UDC海底液冷数据中心发展前景分析

海底数据中心通过将服务器安放在海底的密封舱中,该系统以海洋作为自然冷源,省电、省水、省地、高安全、高可靠、快速部署的特点。

1、数据中心发展分析

1.数据中心持续发展驱动力

1）互联网经济驱动

十几年前,互联网经济获得快速发展,国外网站如亚马逊、Ebay易趣等,国内网站如京东、淘宝等,各类大型网上购物商城迅速崛起,逐渐被越来越的人所认可。网购走进了千家万户,作为互联网经济基础支撑的数据中心迎来了一波建设热潮。

2）数字经济发展驱动

这些年科技的更新迭代更加迅速,人工智能、5G、智能机器人、智慧城市、智慧社区的推广,抖音、快手等短视频应用的火爆,并且下一代科技的代表,数字货币、区块链、元宇宙、chatgpt陆续问世,数字经济得以蓬勃发展,在数字经济发展的背后,算力需求激增,数据中心作为数字经济的重要基础支撑,再次站在了快速发展的风口上。

3）新基建驱动

2020年4月20日,国家发改委正式定义“新基建”概念,其中信息基础设施部分,数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施赫然在列。

4）“双碳”驱动

2020年9月22日,习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话,首次提出“碳中和”“碳达峰”概念,随后在近30多次重要讲话中反复强调,“双碳”成为目前国内各行各业发展的重要背景。

5）国家战略规划驱动

2021年5月,国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局共同发布《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》,提出实施“东数西算”工程,在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等地建设全国一体化算力网络国家枢纽节点,并规划了10个国家数据中心集群。

2.行业发展面临的困局

数据中心的发展符合市场经济发展需求,符合国家政策导向,是大势所趋。但是,数据中心的发展却面临以下一些困局:

1)占地限制:随着数据中心建设的数量越来越多,数据中心占地使用面积越来越大,可供数据中心有效使用土地越来越少,尤其是北京、上海、广州、深圳等一线城市,数据中心的土地审批越来越严格,而在数据中心需求持续旺盛的市场条件下,经常出现供不应求的情况。因此,占地的限制成为制约数据中心持续发展的因素之一。

2)电能耗限制:在“双碳”背景下,数据中心这个耗能大户的电能耗首当其冲,国家部门以及各地政府纷纷陆续出台了限制能耗指标PUE的政策,对市电的审批也越来越严格。因此,电能耗的限制成为制约数据中心持续发展的因素之一。

3)水能耗限制:数据中心的运行离不开水,无论是大型还是中小型数据中心,其建设和日常运维均离不开水,有些地区在数据中心选址时,常常因为用水的限制而被迫放弃。因此,水能耗的限制同样成为制约数据中心持续发展的因素之一。

4)战略安全:截至2022年底,我国在用数据中心机架数量约680万架,近5年年均复合增速超过30%。一旦发生战事,这些数据中心将成为首要攻击目标。即使平时,数据中心也常会受到火灾威胁。业务连续性是数据中心的首要原则,灾难预防和应对是数据中心每分每秒的“必修课”。2021年3月,美国国防部与微软签署一项关于集成视觉现实增强系统的合同,出于国家安全考虑,该设备相关云计算数据中心将建在海底。

5)算力需求和可再生能源国的区域分布不平衡:数据中心高度集中在东部沿海发达地区,而东部发达地区缺乏传统能源。

3.破局思路

1)由陆向海:全球陆地与海洋总体分布特点是:三分陆地,七分海洋,广阔的海底是解决数据中心占地限制的不二之选。

2)采用高效、节能新技术:将液冷、自然冷、海底数据中心等高效、节能的新技术统一应用起来,降低电能耗。并在海底数据中心发展新能源技术,利用潮汐储存的能量发电,减少发电厂电力使用。这样可以最大限度解决电能耗限制问题。

3)向海而兴:把数据中心建在海底或湖底是一个突破,海底数据中心由于无需蒸发散热,所以不消耗淡水,从根本上解决了水耗问题。

4)战略备份:当前,我国海底数据中心建设已经进入商用阶段,其安全稳定性比陆地数据中心高8倍,利用海水降温,不仅节约能源，而且免去火灾困扰，特别是海洋具有天然遮蔽作用，卫星、雷达等无法探测。因此，为保护我国具有国家战略和安全级别的数据中心，建议逐步向海底区域进行备份(迁移)。

5)破除区域限制:解决思路一,即国家战略“东数西算”,将东部需求旺盛的算力需求,放到西部的数据中心进行运算,解决了数据中心区域分布不平衡问题。解决思路二,向海底找资源,即在东部近海建设海底数据中心,可就地解决算力需求,缓解区域分布不平衡带来的算力需求压力。

2.液冷技术发展

随着芯片的密度提升,服务器功率密度越来越高,在狭小空间内,电子元器件集中密布、局部热点过多,传统的风冷已无法满足其散热需求。为了解决高密度服务器的散热量问题方面,国内外开始了液冷技术的研发,并成为了解决高密度服务器的最佳解决方案。

液冷技术颠覆了传统的制冷方式,突破了风冷技术的冷却极限,将服务器芯片、主板在内的所有计算部件通过液态冷媒,将部件产生的热量通过相变换热的方式转移出设备。利用了液体比空气具备更高效的导热效率这一特征,使用液体取代空气作为冷媒,将IT服务器发热部件的热量传导到冷源侧。其系统原理详见图1。

根据液体的冷却介质和发热源的接触方式,分为直接冷却液冷产品、间接冷却液冷产品。直接接触的液冷产品有:浸没式液冷产品、喷淋式液冷产品;间接接触的液冷产品有:冷板式液冷产品。

液冷技术具有以下特点及优势:

强冷却力:液体的体积比热容是空气的1000-3500倍，液体的导热系数是空气的20-30倍。

精确制冷:部件级制冷,保证元器件高性能、高可靠工作。

低PUE:全地域全年自然冷却,挑战PUE极限值(1.05～1.2)。

低噪音:无压缩机,无(或低)风扇,噪音可低至50dB。

高密度:单机柜功率密度极大提升,节省空间50%-80%。

低初投资:高密度机柜使用液冷可极大的节省风冷设备的投资,经过测算,液冷系统初投资比风冷系统还要低。

3.UDC海底数据中心发展

由于海洋巨大的比热容,全球变暖93%的能量都储存在海洋中,所以说海洋是地球的储热罐或者地球上最大的冷源。

来自“政眼视界”数据显示，2019年沿海14个省市区的GDP总量为59.29万亿人民币，合计占比全国的60%；人口总数为6.44亿，合计占比全国的究院的数据显示，2021年，仅东南沿海5省市GDP总量合计高达40.6万亿，占全国比重高达35.5%。数据中心依海而建，可以更好的解决经济发展问题。

海底数据中心通过将服务器安放在海底的密封舱中,该系统以海洋作为自然冷源,省电、省水、省地、高安全、高可靠、快速部署的特点。该系统运行PUE低于1.1,处于数据中心行业领先水平,较传统数据中心节能30%以上;数据舱安放于海底,土地占用极小;自然及技术条件优越,抗火灾、水灾与极端天气;服务器故障率仅为传统数据中心的八分之一,引领熄灯式数据中心发展趋势;工业化生产，模块化部署，最快可90天内完成从工厂安装、调试到实际运行。该系统适用于超算、云服务、灾备等各类应用场景。

2014年微软首次提出了水下数据中心概念。2018年,微软首次把部署了装有864台服务器的12个服务器机架的数据舱沉入苏格兰北部海底。

2020年9月份，微软将沉入海底经过两年试运行的数据中心从海床上捞了回来，研究人员对其进行了评估，得出的第一个结论就是：水下数据中心的服务器故障率比传统数据中心更低。

同样,我国也在海底数据中心领域取得重大成果,其解决方案相比微软方案,更是解决了高海水温度海域的海水自然冷却难题。

国内开发的海底数据中心,由岸站、海底光电复合缆、海底分电站及海底数据舱组成。主体结构为罐体结构,电气设备、冷却系统均布置在罐体内部,罐体顶部为海水冷却系统,详见图2和图3所示。

2020年11月,UDC攻关团队设计的第一个原型样机,如期在珠海完成第一次小试。三个月的实验数据显示,单舱能耗指标PUE值仅为1.076。UDC海底数据中心特点及优势:

低能耗:海水冷却,无压缩机运行,单舱PUE低于1.1,有效降低能耗;

低成本(省钱):20MW的典型规模情况下,海底数据中心TCO(十年)成本对比陆上传统IDC有30%以上优势;

省资源(省地、省水):岸站占地极少,只有三分之一;没有冷却塔,节约大量的水资源(200立方米/机柜.年,典型规模年省水60万立方米);

低时延:距离一线城市<100KM,满足一线城市网络高速需求;

高可靠性:服务器故障率仅为陆上数据中心的1/8(罐体内为惰性气体);

高安全性:数据物理安全,恒湿、恒压;无氧、无尘、无人鼠侵犯;

模块化生产,敏捷部署:全预制,90天内完成从工厂安装、调试到实际运行;

多能互补:可利用海上风能、太阳能、波浪能和潮汐能等可再生能源。

4.UDC海底数据中心和液冷技术对比分析

1.原理技术分析

1)二次侧:UDC海底数据中心二次侧为舱体+机柜,通过舱内风扇将服务器的热量带到舱内空调蒸发器上,最终将热量带至舱外。液冷的二次侧为冷板或浸没组件,通过分液单元将服务器热量带到液冷换热单元CDU上,最终将热量带至室外。可以看出,UDC海底数据中心和液冷在一次侧原理上基本一致,不同的是海底数据中心的二次侧部分跟服务器是通过风扇进行热交换,液冷的二次侧部分跟服务器通过液体冷媒进行热交换。见UDC系统原理图、液冷系统原理图。

2)一次侧:UDC海底数据中心一次侧是通过蒸发器将舱内热量带出舱外,在冷凝器端与海水进行热交换,将热量散发至海水中。液冷的一次侧是通过液冷换热单元CDU换热,将液冷服务器热量通过冷却塔散发到室外空气中。可以看出,UDC海底数据中心和液冷在一次侧原理上基本一致,不同的是海底数据中心最终跟舱外海水进行热交换,液冷最终跟室外空气进行热交换。见UDC系统原理图、液冷系统原理图。

2.求同存异,共同发展之路

UDC海底数据中心和液冷在特点和优势上有很多相似之处:

1）液体散热。均运用了液体导热能力强的原理,实现了全天自然冷却,实现低PUE值。

2）投资优化。均节省风冷系统的投资,实现投资较传统机房更低。

3）可靠性高。均运用了液体散热,提高了服务器的稳定性。

4）模块化部署。均采用了模块化设计,从生产到部署缩短了建设周期。

5.UDC海底液冷数据中心展望

1.海洋资源

海洋内存储了约13亿立方米的海水,包含了地球上97%的水资源,其能源储量也非常丰富。全球一半的人口生活在海岸线100公里以内的区域,而其他大多数人口也十分靠近湖泊、河流或沼泽。

海水热容,使一定体积海水的温度升高(降低)1℃时吸收(放出)的热量。

约为同体积空气热容的3100倍。1立方千米的海水温度降低1℃所释放的热量,可使约3100立方千米的空气温度升高1℃,所以,海洋具有巨大的热容。

“十四五”期间,我国规划出台的海上风电发展规划规模已达80G瓦,相当于5个三峡大坝发电量。到2030年,全球海上风电装机容量将达到316GW。

2.UDC海底数据中心即液冷2.0

从上述技术分析来看,可以将UDC海底数据中心的舱体看作一款整体交付的产品,其利用液体散热的制冷技术原理跟冷板、浸没、喷淋这几种液冷制冷原理高度一致,既可作为液冷技术的重要补充,也可以归纳为液冷技术的一种。

UDC海底数据中心可称之为液冷海底数据中心,它的出现进一步补充完善了液冷产品体系,对液冷的发展是一个提升。

3.两者完美结合,即UDC海底液冷数据中心

UDC海底数据中心不仅本身是一种液冷形态,而且可以跟冷板、浸没、喷淋液冷模式完美结合,将能耗降至更低。面对高功率密度业务时(比如单机柜30KW以上),UDC海底液冷数据中心可以将节能做到极致,且不消耗淡水,就地消纳廉价的海上风电等这些独特优势将更加凸显,其收获的收益会超过额外成本投入。

目前,海兰云正在商用的第一代海底数据中心数据舱模块,在靠近IT服务器的“二次侧换热”使用的是液冷背板技术,适配更高功率密度计算需求的液冷服务器,并将热量高效地传导到大海这一巨大的液冷冷源之中,充分利用了液冷的导热和容热能力,在同样体积的海底舱结构下,单舱可支持1.6MW以上功耗规模的算力资源部署,进一步发挥舱内和舱外“双液冷”散热的极致能效。

4.产业联合展望

海底液冷数据中心与海上新能源、海洋牧场、海洋监测、海洋旅游等产业协同发展,是典型的海洋经济新业态、新模式。围绕海底数据中心,可以规划构建立体用海新业态。海底是数据舱,同时可作为海洋环境监测的海底载体,深入到海洋内部观测和认识海洋,实现海底实时、原位观测,为多领域应用提供服务;海体区域可以做网箱养殖,对鱼、虾、贝、藻等海洋生物进行放养产生经济效益,还可放置观赏性海洋生物发展潜水行业；水面做旅游综合体，利用海底数据舱的余热可以为旅游活动提供需要的热源；还可以与新能源结合，比如海上风电、海上光伏等，构建一个完整全新的以海洋为载体的蓝海市场。

本文标题：UDC海底液冷数据中心发展前景分析

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