能源焦慮似乎是一個(gè)永恒的話(huà)題。從蒸汽機(jī)到內(nèi)燃機(jī)，從煤炭到石油，世界的發(fā)展總是圍繞能源旋轉(zhuǎn)。在AI時(shí)代，這一點(diǎn)沒(méi)有改變。

OpenAI CEO Sam Altman在很多場(chǎng)合提到，未來(lái)的人工智能需要能源突破，因?yàn)锳I消耗的電力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大家的預(yù)期。馬斯克也推測(cè)，未來(lái)兩年將從“缺硅”變成“缺電”。

數(shù)據(jù)顯示，ChatGPT每天需要響應(yīng)約2億個(gè)請(qǐng)求，這個(gè)過(guò)程將消耗超過(guò)50萬(wàn)度的電力。預(yù)計(jì)到2027年，整個(gè)人工智能產(chǎn)業(yè)每年將消耗85-134太瓦時(shí)(1太瓦時(shí)=10億千瓦時(shí))的電力，約等于2023年北京市全年總耗電量(135.78太瓦時(shí))。

巨大的能源消耗主要產(chǎn)生于兩個(gè)方面，一是驅(qū)動(dòng)AI服務(wù)器計(jì)算和存儲(chǔ)消耗的能源，二是減少AI服務(wù)器溫度消耗的能源，其中前者占60%，后者占40%。

但前者雖然占比較高，但即使AI芯片的能效一直在提高，也無(wú)法改變整體功耗持續(xù)上升的趨勢(shì)，因?yàn)锳I的發(fā)展對(duì)算率的需求越來(lái)越大。因此，如何降低服務(wù)器冷卻時(shí)消耗的能源已經(jīng)成為降低AI運(yùn)營(yíng)成本和能源消耗的關(guān)鍵。

所以，大到Google、像微軟這樣的科技巨頭，小到服務(wù)器R&D供應(yīng)商，SpaceX這樣的尖端前沿也在煞費(fèi)苦心。

高級(jí)服務(wù)器，從風(fēng)冷到液冷

雖然2023年才刮起大模型的風(fēng)，但是服務(wù)器冷卻并非一個(gè)新的課題。

一九四五年，世界上第一臺(tái)通用電腦ENIAC誕生。為解決ENIAC用電量大、熱量高的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)的工程師們用風(fēng)扇來(lái)降低ENIAC的溫度，這幾乎是最早的服務(wù)器行業(yè)制冷。

但是風(fēng)扇制冷的效果畢竟是有限的，而且當(dāng)時(shí)的電腦又大又耗電。舉例來(lái)說(shuō)，ENIAC的重量約為30噸，占地170平方米，耗電150~174KW。

面對(duì)如此巨大的怪物，僅僅依靠風(fēng)扇制冷是有點(diǎn)不可能的。因此，到1951年，當(dāng)美國(guó)雷明頓蘭德推出第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)UNIVAC時(shí)。 一時(shí)間，已經(jīng)用上了空調(diào)制冷。

空調(diào)器最早發(fā)明于1902年，最初是為了保持印刷廠(chǎng)的恒溫，然后陸續(xù)進(jìn)入家庭，大約在1920年就被廣泛應(yīng)用于美國(guó)。所以在1951年，UNIVAC 當(dāng)我出來(lái)的時(shí)候，空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)異常完善了。當(dāng)時(shí)，雷明頓蘭德專(zhuān)門(mén)為UNIVACC設(shè)計(jì) 一是設(shè)計(jì)了一套中央空調(diào)制冷系統(tǒng)。

圖片：1951年美國(guó)人口普查局UNIVACC維基百科 I

從那以后，空調(diào)制冷逐漸成為大型計(jì)算機(jī)和服務(wù)器機(jī)房最重要的制冷方式，并持續(xù)了近百年，直到液冷技術(shù)登上舞臺(tái)。

和空調(diào)制冷一樣，液冷技術(shù)最早應(yīng)用于機(jī)械加工、配電變壓器或航天工程等領(lǐng)域，而不是服務(wù)器場(chǎng)景。它在服務(wù)器應(yīng)用領(lǐng)域只是近20年的事情。

這是因?yàn)橹钡?994年，全球互聯(lián)網(wǎng)浪潮才首次爆發(fā)。從那以后，互聯(lián)網(wǎng)公司開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)和使用數(shù)據(jù)中心，以提供高效的服務(wù)，大規(guī)模存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

因此，由于大量計(jì)算需求導(dǎo)致的芯片功耗增加、服務(wù)器密度增加等因素，傳統(tǒng)的空調(diào)制冷設(shè)備顯得有些力不從心，開(kāi)始限制芯片特性的提升。

Simon副總裁，蘋(píng)果，惠普和戴爾供應(yīng)商Liteon Ong說(shuō):“我們發(fā)現(xiàn)選擇風(fēng)冷方式的芯片只能達(dá)到其性能的60%，會(huì)有一定的過(guò)熱問(wèn)題，而液體冷卻解決方案可以繼續(xù)最大限度地提高計(jì)算性能?！?/p>

三月一日，黃仁勛在斯坦福大學(xué)舉行的2024年SIEPR經(jīng)濟(jì)峰會(huì)上說(shuō)，英偉達(dá)的下一代DGX AI服務(wù)器將采用液冷技術(shù)。

據(jù)艾邦儲(chǔ)能網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)DGX H100系統(tǒng)消耗的功率約為10kW，液體冷卻可以提高20-40%的整體能效，100,000DGX系統(tǒng)可以節(jié)省20-40兆瓦的功耗，按0.10美元/千瓦計(jì)算，相當(dāng)于每年節(jié)省2000-4000萬(wàn)美元的能源成本。

圖：Nvidia，DGXAI服務(wù)器

與風(fēng)冷相比，液冷不僅具有更高的散熱效率和更低的能耗水平，還可以減少服務(wù)器的占地面積，即同樣大小的機(jī)房可以放下更多的服務(wù)器。各種優(yōu)勢(shì)使得液冷技術(shù)逐漸取代風(fēng)冷，成為數(shù)據(jù)中心的主要冷卻方式。

在全球范圍內(nèi)，谷歌應(yīng)該是最早探索使用液冷技術(shù)的因特網(wǎng)技術(shù)企業(yè)之一。

谷歌前CEO埃里克·施密特于2006年在搜索引擎大會(huì)上（SES San Jose 2006年首次提出“云計(jì)算”（Cloud Computing）與此同時(shí)，谷歌的數(shù)據(jù)中心也在快速增長(zhǎng)。

2009年，華爾街日?qǐng)?bào)報(bào)道谷歌為了提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率，開(kāi)始探索液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。當(dāng)時(shí)谷歌表示，液冷技術(shù)可以將數(shù)據(jù)中心的能耗降低40%。

同年，惠普推出了一款名為ProLiant的產(chǎn)品。 DL380 Gen8服務(wù)器采用全新的液體冷卻技術(shù)，可以降低40%的功耗。兩年后，IBM還推出了一款名為System的液體冷卻技術(shù)服務(wù)器。 x3550 M5，能降低45%的功耗。

此后，微軟，亞馬遜，F(xiàn)acebook(現(xiàn)在Meta)也開(kāi)始陸續(xù)跟進(jìn)，并在2019-2022年左右，將所有數(shù)據(jù)中心的制冷方式轉(zhuǎn)化為液冷方式。

當(dāng)然，液體冷卻技術(shù)也分為很多類(lèi)別。根據(jù)冷凍液進(jìn)入電子產(chǎn)品的方式不同，大致可以分為芯片級(jí)液體冷卻、浸沒(méi)式液體冷卻、噴淋式液體冷卻、冷板式液體冷卻等。

例如芯片級(jí)液冷，為了吸收芯片產(chǎn)生的熱量，將冷凍液直接輸送到芯片頂部。這是一種完全降溫的形式，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。浸沒(méi)式液冷就是將整個(gè)電子產(chǎn)品浸泡在冷凍液中，這種形式冷卻均勻，但是體積龐大，維護(hù)不方便。

噴淋式液冷就是在電子產(chǎn)品上噴灑冷凍液，雖然冷卻效果較差，但勝于結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低。冷板式液冷它是由銅管、鋁板等高導(dǎo)熱材料制成的冷板來(lái)降溫。它的工作原理有些類(lèi)似于北方散熱器，但區(qū)別只是溫度升高和溫度降低。

目前，冷板液冷是市場(chǎng)上使用最廣泛的一種。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，冷板液冷技術(shù)在2023年全球數(shù)據(jù)中心液冷市場(chǎng)的市場(chǎng)份額約為60%。

然而，近兩年來(lái)，噴淋液冷和浸沒(méi)液冷的市場(chǎng)份額也有所增加。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，噴淋液冷技術(shù)和浸沒(méi)液冷技術(shù)的市場(chǎng)份額將在2024年全球數(shù)據(jù)中心液冷市場(chǎng)分別達(dá)到約25%和15%。

在所有液冷技術(shù)中，噴淋液冷市場(chǎng)份額的增加，根本原因是其結(jié)構(gòu)緊湊，而且更容易安裝和維護(hù)，成本最低。

聯(lián)想在2023年發(fā)布的《噴淋液冷服務(wù)器白皮書(shū)》中指出，“噴淋液冷技術(shù)具有良好的擴(kuò)展性和靈活性，可以滿(mǎn)足不同類(lèi)型數(shù)據(jù)中心的需求。”這符合越來(lái)越多企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中建設(shè)私有云和自己的小數(shù)據(jù)中心的需求。

而且噴淋式液冷由于成本選擇得當(dāng)，浸沒(méi)式液冷市場(chǎng)份額增長(zhǎng)的主要原因是效率。

隨著人工智能，特別是大型模型的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)中心的能源效率和服務(wù)器性能提出了更高的要求，近兩年來(lái)，由于技術(shù)的成熟，沉浸式液體冷卻的成本逐漸降低，進(jìn)入了更多企業(yè)可接受的范圍。

總的來(lái)說(shuō)，液體冷卻技術(shù)已成為目前市場(chǎng)上最重要的服務(wù)器冷卻方式。

數(shù)據(jù)中心上山下海

雖然液體冷卻技術(shù)在降低數(shù)據(jù)中心的能耗方面發(fā)揮了巨大的作用，但僅僅依靠傳統(tǒng)的液體冷卻方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠高速增長(zhǎng)的計(jì)算率和巨大的能耗。

另外，液冷技術(shù)也存在一些問(wèn)題，比如用水量巨大。

谷歌在其官方網(wǎng)站上宣布，2021年，谷歌數(shù)據(jù)中心平均每天消耗約45萬(wàn)加侖水。這相當(dāng)于給17英畝的草地澆水一次，或者種植160條牛仔褲的棉花。

同年，谷歌全球數(shù)據(jù)中心機(jī)隊(duì)消耗了約43億加侖水，相當(dāng)于每年在美國(guó)西南部澆水和維護(hù)29個(gè)高爾夫球場(chǎng)所所需的水量。

圖：谷歌

此外，隨著全球ESG理念日益成為判斷公司的重要標(biāo)準(zhǔn)，減碳甚至無(wú)碳成為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，谷歌很早就開(kāi)始敞開(kāi)心扉。2009年，谷歌從芬蘭的一家造紙公司那里購(gòu)買(mǎi)了一家造紙廠(chǎng)，并開(kāi)始將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)中心。

選擇芬蘭的原因之一是緯度高，自然環(huán)境溫度低；另一個(gè)原因是這家紙廠(chǎng)位于芬蘭南部的海岸，谷歌準(zhǔn)備引導(dǎo)海水降低數(shù)據(jù)中心的溫度。

目前，該項(xiàng)目的第一個(gè)項(xiàng)目已于2011年9月竣工，谷歌最初投資2億歐元，但到目前為止，總投資已超過(guò)20億歐元。谷歌的目標(biāo)是讓所有數(shù)據(jù)中心和公園在2030年前24小時(shí)使用無(wú)碳能源運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)。

Facebook也選擇了借助自然環(huán)境降溫。2011年，它在瑞典北部宣布了一個(gè)名為呂勒奧的城市建設(shè)數(shù)據(jù)中心。

之所以選擇這個(gè)地方，一是因?yàn)樗且粋€(gè)電費(fèi)便宜的工業(yè)城市。二是因?yàn)榫暥雀?。呂勒奧距離北極圈只有110公里左右，每年10月開(kāi)始下雪，冬季平均氣溫在零下6左右?！鉉至零下13.6°C，即使在夏天，平均氣溫也只有12?！鉉 - 20°C。

該項(xiàng)目于2011年開(kāi)始建設(shè)，大型風(fēng)扇將外部冷空氣引入機(jī)房，為數(shù)千臺(tái)服務(wù)器提供物理退燒。根據(jù)扎克伯格的說(shuō)法，呂勒奧數(shù)據(jù)中心的工作效率比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心高10%，能耗低40%。

不像谷歌和Facebook在地面上想辦法，藝術(shù)家膽大包天的微軟直接選擇把數(shù)據(jù)中心扔進(jìn)海里。

微軟認(rèn)為，超過(guò)一半的世界人口居住在距離海岸約120公里的地方。數(shù)據(jù)中心放置在沿海地區(qū)周?chē)乃?，?shù)據(jù)可以短距離傳輸?shù)窖睾Ｉ鐓^(qū)。

2015年，微軟正式啟動(dòng)了一個(gè)名為Natick的項(xiàng)目；2018年，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將12個(gè)配備864臺(tái)服務(wù)器的服務(wù)器機(jī)架通過(guò)壓力容器沉入蘇格蘭海岸附近的海床。兩年后，他們撈出了這個(gè)巨大的圓柱體，驗(yàn)證了這個(gè)項(xiàng)目的成功。

圖：微軟

現(xiàn)在，這種技術(shù)在國(guó)內(nèi)也同樣得到了應(yīng)用。

2022年12月，海南海底數(shù)據(jù)中心成功將近300臺(tái)服務(wù)器的“海底數(shù)據(jù)艙”放入海底，并開(kāi)始向外輸出數(shù)據(jù)，成為世界上第一個(gè)商業(yè)海底數(shù)據(jù)中心。

該項(xiàng)目總經(jīng)理蒲定在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)表示，“以1萬(wàn)個(gè)陸地機(jī)柜為例，同等計(jì)算能力的海底數(shù)據(jù)中心每年可節(jié)約用電量1.75億千瓦時(shí)，節(jié)約建設(shè)用地面積9.84萬(wàn)平方米，節(jié)約淡水15萬(wàn)噸?！?/p>

有些公司把服務(wù)器放在海里，自然也有公司把服務(wù)器放在山里。

比如2017年，富士康數(shù)據(jù)中心落戶(hù)貴安新區(qū)洞穴。設(shè)計(jì)師打開(kāi)山底兩端形成隧道，使空氣流通，使山內(nèi)溫度低于外界自然條件，成為機(jī)房服務(wù)器的自然條件 “空調(diào)房”。

位于北緯26度左右的貴州，四季溫度均衡，加上自然喀斯特地貌，使山體成為服務(wù)器的天然器皿。

2021年，中國(guó)提出了“東數(shù)西算”戰(zhàn)略，貴州成為中國(guó)西部最重要的數(shù)據(jù)中心之一。許多頭部企業(yè)，如蘋(píng)果和華為，都在貴州的山區(qū)建立了自己的數(shù)據(jù)中心。

結(jié)語(yǔ)

如果說(shuō)谷歌、Meta等知名大公司之間的AI競(jìng)爭(zhēng)是人與人之間的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，那么AI本質(zhì)上就是重新解構(gòu)人與生態(tài)資源之間的關(guān)系，以提高能源效率。

能量是守恒的。人類(lèi)不僅要獲得更先進(jìn)的生產(chǎn)力，嘗試無(wú)限擴(kuò)大其能力上限，還要思考可能付出的代價(jià)是否超出了自己的極限，從而找到最佳解決方案，更科學(xué)地配置資源。

Open AI點(diǎn)燃了新一代AI競(jìng)爭(zhēng)，將AI的“吃電”量推向了一個(gè)新的高峰，原本“看不見(jiàn)”的能源對(duì)決，也擺在了光明的一面。

雖然每個(gè)公司都在尋找“上山下海”的解決方案，但也可能面臨一些爭(zhēng)議和技術(shù)挑戰(zhàn)。比如海底放置服務(wù)器可能會(huì)影響海洋生態(tài)，而偏遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)涉及復(fù)雜的物流和維護(hù)。

它就像打開(kāi)了“俄羅斯套娃”，每次解決一個(gè)問(wèn)題，都會(huì)發(fā)現(xiàn)背后總有新的問(wèn)題。

一切都是有代價(jià)的。當(dāng)資源稀缺時(shí)，也是考驗(yàn)人類(lèi)智慧的時(shí)候。也許新的能源解決方案就在前方。只有當(dāng)人類(lèi)打開(kāi)“急切”的閘閥時(shí)，他們才能更近距離地獲得新的解決方案。

參考資料

https://blog.google/outreach-initiatives/sustainability/our-commitment-to-climate-conscious-data-center-cooling/

本文來(lái)自微信微信官方賬號(hào)“產(chǎn)業(yè)象限”（ID:codesideAI），作家：山茶，編輯：錢(qián)江，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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