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資料中心關鍵議題-節能及淨零碳排促成資料中心液冷散熱興起
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  • 出版日期
    02月25日, 2022
  • 作者
導論

在2050年前淨零碳排(Net Zero)的要求下,節能減碳成為世界各國十分注重的事項,跨國企業紛紛響應並定期檢視自身的淨零碳排計畫。雲端服務商作為資料中心主要的建造者,如何節省資料中心能源的使用並降低碳排,成為關鍵。除此之外,隨著伺服器處理器的功耗不斷上升,使得傳統氣冷散熱方式不足以應付,各大廠積極研發,希望透過更具備能源效率的方式進行散熱,進而促成液冷散熱解決方案的興起。

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節能減碳並達成淨零碳排為雲端服務大廠重要目標
當今距離《巴黎氣侯協議》(Paris Agreement)所設定的2050淨零碳排目標逐漸接近,促使各國對於節能減碳議題更加關注。2021年11月舉行的聯合國氣候變遷大會(COP26)上,各參與國重新簽訂《格拉斯哥氣候協議》(Glasgow Climate Pact),希望加強於2030年以前國家自定義貢獻(Nationally Determined Contribution, NDC)強度,並於下期會議前提交2050年前之長期低碳發展策略,顯示出各國對節能減碳更加重視。在此趨勢下,各跨國企業紛紛響應淨零碳排的趨勢。而對於雲端服務業者(Cloud Service Provider, CSP)來說,如何降低資料中心所造成的能源損耗及降低碳排放量,成為重要的目標。
淨零碳排的定義為一個國家、企業或組織,在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳,經過低碳能源、植樹等消除二氧化碳的方式正負抵消,達到碳中和,或是淨零排放二氧化碳。當前全球前四大的資料中心建造者為亞馬遜(Amazon)、微軟(Microsoft)、谷歌(Google)與臉書(Facebook)母公司Meta,皆有針對淨零碳排提出相應的時程規劃。
亞馬遜承諾於2040年實現淨零碳排,並在2020年發布氣候承諾基金,投資給符合低碳排趨勢的公司,自身則目標於2025年實現透過100%可再生能源進行營運;微軟預計至2030年實現負碳排(carbon negative),到2050年,微軟則將從環境中去除自 1975 年成立以來公司直接或通過電力消耗排放的所有碳;谷歌自從2017年開始,即將年度電力消耗全部透過可再生能源進行匹配。並於2030年達成在任何地方、任何時候使用無碳能源開展業務,在世界各地資料中心和園區實現全年無休之無碳能源供應;Meta自2019年至今,將溫室氣體排放量減少94%。當前已實現淨零排放,預期至2030年於整個供應鏈中實現更廣泛的淨零排放目標。
液冷散熱成為資料中心關鍵技術
對於資料中心而言,如何有效地提升冷卻效率一直是達成節能的重要議題。在高效能運算(High Performance Computing, HPC)、超級電腦以及AI運算的趨勢下,處理器持續追求運算效能的提升,然一方面卻也產生大量的熱能。
觀察近期伺服器處理器規格發展,Intel、AMD及Arm架構廠商推出之中央處理器(Central Processing Unit, CPU)之最大功率,逐漸開始超過氣冷散熱最大值300瓦(Watt)。如Intel第十代酷睿(Ice Lake)處理器之最高瓦特數達到270瓦,在2022年第一季推出的Sapphire Rapids處理器,預期最高瓦數將達到350瓦;AMD在霄龍(EPYC)系列近兩代處理器羅馬(Rome)、米蘭(Milan)達到280瓦,預計2022年底將推出熱那亞(Genoa)處理器預期將達到400瓦特。在圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU)方面,NVIDIA在Telsa P100系列即已達到300瓦的功率,在後續推出的Telsa V100、A100 Tensor則是達到350瓦及400瓦。
資料中心的建構方式,不論是透過記憶體、運算能力強大的伺服器加強縱向擴展,或者是透過堆疊伺服器單元以機櫃式、刀鋒式及多節點式伺服器,進行橫向擴充,這些建構過程,積極「散熱」並降低能源耗損,成為關鍵議題。為設計最有效的應對方式,伺服器散熱技術不斷革新,由最早的傳統空氣冷卻,到嵌入式熱管散熱模組、環路熱管,而當今液體冷卻(Liquid Cooling)以及沉浸式冷卻(Immersion Cooling)開始受到廣泛的運用。
因此,從伺服器CPU與GPU產品設計,與資料中心建構方式的設計重點,都顯示水冷與液冷散熱技術導入的重要性,持續攀升。
資料中心積極布局新型態冷卻方案
為了使資料中心能夠透過更有效率的方式進行冷卻,雲端服務業者正在持續找尋各種新型態冷卻方案來降低營運成本。如下圖一,在新型冷卻方案中主要可以分為「液體冷卻與沉浸式冷卻」。在液體冷卻中包含直接式冷卻、液冷版冷卻及自然冷卻。直接式冷卻透過將液體直接帶到處理器進行熱交換,藉此達到冷卻效果。此方法為當前最常見之採用方式,在伺服器安裝液冷散熱裝置來進行散熱。液冷版則是資料中心時常採用的,透過水冷板中的管子進行液體流動,藉以達到散熱效果。自然冷卻則是透過大自然來進行冷卻,案例包含Google引入河水冷卻、微軟的海底資料中心以及阿里巴巴千島湖資料中心。
另一方面沉浸式冷卻主要分為單相式冷卻與雙相式冷卻,沉浸式冷卻係指將伺服器或主機板直接浸泡在非導電之特殊液體內進行散熱,因此對於伺服器規格及內部零組件均有所要求,由於需要的技術較為複雜,當前各資料中心廠商仍在實驗導入階段。單項式冷卻利用液體流動之對流散熱,透過幫浦(Pump)攪動來協助進行散熱;雙向式冷卻則在利用液體流動之對流散熱外,藉由液體受熱沸騰汽化過程中的失去的熱量來進行散熱。
圖一、資料中心新型態冷卻方案示意圖
圖一、資料中心新型態冷卻方案示意圖
資料來源:MIC,2022年2月
液冷及沉浸式冷卻多元發展,各廠商導入方向不同
分析當前各家廠商使用的液冷技術,可以發現伺服器品牌商與雲端服務商有所差異。伺服器品牌商當前以直接液體冷卻(Direct Liquid Cooling)為主要的導入技術,當中包含像是聯想推出的海神液冷散熱技術,因其是提供給超級電腦客戶使用,透過將溫水直接送至節點(Direct to Node)的方式進行熱對流,再將被加熱後的溫水透過混和液冷、風冷的方式進行散熱。Dell新推出的伺服器產品可以讓客戶自由選擇採用氣冷或液冷模組的方式,液冷模組擁有較高的散熱效率並且擁有滲漏偵測系統,防止液體外洩導致伺服器故障。HPE則是在其面向超級電腦客戶的Cray品牌中,提出液冷解決方案,透過冷卻分配單元,在直接液冷後將水送進冷卻單元進行降溫。
表一、直接液體冷卻技術廠商彙總
表一、直接液體冷卻技術廠商彙總
資料來源:各公司,MIC整理,2022年2月
沉浸式冷卻技術當前代表之廠商包含微軟與阿里巴巴,微軟當前採用兩相式冷卻技術,主要合作廠商包含3M與緯穎,透過低沸點的氟素液來將伺服器浸泡於其中。沉浸式冷卻可以節省5%至15%的伺服器耗電量,對於資料中心而言十分重要,微軟當前僅在美國華盛頓州昆西市(Quincy)的資料中心進行導入,尚未進行全方位的使用。阿里巴巴近年則是持續投入單相式冷卻技術,採用自身研發得麒麟沉浸式方案,節能效果可以使電力使用效率達到1.09,目前主要在杭州仁和資料中心進行導入。根據阿里巴巴數據指出,2021年淘寶網雙十一購物節,透過AI晶片演算法以及資料中心液冷技術,總體運算成本相較2020年降低一半,顯示出液冷技術的重要性。
表二、沉浸式冷卻技術廠商彙總
表二、沉浸式冷卻技術廠商彙總
資料來源:各公司,MIC整理,2022年2月
伺服器散熱廠商積極切入液冷散熱市場
在資料中心液冷市場前景可期的情形下,我國伺服器散熱廠商也開始研發伺服器液冷相關之解決方案,然而各家廠商鎖定的面向仍有所差異。超眾、雙鴻、泰碩及奇鋐等散熱廠商在散熱方面深耕多年,產品範圍橫跨桌機、筆電、伺服器及車用等,在伺服器液冷方面以直接式水冷為主,在伺服器內部靠近處理器的位置,安裝散熱模組、水冷盤等裝置,藉此達到散熱效果並協助伺服器內部熱流(Thermal)更加順暢;建準為散熱風扇大廠,在伺服器方面逐漸延伸至散熱模組及水冷板等相關應用。
健策為均熱片生產大廠,當前在伺服器領域仍以均熱片與處理器/連接器扣件為主,在液冷散熱方案較無額外的投入;安力則是以熱傳導件及風扇框為主,亦未布局液冷相關的技術。高力長年投入熱交換器與熱能相關產品,近年開始投入資料中心伺服器沉浸式液冷方案;值得關注的是,廣運過往以自動化物流解決方案為主,近年切入資料中心液冷散熱的策略十分成功,開始布局包含液冷監控主機、水冷板等產品。
表三、台灣伺服器散熱廠商彙總
表三、台灣伺服器散熱廠商彙總
資料來源:各公司,MIC整理,2022年2月
若以伺服器產業的角度來切入,前述所探討之過往氣冷散熱模組提供商,當前正開始布局液冷散熱模組與沉浸式散熱模組。投入液冷散熱模組的廠商,一方面仍遵循過往的模式與英業達、廣達、緯創、鴻海等伺服器代工廠進行合作,協助Dell、HPE、浪潮、Supermicro、聯想等廠商提供液冷散熱產品;另一方面則提供伺服器直接代工(ODM Direct)廠商散熱模組,藉此來符合雲端服務業者的需求。
在沉浸式散熱模組方面則較為特殊,除原先由氣冷散熱模組提供商切入之外,部分伺服器直接代工廠商自行投注資金來研發沉浸式散熱技術,並且推出相關伺服器產品來媒合客戶的需求。當中具代表性的廠商如緯穎,於2021年投資資料中心液冷廠商LiquidStack,希望掌握自主的技術來突破長期由3M把持的伺服器浸泡液市場。因此散熱廠商與伺服器直接代工廠,將由過去的純供應鏈關係,轉變為擁有部分產品線重疊的競合關係。
圖二、散熱廠商及伺服器廠商布局液冷散熱
圖二、散熱廠商及伺服器廠商布局液冷散熱
資料來源:MIC,2022年2月
MIC觀點
以雲端服務商為首,資料中心液冷散熱導入速度持續加快
在淨零碳排的趨勢下,雲端服務商希望透過各種方式來節省能源並降低碳排,而當中提升資料中心散熱效率成為關注的重點。雲端服務商近年不斷嘗試各種冷卻方案來提升資料中心的效率,從地理位置、液冷方案、沉浸式方案至海底資料中心都有所投入。當前液冷方案已進入成熟期,獲得大量導入,然沉浸式方案仍在實驗期,但是在阿里巴巴、微軟等公司試驗成功的狀況下,預期各雲端服務商均會開始積極嘗試導入。
當前資料中心算力越趨複雜,除了前面所提的CPU、GPU之外,資料處理器(Data Processing Unit, DPU)、現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)及特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)均會增加伺服器整體功耗,持續提升液冷散熱的需求。
另一方面,除雲端服務商之外,Equinix、Digital Realty等大型資料中心託管商(Co-location),也開始在其資料中心內部導入液冷及沉浸式冷卻解決方案,也將促使資料中心液冷的占比上升。因此對整體伺服器產業而言,在淨零排放趨勢以及伺服器處理器功耗提升兩大因素影響下,預期未來三年液冷散熱技術的導入速度會持續加快,將使相關產業鏈發展更加成熟。
伺服器品牌商與雲端服務商需求不同,液冷散熱關注重點相異
對於伺服器品牌商而言,客戶仍是以企業為主,在購買伺服器的過程中更加注重方便性與可擴充性。因此相關於建置較為麻煩的沉浸式冷卻伺服器,伺服器品牌商仍以直接式液冷為主要投入目標,並且提供氣冷與水冷的規格讓客戶選擇。在未來低階伺服器應仍以氣冷為主,而中高階伺服器則會需要搭配直接式液冷散熱模組,藉此來符合越來越高的處理器功耗所引發的散熱需求。
雲端服務商則更加關注如何降低資料中心整體耗電量,儘管當前大部分資料中心仍是使用直接式液冷,但其對於沉浸式冷卻會更加關注並投注更多資金來進行測試。當前全球雲端服務商於伺服器產量的占比呈現上升趨勢,儘管直接式液冷在伺服器品牌商及雲端服務商雙方導入下占比更高,沉浸式冷卻仍然擁有很高的成長性。
伺服器代工廠切入沉浸式冷卻,散熱廠商面臨抉擇
在雲端服務商於全球興建資料中心的帶動下,許多伺服器散熱廠商獲得訂單並對於2022年的市場一片看好。然散熱廠商當前正面臨是否投注沉浸式冷卻的抉擇點,因沉浸式冷卻所需的技術與直接式冷卻具有差異性,在當前伺服器散熱廠商中,僅有少數廠商對其進行投入。部分散熱廠商因為散熱產品線眾多,對於液冷之發展較為積極,然對資料中心而言沉浸式液冷儼然成為新的布局標的,各散熱廠商是否切入此塊市場成為後續觀察的目標。
我國多家伺服器代工廠透過ODM Direct的方式替雲端服務商提供客製化伺服器,若是掌握沉浸式液冷技術,將可成為獲得雲端服務商訂單的利器。沉浸式液冷提供直接代工廠轉變其角色定位的契機,除卻伺服器代工外能夠協助提供資料中心整體解決方案。透過投資沉浸式技術藉此打造更符合雲端服務商需求伺服器,將促使雲端服務商對白牌伺服器的導入率,持續上升。
附錄
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中英文名詞對照表
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