英特爾至強處理器將達到200核！數據中心冷卻技術：風冷OR液冷?
2023-04-20 11:47:41 EETOP4月12日，英特爾在北京召開主題為“可持續·共未來”的2023英特爾可持續發展高峰論壇。帕特·基辛格首次以英特爾公司首席執行官的身份來訪中國，并在峰會上發表了“攜手共創可持續的未來”的主題演講。
基辛格非常堅定的說到：“我一直是一個徹底的技術樂觀主義者，我相信科技具有其它行業無法比擬的力量，去推動進步和變革”。身處科技行業，我們不僅需要把握數字經濟的機遇，也肩負助力數字經濟可持續發展的責任。
█ 數字化變革中的數據中心
數字經濟時代，數據中心已經成為支撐數字經濟高速發展的底座，其規模在迎來高速增長的同時也面臨著低碳化的迫切要求。以ChatGPT為代表的生成式AI爆火之后對算力提出了巨大需求。在新型的數據中心中如何采取更好、更低能耗的設計，以及如何降低后期的運維成本，從何有效提升算力帶來的綜合價值，這是迫在眉睫要解決的問題。與此同時，現有的存量數據中心，如何在新舊數據中心轉化過程中，尋找到產業化和低成本之間的平衡點，從而更好的推動可持續發展，這些都是當前面臨的重重挑戰。
英特爾數據中心與人工智能集團副總裁兼中國區總經理陳葆立表示，未來對算力需求必然是一個持續增長的趨勢。在英特爾的路線圖上，核數正在飛速增長，從現在第四代至強擁有的50個核、60個核，在一兩年之后，將很快會增長到100個核、200個核。所以在同樣一個數據中心的設計當中，它的高密度、核數，以及性能都是大幅度提升的。在算力如此集中的情況下，數據中心的設計勢必要經歷巨大的演進。
從新型數據中心的整體布局規劃到推廣新型的技術，包括高效制冷、余熱應用、智能運維等。英特爾在這個領域，主要開展了三個部分的探索：處理器產品；服務器整體設計；軟件與工具。其中，在處理器部分，陳葆立介紹，今年1月英特爾發布的第四代英特爾至強可擴展處理器，在深層環節已經使用了90%的可再生電力。除此之外，處理器本身的設計也在各個環節內置了多種提高能效的技術。另外，第四代英特爾至強可擴展處理器中內置了諸多加速器，這些內鍵的加速器能夠大幅提升不同工作負載的能效，平均可以帶來2.9倍的能效提升，且對于現在比較火熱的AI則會帶來高達14倍的能效提升。
那么從整個數據中心的產業層面來看，數據中心的PUE（Power Usage Effectiveness）是一個非常關鍵的技術指標。簡單來說，PUE就是用于測量IDC能源效率的指標，是用IDC總能耗除以IT設備能耗得來。IDC總能耗包含IT設備能耗和制冷、配電等系統能耗，PUE數值越靠近1，則說明非IT設備的能耗越少，能效水平越高。
目前，數據中心中最常用的散熱和制冷方式是風冷方式，即用空氣作為媒介冷卻需要冷卻的物體。不過，隨著算力的快速發展，CPU功耗的不斷提高，以及節能降耗、“雙碳”戰略等宏觀因素的迫切需求，許多應用場景在快速考量更新數據中心整體設計時，已經轉向更節能、更先進的液冷數據中心的方式來解決能耗和平衡的問題。
英特爾市場營銷集團副總裁、中國區數據中心銷售總經理兼中國區運營商銷售總經理莊秉翰介紹說：“傳統風冷的數據中心的PUE能到1.4-1.5，但現在通過液冷可以做到近1.1，這對整個能耗的改善有很明顯的作用。”液冷對基于新一代處理器的服務器來說肯定是一個發展方向。新一代服務器所搭載的處理器的核數越來越多，對功耗的需求越來越高，包括國家“東數西算”等工程項目對數據中心PUE的要求也非常高。
新華三集團計算存儲產品線副總裁劉宏程分享說：“從風冷技術轉向液冷技術，這不僅是可以節能多少的問題，還包括在使用過程當中有可能出現巨大空間浪費的情況。因為傳統數據中心無法容納新的能耗過高的設備。比如GPU服務器會造成空間的占用，以及提高數據中心管理和運營費用。”對此，莊秉翰指出：“在今后的服務器發展中，液冷大概率會成為一個趨勢。”
█ 液冷技術是否將是未來的主流冷卻方式
液冷技術是指使用液體取代空氣作為冷媒，與發熱部件進行熱交換，帶走熱量的技術。按照液體與發熱器件的接觸方式，液冷又可分為“間接接觸型”和“直接接觸型”兩大類。直接接觸又可分浸沒式液冷和噴淋式液冷兩種。英特爾主推的是間接接觸型的冷板式液冷，和直接接觸型的浸沒式液冷。陳葆立非常形象說：“就比如今天天氣很熱，冷板等于鋪了一個涼席，也就是在很熱的CPU上鋪了一層冷板，把熱能通過這層冷板給傳出去；而浸沒式液冷是泡澡，把所有的部件泡在液體當中，讓溫度可以降低。”
其實，液冷技術并非一項新興的技術。液冷技術是指使用液體取代空氣作為冷媒，與發熱部件進行熱交換，帶走熱量的技術。該技術在上世紀80年代就嶄露頭角，90年代出現一些通信設備的液冷基站。隨著21世紀初云計算時代的到來，數據中心需要更高功率、更大規模部署，液冷概念被正式提出，相關技術逐步成熟。
寧暢總裁秦曉寧分享，以前液冷技術沒有大批量使用，主要由于它對于客戶是非必要的。液冷是一個很創新的技術，在高性能應用環節才可能被需要，但是當時的應用并不需要那么高功耗。但現在不一樣了，CPU的功耗高達270W~300W，未來可能到350W，GPU甚至都已經達到400W~500W，加之現在很多數據中心、智算中心等大量都需要高算力，因此就需要應用液冷。此外，從宏觀上來看，“雙碳”戰略、節能政策等已提上日程。整體來看，無論是宏觀戰略要求，還是實際業務的需求，都趨動我們必須要把液冷技術應用到日常的研發或客戶應用的機房環境當中去。
那么，現在液冷技術的落地應用情況如何呢？據莊秉翰介紹，液冷技術首先被大量應用在互聯網產業，比如阿里采用的是浸沒式液冷方案，京東是基于冷板技術的方案。而對于運營商來說，因為它管理的數據中心數量也非常大，因此對冷板的采用比例也很高。除此之外，還有像金融行業也非常早期開始應用，他們從數年前就開始用液冷的POC，現在也到了采用階段。莊秉翰總結說：“整體來看，國內幾個服務器使用的頭部行業，如互聯網、運營商、金融行業等，目前對液冷都已經跳過了POC階段，進入到了規模化采用的狀態。”
那對于冷板和浸沒兩種不同方式，未來哪種技術將會成為主流？陳葆立回答說：“從英特爾的視角來看，由于客戶需求不同，所以它們將會是同時存在的。另外，盡管現在液冷技術比較熱門，但風冷也是存在的，而且整個業界大家都在每一個不同的環節做創新。比如像未來新的至強處理器可能會升級到擁有100個能效核，CPU的電源功率可能還是300W或350W。所以理論上來看，它在風冷上也可以應用，而并非一定要用液冷。所以在不同服務器部件上，我們會做不同的創新。對客戶而言，是在他的可支出的能力或是環境限制下擁有更多、更好的方案選擇，更能適合他自己的部署。”
雖然液冷技術是未來的一大發展趨勢，但當前它的產業化發展依然面臨諸多問題。冷板技術，技術門檻比較成熟，但使用率卻不高，主要原因是國內許多冷板設計缺乏一個規范的驗證標準，使得每個廠家設計都有差異，這使系統設計成本、驗證成本比較高，因此對于最終用戶而言這個方案就比較貴。而浸沒式液冷則是一項難度系數更高的技術，除了成本更高的制約因素之外，莊秉翰分享說，它其實對器件、和芯片本身也有一些可靠性的影響。為此，英特爾提出，為在浸沒式液冷場景下使用第三代和第四代至強可擴展處理器的廠家，提供一年保修服務，這也是英特爾為了加速液冷技術在產業鏈應用所做的努力之一。
除此之外，面對液冷技術標準不統一，甚至快插的接口大小、尺寸都不一樣，通用性不解決，嚴重影響產業化發展等問題，英特爾也作為倡導者，為搭建更好的生態而在做積極的貢獻。據介紹，英特爾攜手20余位生態伙伴經過過去半年的努力，共同編纂的冷板液冷團體標準已于今年3月15日正式發布。與此同時，英特爾還與生態伙伴一同通過簡化設計與替代材料的選擇等舉措，推動成本優化措施，加速方案落地。在浸沒式液冷方面，英特爾希望能在今年下半年把相關經驗與設計規格通過白皮書分享給業界伙伴，加速浸沒式液冷解決方案落地，普惠最終用戶。
秦曉寧非常認可英特爾在標準化方面所做出的努力和貢獻，她表示：“能耗問題的解決，需要在芯片層面、系統層面，甚至于整體機房的結構設計層面去綜合考慮。英特爾牽頭制定的這個標準在業界得到了廣泛的認同，并且為客戶帶來了積極影響。冷板標準統一后，產量提升會帶來成本的下降。其相關成本的降低，不僅限于單個元器件的采購成本上，還包括在動態使用過程當中環溫的控制，包括散熱、CPU能耗對整個功耗的影響等。整體而言，在持續使用的情況下，尤其是一個大型數據中心的使用過程當中，是能夠實現可觀的成本控制和節能降耗。
劉宏程分享，新華三和英特爾在數據中心設計方面的合作已超過14年。綠色節能不是一個部件、一個系統或者一個機柜的問題，而是一個系統性工程，需要從整個底層的部件，依照底層數據中心全方位地去做一些設計才有可能達到目標。劉宏程說：“當’用戶需求激增→標準建立→規模效應顯現→整體成本自然下降’的循環形成之后，就可以加速推動產業從存量的數據中心轉向新型節能的數據中心。”
有效降低成本無疑是產業化發展的關鍵。而在成本之外，還有如安全、液體漏液等其他影響因素的考量。一個產業的發展并非是一朝一夕就能促成，還需要大規模的驗證去證明應用的普適性。數字化就是提高效率的手段，提高效率就是可持續發展的一個關鍵。
█ 結束語
在英特爾看來，中國是可持續發展領域的領導者。目前為止，中國算力的爆發式增長，正在連續性地考驗國家能源戰略。信通院去年發布的數據顯示，在2021年底到2022年時，全國已有近520萬個數據中心的基架進入部署，而且過去五年的年均復合增長率達到30%。同時另外一組數據也值得我們關注，全國數據中心的用電量已經達到了全國用電的2.6%，而且這個比例預估還會繼續增長。
新基建中的5G網、電力網和交通網有效地打通了信息流、能源流以及人流物流，是促進中國經濟高質量發展的大動脈。但隨之而來的環境問題、氣候問題也是當前面臨的嚴峻挑戰。如何可持續性發展是未來很長一段時間都繞不開的話題。
