释放跨行业价值 ： 增强数据中心电力需求的战略方法

VIEWPOINT 2024 UNLOCKINGCROSS-INDUSTRYVALUE: STRATEGICWAYSTO ENHANCE数据CENTERPOWERNEEDS 液化天然气支持数据中心冷却的潜力 人工智能彻底改变了全球行业，推动了数据中心基础设施的空前增长。 利用人工智能来增强决策、自动化流程和推动创新，对高性能计算资源的需求激增，导致在管理数据中心内的功耗和冷却需求方面面临重大挑战。在这个观点中，我们讨论了液化天然气（LNG）如何为优化消耗，最大化数据中心价值和减少冷却工作提供可持续的选择。 AUTHORS JorgeAbril-MartorellLuisdelBarrioManuelSampedroIagoLarrondoChristophUfererJavierAlonso 数据中心电力需求上升 为AI提供动力 数据中心已成为现代业务运营的关键，提供计算能力和存储容量以支持广泛的应用程序和服务。但是 ，对高性能计算资源的不断增长的需求导致在数据中心内管理功耗和冷却需求方面面临重大挑战。冷却系统是数据中心基础设施的重要组成部分，负责保持最佳工作温度并确保IT设备的可靠性。数据中心 已经使用传统的方法，如基于空气的冷却系统，作为主要的方法来耗散由服务器、存储阵列和网络设备产生的热量。 数据中心密度的增加和AI工作负载推动了更高的计算需求，冷却系统的能耗已成为数据中心整体功耗的显著贡献者。 将AI技术集成到各种业务流程中，大大增加了对数据中心基础架构的计算要求和存储要求。 以复杂算法、深度学习模型和实时数据处理为特征的工作负载需要新的硬件配置和可扩展的资源来提供最佳性能。由人工智能应用驱动的不断增长的电力需求对数据中心运营商产生了深远的影响，需要投资创新的冷却技术，以减轻能源消耗增加对环境的影响。升级的基础设施。 处理每平方米能耗密度增加的能力也很重要。 因此，人工智能在数据中心基础设施中的采用促进了能源需求的增长。人工智能应用需要大量的计算能力，这反过来又需要更多的能量。训练一个AI模型可以在整个生命周期中消耗与汽车一样多的能量。此外，人工智能驱动的数据中心通常需要专门的硬件，如图形处理单元(GPU)和张量处理单元，它们比传统的中央处理单元更耗能。 数据中心电力预测 预计数据中心的能耗将呈指数级增长，到2030年将达到约19,222太瓦时（TWh）（见图1）。 图1.数据中心功耗的估计演变 TWh（千） 8.2 0.5 202220232024F2025F2026F2027F2028F2029F 2030F 2019.2 15 10 5 0 最大能耗最小能耗 来源：亚瑟·D·利特尔，专业出版社 计算POWER和冷却是TWO MOSTEnergy-IntensivePROCESSES内 数据中心 根据国际能源署（IEA）的数据，由于包括AI和加密货币采矿在内的电力密集型工作负载的增加，到2026年，数据中心的用电量将翻一番。IEA的年度电力报告报告称，数据中心消耗了460TWh 在2022年；在最坏的情况下，到2026年，这一数字可能会上升到1000太瓦时以上。(2022年数据中心消耗的460TWh约占全球所有用电量的2%，约占能源相关温室气体排放量的1%。）计算能力和冷却是数据中心内两个最耗能的过程，而与AI相关的服务的快速增长意味着提供商一直在投资耗电的GPU。 用电量的增长速度取决于AI和其他计算密集型趋势 ，数据中心的部署速度以及效率改进的范围。 为了缓解这种升级，运营商正在尝试创新的冷却方法和热再利用技术，提供商推出了用于电力密集型AI工作负载的高密度水冷机架。专家们一致认为，可再生能源生产的扩展 数据中心行业将加速发展，因为到2030年，目前的全球可再生能源容量将增长两倍半。 能源获取与电力使用的战略关系 优化操作是不够的 AI在能源使用中的作用也相当大。 虽然人工智能工作负载增加了数据中心的电力需求，但人工智能技术可以在改善能源使用和降低运营成本方面发挥关键作用。人工智能算法可以实时分析数据中心的运营，识别低效区域并推荐优化以减少能源需求。例如，人工智能可以优化冷却 系统通过根据实时数据调整温度设置来减少消耗，同时保持最佳工作温度。此外，AI可以预测设备故障并推荐维护计划，以最大限度地减少停机时间并提高运行性能 。 边缘计算的使用也在数据中心行业中获得了吸引力，作为通过减少延迟和提高性能来实现更高的网络效率的一种手段。 通过处理更靠近源的数据，边缘计算可以减少传输到集中式数据中心和长距离的数据量，缓解网络拥塞并改善响应时间。因此，边缘 计算优化能源使用，同时提高性能和可靠性。 这些行动虽然有助于提高数据中心运营的效率，但仍然错过了问题的焦点，即电源和消耗本身。因此，其他措施，例如使用可再生能源或减少冷却需求，可以降低功耗，并且是遏制的关键 数据中心电力需求的指数增长。 绿色数据中心和可再生能源 使用可再生能源已经成为数据中心行业的一个相关趋势。如亚瑟D.Little（ADL）观点“绿色数据中心：脱碳的机会”，太阳能，风能和水力发电等可再生能源作为降低成本，减少碳排放和促进可持续性的手段在数据中心行业中获得了吸引力。由于数据中心需要大量的能源来为其运营供电，因此采用可再生能源可以帮助减少对它们的依赖 。 化石燃料和降低他们的碳足迹。 一些数据中心运营商已经投资了可再生能源，一些公司的目标是使用可再生能源为其整个运营提供动力： -Google已承诺采购100%的它的能源需求来自可再生能源。 -微软已承诺到2030年实现碳负。 -Infosys和Shell合作建立了新的绿色数据中心 。 -亚马逊网络服务(AWS)目前可满足其85%的可再生能源需求 能源在其设施的平均;它寻求满足100%的需求来自可再生能源。 数据中心采用可再生能源支持环境可持续性，并提高运营弹性和成本效益。 数据中心冷却机制 冷却方法也已发展成为管理交流电源的战略方法 支出。已经出现了一系列创新技术来优化数据中心的热管理并降低能耗。液体冷却技术，包括后门热交换器、直接对芯片液体冷却和浸入式冷却，因其在高密度计算环境中高效散热的能力而在行业中获得了广泛的关注（见图2）。这些解决方案提供增强的散热性能、优化的能源使用和可扩展性，以满足AI工作负载和高性能计算应用的冷却要求。通过采用先进的冷却技术，数据中心运营商可以与可持续发展目标和行业最佳实践保持一致，以实现更高的冷却能力和更低的能源成本，并减少对环境的影响。 图2.数据中心的冷却机制选项 后门热交换器 被动或主动热交换器用液体热交换器代替IT设备机架的后门，并在服务器后部循环液体冷却剂 直接到芯片的液体冷却 直接芯片冷板位于板的发热组件上，以散发热量；产生的热量的70％-75％被去除 浸入式冷却 系统将机架中的服务器和其他组件浸没在导热介电液体或流体中 （最有效的液体冷却形式） 冷却CDU后门冷却CDU服务器冷却CDU淹没 水从机架水从机架水服务器 资本支出：+$0.75Mn/MW资本支出：+$1-2Mn/MW资本支出：+$1-2Mn/MW 效率 直接液体Immersion CDU=冷却液分配单元 来源：ArthurD.Little，Vertiv，美国银行，瑞士信贷，施耐德电气 液化天然气冷却：一种新的替代方案 在数据中心冷却过程中使用LNG技术为降低运营成本和促进环境可持续性提供了有希望的机会（见图3 ）。在数据中心冷却系统中采用液化天然气技术可以为行业创造显著的协同效应。通过利用液化天然气的低温冷能，数据中心可以减少对电力驱动的传统冷却系统的依赖，从而节省大量能源并提高运营效率。 液化天然气作为冷却源的成本效益可以帮助数据中心降低运营成本，同时实现环境可持续发展目标。此外，液化天然气技术提供了传统冷却方法的可再生替代方案 ，与业界日益关注的向更绿色、更环保的实践过渡的目标相一致。 将数据中心定位在靠近液化天然气工厂的地方，可以通过将剩余的冷量重定向到服务器来促进数据中心的冷却。这种方法可以帮助降低能耗和成本 同时促进更好的环境实践（见图4）。介绍液化天然气技术 数据中心冷却系统代表了数据中心行业朝着冷却优化 、成本节约和环境可持续性迈出的重要一步。 几个行业计划和项目展示了液化天然气技术在数据中心冷却过程中的实际应用，并展示了利用液化天然气实现可持续冷却解决方案的潜在好处(见图5)。能源供应商 、数据中心运营商和技术合作伙伴之间的合作导致了利用液化天然气的创新方法 冷能冷却数据中心。 亚洲和欧洲的项目探索了在数据中心冷却系统中整合液化天然气技术，证明了利用液化天然气实现节能冷却解决方案的可行性和优势。这些举措突出了液化天然气对数据中心运营的变革性影响，提供了一种可持续和具有成本效益的方法来应对行业的能源挑战，并促进环境管理。 图3.液化天然气残冷再利用示意图 LNG储罐 LNG船舶 卡车装载 数据中心 冷却系统数据中心 输气管道注入 设施 LNG终端基础设施将LNG储存在液相中（温度低于-160ºC） 这些工厂拥有海上蒸发器（在热交换过程中提高液化天然气温度同时降低水温的装置），以重新气化液化天然气并通过天然气管道注入 蒸发器 来源：ArthurD.Little 图4.LNG储罐的数据中心冷却潜力估算 LNG储罐冷却功率评估每个数据中心大小的平均冷却需求1 来自储罐中储存的LNG的冷却能量(120 -150km3能力)可以做出贡献一小时内的总冷却能量为22.7MWh（考虑蒸发器容量在100-200吨/小时之间） AnLNG储罐可提供冷却 功率接近~23MW用于数据中心的冷却过程 目前的西班牙足迹2 绿地新开发区 30%30%14%18%5%2% 23MW假设 100%效率 假设80% 效率3 PUE1.1PUE1.4 3.8 6.4 8.9 12.7 1.0 0.5 0.4 1.3 5.0 7.0 10.0 3.0 <1MW1-5MW5-10MW10-15MW15-20MW+20MW 注：（1）以每个容量间隔的中点计算的冷却必要性；（2）仅考虑西班牙数据中心，2024年1月； （3）浸没燃烧蒸发器以近100％的热效率蒸发高达200吨/小时的液化天然气来源：ArthurD.Little，瑞士信贷，ElEspañol 图5.数据中心使用LNG冷却的项目 液化天然气码头KOGAS&KT数据中心 新的曼谷数据中心可能会使用液化天然气燃料冷却 新加坡的液化天然气终端可用于冷却数据中心 韩国电信（KT）/韩国天然气（KOGAS）宣布计划建造由液化天然气冷却的数据中心。 根据这些公司的说法，使用液化天然气冷能可以在数据中心节省约12兆瓦的电力，例如在首尔龙山运行的KT。 曼谷商业区中心的新2兆瓦数据中心可以由再气化的液化天然气供电，以在其低碳微电网版本中创建区域冷却能源。 2022年11月，PTT/STTGDC签署了关于共同研究、设计和实施利用液化天然气再气化释放的冷能的方法的备忘录，以生产电力和冷冻水，用于在数据中心环境中冷却。 新加坡国立大学（NUS），吉宝数据中心和新加坡液化天然气（SLNG）将合作开发新的冷却技术，该技术可能有助于新加坡数据中心将PUE提高多达20％。 研究小组将探索使用水基相变流体作为热能载体 ，以取代冷冻水作为冷却介质。 来源：ArthurD.Little，微电网知识，数据中心动态 Conclusion STRATEGICCONVERGENCE ISKEYTOUNLOCKINGVALUE THEINTEGRATIONOFADVANCEDCOOLINGTECHNOLOGIESOFFERAPATHWAYTO OPTIMIZEENERGYUSE 人工智能技术的融合、不断增长的电力需求以及节能冷却解决方案的必要性，重塑了数据中心运营的格局，强调了可持