資料中心冷卻：能源效率的重要問題
背景
在這個數位化的時代，每一次的點選、滑動或串流都存取到一個全新的訊息宇宙。資料中心是這個驅動力的所在，這些神祕的設施承載了企業巨頭提供服務所需的所有基礎設施，它們是我們網路生活中默默無聞的英雄，以出色的效能讓我們盡情遊玩、自由購物和隨心所欲地下訂單（等等）。
然而在這些令人印象深刻的處理能力和時尚外觀的背後，存在著一個鮮為人知的現象：資料中心是貪婪的能源巨獸。根據國際能源署（IEA）的資料，資料中心佔全球能源消費量的 1.5-2％，幾乎與航空業相當，其能源消耗量可能是相同規模商業辦公建築的 50 倍。更重要的是，這種能源消耗並沒有減緩的趨勢。當前全球有超過 9000 個資料中心（大部分位於美國），而且其規模還在不斷擴大，以滿足數位時代日益增長的計算需求。根據預測，到 2030 年，資料中心的能源需求將升至總能源消耗的 8％，這可能對我們的地球造成麻煩，除非在這些設施的設計和運營中進行適當的改善。
資料中心的冷卻問題
資料中心的規模大小不一，從小型的 100 平方英尺中心到佔地 400,000 平方英尺、擁有數千個機櫃的大型設施不等。但是在核心層，它們都由伺服器和 IT 裝置驅動，包括中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、儲存和網路裝置。這些元件連同輔助系統一起執行，以確保持續交付資料和服務，卻同時消耗著能源。
然而事實是與所有電子裝置一樣，資料中心中使用的伺服器和 IT 裝置在執行時也會產生大量熱量，並需要進行冷卻，這進一步增加了資料中心的功耗和營運成本。Schneider Electric 的安全電源部門高級副總裁潘卡吉·謝爾瑪（Pankaj Sharma）告訴 VentureBeat：“傳統的方法是透過向伺服器提供冷空氣來排出熱量。要創造足夠的冷空氣，就需要能源。因此問題在於系統需要多少能源來創造散熱所需的冷空氣。非常關鍵的資料中心的冷卻系統可能佔用整個資料中心能源使用的 40％。所以，如果一個高計算能力的資料中心需要 100 個單位的能量執行，冷卻系統的能耗可能接近 40 個單位，這絕不是最好的情況。”
儘管地點（在相對寒冷的地區建造設施）和管理供應（根據需求使用冷卻系統）等因素可以在一定程度上減少冷卻需求，但現實是，傳統的加熱通風和空調（HVAC）系統，包括空氣處理器、冷凍機等，正在逐步達到其演進過程的極限。空氣冷卻的物理原理非常耗能，這些系統只能在一定程度上應對人工智慧（AI）和其他現代應用所需的不斷增長的伺服器密度。
簡而言之，如果針對高效能計算和其他下一代工作負載進行最佳化的 CPU 和 GPU 數量增加，熱量將增加，冷卻系統的能源足跡也會隨之增加。能源足跡可達到每個伺服器機架 50、60 甚至 70 千瓦。當前資料中心通常使用 10-15 千瓦，而且這還是在極端環境中使用的資料中心。
Purdue University 機械工程系的助理教授韋條韋（Tiwei Wei）告訴 VentureBeat：“其他冷卻方法，如基於水的冷卻系統，可能需要消耗大量水量，每年達數百億加侖。這可能對當地的水資源產生壓力，尤其是在水資源匱乏的地區。”他還提到：“此外還有環境影響的問題。冷卻所使用的能源（透過空調系統）對資料中心的操作性 CO2 排放和氣候變化等環境問題有一定的影響。”
在高計算場景中實現冷卻的能源效率
要實現在高計算場景中的冷卻能源效率，如生成式 AI 訓練等方面，組織需要在資料中心的設計、技術和管理方面持續進行系統性的三重工作。
在設計方面，重點應該是在建造設施時將自然通風與機械冷卻系統相結合，同時防止外部熱量進入。這種被稱為被動冷卻的方法可以包括多種措施，例如良好的隔熱設計、使用吸熱屋頂材料以及利用遮蔽物和微風。當自然通風設計好後，就可以考慮技術方面的問題。在這方面，與 HVAC 系統合作的團隊可以探索“液體冷卻”作為一種選擇。
LiquidStack 的執行長喬·卡普斯（Joe Capes）告訴 VentureBeat:“液體冷卻的散熱能力是空氣冷卻的 3000 倍。綜合考慮資料中心效能，透過浸沒式液體冷卻可以處理更高的計算密度，同時降低 50％的能源消耗量、61％的資料中心建築面積和 32％的土地使用，而且完全不使用水。”LiquidStack 公司使用一種所謂的“開放浴缸”系統，將伺服器浸沒在一個充滿電介質液體的槽中進行冷卻。當前液體冷卻還沒有像空氣冷卻一樣得到廣泛應用，但它被認為是一種有前途的解決方案。美國能源部已經在其 4,000 萬美元的資助計劃中資助了多種液體冷卻技術，旨在加速開發能夠減少資料中心冷卻能源足跡的解決方案。
與 D.O.E 計劃下的 JetCool 等供應商一起工作的技術團隊正在開發直接整合在晶片上的微交換式液體冷卻技術。該技術使用微噴流精確地擊中晶片上的熱點。與將流體流過表面的散熱器或冷板不同，該方法將流體直接打到表面，最大程度地提高了熱量的提取效果，實現了增強的熱效能以節省能源。
JetCool 公司的創始人兼執行長柏尼·馬盧安（Bernie Malouin）告訴 VentureBeat:“我們的散熱冷板已安裝在聯邦實驗室，使用 65°C 以上的冷卻劑，不再使用蒸發冷卻器，每年節約了 90％的用水量。”他還提到：“我們的獨立冷卻系統已經在金融機構部署，將晶片的溫度降低了 30％，同時節能 14％。這些獨立冷卻解決方案還被部署在金融機構中，用於冷卻下一代晶片，在 35°C 以上的環境中工作。”值得注意的是，Purdue University 的韋條韋也在研究相同的領域，他們提出了一種在晶片級別上的兩相浸潤噴擊冷卻解決方案，可以顯著改善散熱效能，同時減少泵送功率的需求。
在大多數情況下，直接向晶片進行液體冷卻技術可以與空氣冷卻系統協同工作。這使組織能夠將其與具有高季節效能效比（SEER）評級的 HVAC 系統相結合，並最大程度地實現節能。此外他們還可以採取其他措施，例如使用能源回收通風（ERV）系統來回收和重複使用廢熱，同時將熱空氣和冷空氣分離並保持動態風扇控制。
最大化效能的監控與管理
最後管理的工作在於監控資料中心的能源消耗，並確保冷卻系統能夠發揮最大效能。這項任務通常是透過手動處理的，但團隊可以利用 AI 驅動的自最佳化工具的力量，持續分析溫度資料並即時最佳化冷卻系統。這樣，團隊可以輕鬆實現積極的調整，消除熱點並減少過度冷卻，最終實現節能。
據 EkkoSense 表示透過在資料中心冷卻和最佳化方面應用最佳實踐，組織全球可以節省超過 17 億美元的冷卻能源成本。該公司是一家利用 AI 最佳化資料中心的企業，其執行長兼共同創始人迪恩·博伊爾（Dean Boyle）表示他們已經透過幫助客戶減少與冷卻能源相關的碳排放量，每年節省了約 4100 噸二氧化碳當量。“這種減少相當於節省了 10 兆瓦的冷卻功率，並使冷卻能源費用降低了 1,000 萬美元。每天都有更多客戶從這些實踐中受益，這些數位還在不斷增長，”他說。
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社論與建議
資料中心的冷卻問題已成為一個迫切的全球性問題。隨著資料中心的設施和總能源消耗的不斷增加，我們要找到能源高效的冷卻解決方案變得至關重要。
作為一個先進的數位時代，我們應該鼓勵各個組織在資料中心的設計和運營中採取可持續和環保的措施，以減少對能源的依賴。
在設計方面，組織應該將自然風和機械冷卻系統相結合，減少外部熱量進入資料中心的可能性。此外液體冷卻技術具有更高的散熱能力，可以使能源消耗大幅減少，因此應該進一步推廣研究和應用。
管理方面，組織可以使用 AI 驅動的自最佳化工具來持續監控資料中心的能源消耗，並及時最佳化冷卻系統，從而實現節能。此外使用能源回收通風和動態風扇控制等措施，可以進一步提高冷卻系統的效能。
最後政府機構、企業和學術界應該加固合作，加大對冷卻技術研究的投入。這將有助於推動更多的創新解決方案，以應對日益增長的資料中心冷卻需求，同時為我們的地球環境提供更好的保護。
