降低PUE！从OCPChinaDay 2021大会看未来数据中心发展方向

张紫达

2021年7月27日，北京嘉里大酒店，OCPChinaDay 2021大会如期召开。大会上无论是主会场还是分会场都讲了很多东西，但是有一个词大家绕不开——PUE。

PUE基本概念

何为PUE？它是Power Usage Effectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值。PUE = 数据中心总能耗/IT设备能耗，其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗，其值大于1，越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好。比如数据中心总能耗为10000，其中IT设备能耗为5000，那么它的PUE就是2。

PUE的基准值就是2，这个数值越接近1表示能效比越好。PUE是2有多夸张呢，这意味着这个数据中心有一半的电费没有花在IT设备（产出）上面，这一半的电费花费在了这套系统运维方面，可以说这个数据中心是非常不节能的。

现实严峻的挑战

6月11日，上海市经信委印发《上海市互联网数据中心建设导则(2019)》，提出“严禁上海市中环以内区域新建IDC(数据中心)”，“单项目规模应控制在3000至5000个机架，平均机架设计功率不低于6kW，机架设计总功率不小于18000kW。”等标准。

2019年4月，深圳印发了《深圳市发展和改革委员会关于数据中心节能审查有关事项的通知》。相比其他城市限制为主，深圳市更侧重于改造现有数据中心，对出于不同PUE(能源使用效率评价值，数值越低越说明“数据中心”用于计算的能源使用率越高)阶段的数据中心，给予不同的政策支持，例如对PUE值为1.3-1.35(含1.3)的数据中心，新增能源消费可给予实际替代量20%及以下的支持;对PUE值低于1.25的数据中心，新增能源消费可给予实际替代量40%以上的支持。

而早在2018年9月，北京市政府便公布了《北京市新增产业的禁止和限制目录》(2018年版)，其中要求全市层面禁止新建和扩建互联网数据服务、信息处理和存储支持服务中的数据中心(PUE值在1.4以下的云计算数据中心除外)，中心城区全面禁止新建和扩建数据中心。

应该说，现在政府已经把数据中心作为高能耗的重点对象来看待了，随着数据中心小、中型合并到大型数据中心中，数据中心的单个体量也越来越大，总的来说，单个数据中心消耗的能源是在增长的，降低PUE指标刻不容缓。

核心：改变制冷

IT服务器我们无法改变它的能源效率，电力、消防也差不多。数据中心除了服务器，还有另一个能源消耗大户——制冷系统。十多年前数据中心普遍采用风冷的制冷方式，伴随着时间的演变，现在逐渐过渡到了冷水水冷制冷、间接蒸发冷却以及液冷制冷方式。

这种改变是巨大的。从以前数据中心PUE1.8，下降到现在最新的数据中心PUE1.2左右。这意味着如果整个数据中心消耗10000度电/月，那么制冷方式的改变可以为企业节约3888度电。当然这种计算方式是不科学的，因为数据中心总的耗电量会是个变量，但是这个计算间接地说明了PUE能为企业减少多少支出。

现在改变制冷的方式最普通的是冷水水冷制冷方式。

第二种是间接蒸发冷却方式。

第三种是液冷制冷方式。

液冷制冷有三种，分别是冷板式液冷、单相浸没式液冷、两相浸没式液冷。

冷板式液冷却通过泵循环液体介质经过装配到电子部件的冷板进行散热。液体不与电子设备直接接触。尽管非电介质液体（例如水/乙二醇）通常用于直抵芯片冷却，但是电介质电子氟化液也可用于直抵芯片应用，减轻泄漏相关风险，提高硬件/IT设备可靠性。可以使用单相和两相技术实现直抵芯片冷却。

在单相浸没式液冷中，电子氟化液保持液体状态。电子部件直接浸没在电介质液体中，液体置于密封但易于触及的容器中，热量从电子部件传递到液体中。通常使用循环泵将经过加热的电子氟化液流到热交换器，在热交换器中冷却并循环回到容器中。

在两相浸没式液冷中，通过电子氟化液的沸腾及冷凝过程，指数级地提高液体的传热效率。电子部件直接浸没在容器中的电介质液体中，该容器密封但易于操作。在该容器内，热量从电子部件传递到液体中，并引起液体沸腾产生蒸汽。蒸汽在容器内的热交换器（冷凝器）上冷凝，将热量传递给在数据中心中循环流动的设施冷却水。

浸没式液冷是一种通过直接将硬件浸入非导电液体中用于冷却数据中心IT硬件的方法。电子部件产生的热量直接有效地传递给浸没液体。这就减少了对于传统冷却方法中常见的热界面材料、散热器、风扇、护罩、钣金和其他部件的需求。

与传统空气冷却相比，使用氟化液进行浸没式液冷具有提升热效率（即PUE更低）、数据中心的性能和可靠性等诸多优势。浸没式液冷还避免了复杂的气流管理。经过优化的浸没式液冷数据中心可以减少投资和运营支出，缩短施工时间，降低施工复杂度。浸没式液冷提高了计算密度，可以实现更为灵活的数据中心布局，清除场地成本较高或区域空间受限等数据中心选址障碍。最后，使用氟化液进行浸没式液冷可以消除对冷水机组（带节水器）和空气冷却中所用复杂控件的需求，从而有助于消除用因水、能效和成本而导致的性能受限。相反，通过利用多种气候下的自然水温实现全天候冷却，同时无需蒸发设施，这就有助于消除冷却数据中心的用水需求。

总的来说，未来最有潜力的制冷方式是液冷制冷方式，它可以适应多种气候、地貌、海拔的环境，可以利用此技术将数据中心建立在条件并不是那么良好的地方或者是密集的大城市中。

节能减排，绿色地球

伴随着2019年联合国世界气候变化大会的召开，世界以及各国温室气体排放（碳排放）有了限制，我国也面临着严峻的挑战。正如前一阵院士所说，我国67%的发电量都来源于火力发电，减少用电量就是在减少碳排放。而且，我们可以预测未来清洁能源发电（不包括核电）的成本会比火电成本高，这笔费用最终会转嫁到用户身上——我们的电费可能会因此上涨，工业用电电费更是如此。为此，企业先行一步优化能源分配能源消耗也合情合理。

我们可以看到随着科技的进步，我们对于能源的控制会越来越精确，我相信这会让人类的步伐迈得更远。