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中国液冷数据中心市场发展研究

作者:杨梽永 袁钰 来源:UPS应用 发布时间:2021-01-14 浏览:
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中国储能网讯:液冷数据中心市场巨大

液冷是指使用液体取代空气作为冷媒,为发热部件进行换热,带走热量的技术。随着数据量的爆发式增长,密集计算能力需要海量服务器来支撑,而受限于数据中心建设面积和环保规定,增加单机柜功率密度成为调和不断增长的算力需求和有限的数据中心承载能力的关键解决方案。大量数据吞吐和运算使得作为人工智能、大数据等新兴技术“大脑”的数据中心面临着前所未有的能耗和散热挑战。在此背景下,应用液冷技术和液冷服务器等设备的液冷数据中心应运而生,为数据中心的冷却提供了新的解决思路。液冷技术的高效制冷效果有效地提升了服务器的使用效率和稳定性,使数据中心单位空间能够容纳更多服务器,提高了数据中心整体运营效率。此外,液冷技术还助力了节能降噪和余热利用,创造了更多经济价值。液冷的应用前景广阔,据赛迪顾问估算,2025年中国液冷数据中心市场规模将超千亿元。

1 液冷数据中心发展背景

数据中心是指按照统一标准建设,为集中存放的具备计算能力、存储能力、信息交互能力的IT应用系统提供稳定、可靠运行环境的场所。数据中心的构成包括建筑、温控设备(室内空调和液冷设备、湿度调节设备等)、IT设备(服务器、存储系统、通信设备、网络设备,相关管理软件和应用软件)、供配电设备(UPS、HVDC、发电机、配电柜、电池和机柜配电单元等),以及其他消耗电能设备(照明设备、传感器等相关数据中心建筑管理系统)。

01、数据价值越发显著,推动

数据中心市场迅猛发展随着移动互联网、云计算、大数据的蓬勃发展,以及数字中国和大数据等国家战略的落地,经济社会运行产生的数据量将快速扩张。存储企业Seagate估算显示:2019年全球数据总量为41ZB,到2025年这一数值将达到175ZB,增长接近4倍。5G全面商用的开启,物联网设备、大数据和人工智能等新应用的落地,超高清视频和VR/AR等大流量应用的发展,以及互联网厂商和云服务商开展业务所必须的冗余服务器资源投入,将产生海量数据的存储和计算需求,从而推升数据中心建设需求。因此数据作为继劳动力、资本、土地的又一重要生产要素,其地位将越发显著,而数据中心是挖掘数据价值的引擎,市场将持续火热。

02、全球数据中心总数下降,超大型数据中心成热门

赛迪顾问研究显示,全球数据中心总量缓步下降,从2016年的45万座逐步下降到2019年的2.9万座,其中小微型数据中心数量下降显著,大型和超大型数据中心数量持续增加。与此同时,全球数据中心机架总规模不断扩大,从2016年的488.9万架增长至为495.4万架,其中超大型数据中心的机架数量增长迅速,赛迪顾问估算,2020年超大型数据中心服务器占比将升至50%以上,提供了全球65%的数据运算能力,55%的数据存储量,处理了50%的数据流量。  

截至2019年底,全球超大型数据中心数量增加到509座,是2013年初以来的三倍,其中美国超大型数据中心占比接近40.1%,中国占比10.2%,日本占比7.0%,英国、德国和澳大利亚合计占比15.0%左右。此外,仍有151座超大型数据中心正在建设或者在规划中。

03、中国数据中心数量平稳增长,区域布局渐趋合理

数据中心作为数字经济发展的重要基础设施,规模增长迅速。从全国来看,截至2019年底,全国在用数据中心规模约265.8万架,同比增长28.6%。在建数据中心规模约185.0万架,同比增长30.0%。

我国数据中心布局渐趋完善,新建数据中心,尤其是大型、超大型数据中心逐渐向中西部以及北上广深周边城市转移。北上广深等一线城市的数据中心资源增速放缓,周边地区新建数据中心快速增长。中西部地区数据中心网络、运维不断完善,业务定位逐步清晰,冷存储业务、离线计算业务批量上线,数据中心利用率不断提高。

  

  2019年中西部数据中心基础设施投资之和占全国的34.0%,呈现出与东部数据中心协同发展的新态势。

04、新基建助推中国数据中心建设,绿色化成必然趋势

2020年3月,中共中央政治局常务委员会提出了加快数据中心等新型基础设施建设的要求。新型基础设施(下文简称新基建),是指以新发展理念为引领,以技术创新为驱动,以数据为核心,以信息网络为基础,面向高质量发展需要,提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。数据中心作为基于新一代信息技术演化生成的基础设施,是算力基础设施的典型代表。在中央新基建政策的要求下,各地纷纷出台支持数据中心发展的规划举措,促进我国经济高质量发展。

05、液冷技术在高功率密度的数据中心领域优势显著

液冷技术的高效制冷效果有效提升了服务器的使用效率和稳定性。液体传导热能效果更好,是空气的25倍,温度传效果更快、更优,能够实现IT设备高效制冷。同时,由于液体的比热容大,在吸收大量的热量后自身温度不会产生明显的变化,故而能够稳定CPU温度。即使服务器遇到突发操作,运行功率激增也不会引起CPU内部温度产生大幅度升高,保障CPU在一定范围内进行超频工作不会出现过热故障。  

应用液冷技术有助于实现数据中心节能、降噪。首先,液冷数据中心与传统风冷数据中心相比,去掉了空调系统以及对应的风冷基础设施,只是增加了循环泵。能够节省建设成本。

其次,与风冷系统相比,液冷数据中心能节省约30%能源,有效降低能源消耗比,可以将PUE降到1.05,实现绿色数据中心的要求。最后,在相同散热条件下,液冷系统所使用的泵和冷却液系统与传统的空调系统相比噪声更小,可达到“静音机房”的效果。  

应用液冷技术有助于提高数据中心单位空间的服务器密度,大幅提升数据中心运算效率。液冷数据中心虽然增加了泵和冷却液系统,但是省却空调系统和相应基础设施的建设,节省了大量空间,可以容纳更多的服务器。且液冷技术冷却能力优良,足以应对高功率密度数据中心的冷却工作,因此液冷数据中心可以配置高密度的服务器,从而得到更高的运算效率。

液体冷却服务器能够无视海拔和地域等环境影响。数据中心是一个电子设备密集型的场所,影响数据中心正常运行有很多因素,其中海拔高度是很少被提及,但对数据中心影响很大的因素。海拔越高的地区,大气压或空气密度越低,导致空气介质冷却效应降低,空气散热能力下降。对于风冷数据中心,由于散热能力下降,温升增高。因此,为了保证数据中心的散热效率,空调系统的温度需要调低,造成更多能量的损耗。相比空气而言,液体比热容不受海拔与气压影响较低,因此液冷数据中心的散热效率与低海拔地区相比无差距,仍可以保持较高的散热效率,保证数据中心在高海拔地区的运行效率和性能。  

  液冷数据中心余热可以创造经济价值。数据中心IT设备在24小时内不间断运行并散发巨大的热能。若这些热量直接排放到大气中,对环境而言是一种能源浪费。液冷数据中心热量是以液体为载体,可以直接通过热交换接入楼宇采暖系统和供水系统,满足附近居民的供暖,温水供应等需求。不仅节省了能源,也为数据中心创造了附加价值。 

2 液冷技术发展概况

液冷是指使用液体取代空气作为冷媒,为发热部件进行换热,带走热量的技术。而液冷服务器是指将液体注入服务器,通过冷热交换带走服务器的散热的一种服务器。与传统风冷服务器相比,液冷服务器的热量导出方式不同。  

一般来说,行业将液冷分为直接冷却和间接冷却。目前直接冷却以浸没式液冷技术为主,又可分为相变和非相变2种。间接冷却以冷板式液冷技术为主。

01、液冷技术路线详解

浸没式液冷技术是一种以液体作为传热介质,发热器件浸没于液体中,通过直接接触进行热交换的冷却技术。整个浸没式液冷系统可分为两部分:室内侧循环和室外侧循环。以相变浸没式液冷为例,详细运行方式详见浸没式液冷技术原理图。

在室内侧循环过程中,冷却液在密闭腔体中与发热器件进行热交换,冷却液吸收发热器件热量升温、沸腾形成冷却液气体。冷却液气体在液冷换热模块(CDM)中与室外侧低温水进行热交换,经过冷凝和降温两个过程成为低温冷却液,重新输入到密闭腔体中,形成循环。相变浸没式液冷室内侧循环中热量转移主要是通过冷却液的相变实现的。

在室外侧循环中,低温水在液冷换热模块中吸收气态冷却液携带的大量热量变为高温水,由循环水泵输入到室外冷却塔。在冷却塔中,高温水与大气进行热交换,释放热量,变成低温水再由室外侧进水泵输送进CDM中与气态冷却液进行热交换,完成室外侧循环。在室外侧循环中热量转移主要是通过水温的升降实现的。  

冷板式液冷技术是铜、铝等导热性较好的金属构成的冷板散热器将发热元器件的热量传导给散热器中的冷却液体,将热量带走的冷却方式。整个冷板式液冷系统可分为两部分:一次侧循环(室外)和二次侧循环(室内)。

室内侧循环中,冷却液经由循环泵输入服务器中冷板式散热器中。散热器中的冷却液通过热交换,吸收由冷板传导过来的发热器件产生的热量,变成高温冷却液。高温冷却液被输送到冷却模块中,与室外侧的冷水进行热交换,将热量传递给室外侧的低温水,从而变成低温冷却液再次被循环泵输送到服务器冷板散热器中,形成循环。在二次侧循环中热量转移主要是通过冷却液温度的升降实现的。

  室外侧循环中,低温水在冷却模块中吸收冷却液携带热量的升温形成高温水,被水泵输送到室外冷却塔中。高温水在冷却塔中与大气进行热交换,释放吸收的热量,形成低温水。低温水再次被水泵输送进冷却模块中与冷却液进行热交换,形成室外侧循环。在一次侧循环中热量转移主要是通过水温的升降实现的。

  根据本次研究对数据中心相关企业的调研结果,相比传统风冷,冷板式、浸没非相变和浸没相变冷却效果更好。除了初期投入成本和承重要求外,液冷表现均优于传统风冷。

02、液冷数据中心典型应用

中科曙光硅立方液体相变冷却计算机。硅立方液体相变冷却计算机突破了传统的冷却方式,采用浸没式相变液冷,将服务器芯片、主板在内的所有计算部件浸没于液态冷媒中,实现了高效散热,同时硅立方一个机柜功率密度可达到160kW,是传统风冷数据中心的4~5倍,能效比提升了30%,PUE值低至1.04,截至2020年12月,硅立方已在北京、南京、山西、甘肃、合肥等多地建设应用,促进了区域的科技研发、产业集聚、转型升级与创新发展。  

  阿里巴巴浙江云计算仁和数据中心。该数据中心位于余杭钱江经济开发区,作为全中国首座绿色等级达5A的液冷数据中心,仁和液冷数据中心采用了服务器全浸没液冷等多项节能技术进行规划设计与建造,PUE值低至1.09,也印证了仁和液冷数据中心领先的能效及绿色节能水平。阿里巴巴浙江云计算仁和数据中心的落成,不仅为杭州市经济发展提供强大的动力,也将为液冷技术的发展和应用积累宝贵经验。马来西亚气象局液冷系统。马来西亚气象局数据中心为更好地捕捉局部强对流天气,三维播报共增加了27倍算力需求。在传统的风冷不能满足的情况下,该数据中心配置了联想的冷板式液冷设备,水被送入服务器冷板,在组件周围循环,然后吸收热量离开冷板,进入冷源实现冷却。据测算,马来西亚气象局应用液冷系统后,散热效果高达90%,有力地支持了气象预测的精度提升。

03、液冷数据中心引发技术变革

液冷技术改变数据中心的设计。由于液冷技术采用冷却液和工作流体对发热设备和器件进行降温,因此无需数据中心机房中的制冷冷机和末端空调,也无需服务器风扇,利用液体代替空气,提高了散热效率。  

  液冷技术改变数据中心的选址。通过对中国液冷数据中心相关企业和专家的走访调研,本研究得出结论,中国数据中心传统风冷和新兴液冷的温控方式将长期并存,并且由于液冷不必为PUE和运营成本而优选寒冷气象区,可完全跟随业务需求新建或者改扩建,发展潜力更大。  

  液冷技术改变数据中心的建设。在业务需求相同的情况下,新建数据中心由于限制最少和政策支持,最适宜应用液冷方案。扩建数据中心需要选定适当比例的空间兼容液冷,提升整体运行效率。改建数据中心则需根据机房楼板承重,视实际情况进行机房的加固,为液冷留出适度裕量。  

  液冷技术改变数据中心的交付。液冷数据中心的交付要充分考虑设备冷却液的品质:除了传热效率等液体性质的评估要达标,还需要符合我国相关消防规范及地方标准,以及设备需采用PTFE或其他抗腐蚀性更强的材料,对于管道、线材、电源模块、阀件等密封材料与冷却液的兼容性有较高要求。  

  液冷技术改变数据中心的运维。液冷数据中心的运维周期一般为传统数据中心的3到5倍,并且去除了风扇的噪声,工作环境对运维人员更为友好。

04、中国液冷数据中心发展特点

可靠性增强,中国液冷数据中心普及速度加快。近年来,绿色逐渐成为数据中心建设的主题。数据中心的能耗要求越来越严格,而液冷技术能有效降低数据中心PUE,因此液冷数据中心迎来发展风口。目前液冷数据中心发展的最大争议就是其可靠性,诸如电子器件长时间浸没在浸没液里是否会出现腐蚀情况,是否会影响器件功能和使用寿命,液冷管道的安全性如何保证等。从目前液冷领域的技术进展和应用普及情况来看,数据中心的电子器件的材料与冷却液兼容性会更优良,功能性会大大增强,使用寿命也会延长。得益于此,中国液冷数据中心加快普及,在提升能效方面贡献更多力量。  

  生态系统完善,中国液冷数据中心向高效率演变。液冷数据中心并不是一套简单的设备,而是全备的产业生态。随着一系列液冷设备及其配套产品的迭代发展,液冷生态系统将逐步完善。不仅如此,作为液冷生态系统运行的主要保障,监控与运维设备也在不断发展。AI技术的融入将加快智能运维取代人力运维的进程,从而实现对复杂的液冷生态系统进行全面监控,对故障进行准确的把控,提高数据中心运行和运维效率。  

  风液融合成为新趋势,中国液冷数据中心赋能各行业发展。未来数据中心温控市场将出现“风冷+液冷”融合发展的新格局。风冷技术不会被液冷完全取代,而是针对客户的不同需求,选择不同的数据中心制冷方案。对于部署了较低单机柜功率的数据中心,客户依然会选择风冷的制冷方式。而针对超算、能源勘测等高密度大规模计算需求,综合考虑成本因素,灵活地选择冷板和浸没的混合液冷和部分功耗大的部件和设备改用液冷的解决方案也将成

为热门。总而言之,液冷将与风冷配合,助力行业发展。

3、 中国液冷数据中心市场研究

01、中国液冷数据中心市场整体规模

本研究中,液冷数据中心市场规模的测算思路是对传统市场进行替代,包括风冷的机房空调市场、服务器市场以及数据中心基础设施(机柜、CDU、冷却塔等)市场,并通过对企业负责人和专家调研,得到液冷数据中心市场的替代比例和增长速度。传统市场数据来源为赛迪顾问历年年度市场报告,液冷的替代比例及增长速度是2020年10月对华为、阿里巴巴和中科曙光等中国液冷数据中心主流厂商,以及部委直属科研单位的液冷专家调研结果总结。  

  一种测算方式是将调研得来的液冷数据中心的替代比例加权平均,乘以历年传统市场规模预测值。另一种测算方式是先由2019年中国传统市场规模的替代得到当年中国液冷数据中心市场规模的初始值。从2019年到2025年,上述2种测算方式得到的结果如图所示。

02、干冷板式和浸没式液冷

数据中心规模本研究对干冷板式和浸没式液冷数据中心供应商进行了调研,基于调研结果对未来5年中国两类液冷数据中心发展趋势进行分析,得出的结论如下:保守来看,2025年中国冷板式液冷数据中心市场规模将达到757.1亿元,浸没式为526.1亿元;乐观来看,2025年中国冷板式液冷数据中心市场规模将达到784.9亿元,浸没式为545.4亿元;浸没式液冷数据中心凭借其优良的制冷效果,市场份额增速较快。

  

本次研究调研了互联网、金融、电信、能源、生物、医疗和政府部门等液冷数据中心应用前景较好的行业,通过与业务负责人的交流,得到上述行业对液冷未来应用结构的观点。调研结果显示,2019年液冷数据中心主要应用在以超算为代表的应用当中,随着互联网、金融和电信行业业务量的快速增长,上述行业对数据中心液冷的需求量将会持续加大。预计2025年互联网行业液冷数据中心占比将达到24.0%,金融行业将达到25.0%,电信行业将达到23.0%。而能源、生物、医疗和政务等将行业需求将加快融入通用数据中心新业态,整体上规模有所下降。预计2025年能源行业液冷数据中心占比将达到10.5%,金融行业将达到8.5%,电信行业将达到6.5%,以政务为代表的其他业务将下降至2.5%。  

本研究中对中国主要的液冷数据中心厂商进行研究,通过对其在2020年液冷数据中心产品营收、类型、销量、市场占有率、客户反馈等市场地位维度,以及技术专利、标准制定、创新人才、潜在客户等发展能力维度的综合考量,得到竞争力矩阵图。  

其中中科曙光、华为、阿里和联想位于中国液冷数据中心市场领导者位置,广东合一、浪潮位于挑战者位置,戴尔中国、维谛技术和英维克位于跟随者位置,IBM中国位于可期待者位置。

  

4 中国液冷数据中心市场发展建议

01、加快多技术融合,持续壮大液冷数据中心市场

液冷数据中心的发展不仅会纵向渗透到不同行业,也会横向与人工智能、边缘计算和5G其他技术相结合,支持其他技术落地的同时,也在实际应用中取得更好的发展。如边缘计算应用液冷后,不会像传统风冷一样占据空间,能够在更小空间提供更多计算能力,同时边缘计算场景也加快了液冷数据中心向高密度部署和模块化交付的升级。因此应当积极推动液冷与新兴技术的碰撞,实现算力的更高效率、设备的更高功率和解决更多散热难题。

02、制定完善行业标准,规范液冷数据中心市场发展

行业标准的缺失极大地限制了液冷数据中心的发展。尽管近年来部分企业和协会推出了部分液冷细分领域标准,但是液冷产品的质量和规格仍然参差不齐,液冷厂商处于各位为战的状态。因此,需要制定科学且完备液冷行业标准,对发热设备和器件、冷却液体、液冷设备及运维等各个方面进行统一的要求,以此提高行业共识度,促进厂商之间的技术交流和对话,规范液冷市场健康发展。

03、重视余热利用,提高液冷数据中心利用效率

液冷数据中心对于冷却液的循环控制使得余热的高效利用成为可能。数据中心IT设备的运转产生了大量的热,而为了处理这些热量,冷却系统需要利用室外冷源实现热量的传递,一定程度上构成了资源的冗余和浪费。传统数据中心对于余热的利用效率不高,液冷数据中心架构上设置了冷却液回流机制,利用该机制可以实现对供暖等生产生活用水的加热,大大提升数据中心的使用效率,提高营收水平。另外,余热利用在PUE计算中减少了制冷系统的散热负荷,能够有效降低PUE值。因此液冷行业应当重视余热的利用,实现效益和能耗的“双赢”。

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