熱量傳遞給在數據中心中循環(huán)流動的設施冷卻水。

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

與傳統(tǒng)空氣冷卻相比，使用氟化液進行浸沒式液冷具有提升熱效率（即PUE更低）、數據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雜的氣流管理。經過優(yōu)化的浸沒式液冷數據中心可以減少投資和運營支出，縮短施工時間，降低施工復雜度。浸沒式液冷提高了計算密度，可以實現更為靈活的數據中心布局，清除場地成本較高或區(qū)域空間受限等數據中心選址障礙。最后，使用氟化液進行浸沒式液冷可以消除對冷水機組（帶節(jié)水器）和空氣冷卻中所用復雜控件的需求，從而有助于消除用因水、能效和成本而導致的性能受限。相反，通過利用多種氣候下的自然水溫實現全天候冷卻，同時無需蒸發(fā)設施，這就有助于消除冷卻數據中心的用水需求。

總的來說，未來最有潛力的制冷方式是液冷制冷方式，它可以適應多種氣候、地貌、海拔的環(huán)境，可以利用此技術將數據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，我們可以預測未來清潔能源發(fā)電（不包括核電）的成本會比火電成本高，這筆費用最終會轉嫁到用戶身上——我們的電費可能會因此上漲，工業(yè)用電電費更是如此。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步，我們對于能源的控制會越來越精確，我相信這會讓人類的步伐邁得更遠。

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