近年來 5G、AI、雲端運算等技術日漸成熟,帶動企業邁向數位轉型,再加上我們生活中不可或缺的各種社群媒體、商業購物、遊戲娛樂、以及越來越普遍的自駕車等,這些科技的背後都需要高效的資料中心支持,不過伴隨而來的高耗能就成了棘手的問題。

根據微軟在 2021 年 Microsoft Build 開發者大會上表示,目前資料中心的耗電量約佔全球總發電量的 1%,預估 2030 年將快速成長到 3% ~ 8%,而且這個數字只會越來越高。台達長期投入高效資料中心方案的研發,在市場上佔有重要地位,對於提供數據中心用電效率以及節能議題格外關注。

台達指出,目前市場能源用量原本就很緊繃,加上環保意識抬頭,越來越多企業改採用綠能,對資料中心發展形成一大挑戰,也呼籲企業應正視這項議題並著手擬訂對應策略。

圖說: 5G、AI、雲端運算等互聯網技術日漸成熟,背後需要高效的資料中心支持,如何解決隨之而來的高耗能問題,成為一大考驗。

此外,隨著全球數位化腳步加快,資料中心的運算能力、通訊流量、儲存空間都大幅提升。根據科學期刊 2020 年的統計和預估,未來數據中心運算能力將提升約 5.5 倍、通訊流量 11 倍、儲存需求更暴增至 26 倍,成長幅度十分驚人。但也帶來兩個棘手問題,一是前面提到的耗電量增加,二是處理器會隨著高效能增溫,而高溫往往是系統穩定度的第一殺手要解決這兩大問題必須從電源系統著手

風冷散熱設計效能不佳,大型資料中心成耗能怪獸?浸沒式系統成為新選擇!

台達深耕資料中心領域多年,成立專業的顧問團隊協助客戶規劃各種規模資料中心的基礎建設,提供全方位的解決方案,包括電力、配電系統、機架、精密空調、資料中心管理系統等,並且進一步透過優化能效、節省用電為客戶實現綠色資料中心。

散熱,一直是資料中心最主要用電項目之一,也最具備節能潛力。目前大型資料中心的散熱設計有三種,包括風冷、液冷與浸沒式,其中風冷仍是現今的主流散熱設計

風冷散熱也就是常見將風扇設計在機箱一側,透過空氣對流將熱空氣排出;液冷是在系統內部設計導管,讓導管內流動的冷卻液為系統降溫;至於浸沒式設計則將系統設計為模組槽櫃,再將整組系統浸沒在冷卻液中。

台達電腦及網通電源事業部工程部經理徐清振,在數據中心電源開發上有多年經驗。他分析,風冷是資料中心最常見的散熱方法,但耗能高,空間利用效益不佳,對環境與系統穩定性的影響也較大。在耗能部分,資料中心的關鍵指標是 PUE (Power Usage Effectiveness),「PUE 指標是指系統運算與非運算的能耗比例,因此數值越接近 1 越好。

圖說:風冷散熱目前仍是大型資料中心的主流散熱設計,但能耗較高,空間利用效益也不佳,對環境與系統穩定性的影響也較大。

一般風冷散熱資料中心的 PUE 是 1.69,意思是設備每使用100W 電力,就要多浪費 69W 在散熱、照明等與運算無關的耗能上。相較之下液冷的 PUE 只有約 1.15,浸沒式最佳更可達到 1.03,由此可以看出三者之間的功耗差異

空間效益方面,風冷設計必須在系統內預留散熱空間,大功率輸入電源線也要有足夠的安規距離,因此資料中心體積要縮小相對困難。

「大型資料中心往往都是數個足球場大小的大型建築,空間利用率非常低」。另外風扇高速運轉時噪音很大,傳統氣冷式資料中心噪音值常高達 85分貝,一般而言 70分貝就會讓人感到吵雜煩躁,85分貝已逼近損害神經的標準。風扇除了產生噪音,也會因為容易吸入棉屑灰塵,影響系統的穩定度,液冷與浸沒式則因無需風扇,所以沒有上述缺點。

風冷架構由於技術成熟,目前仍是市場主流,不過在用電效益與環境保護考量下,浸沒式散熱設計在近年來逐漸為企業採用,「現在的資料中心電源系統必須可同時滿足這兩大需求,並透過新世代半導體技術優化供電效能。

CRPS 散熱設計同時支援浸沒式與風冷,大幅提升功率效益

無論客戶資料中心需求的是浸沒式、液冷或風冷設計,台達皆可充份滿足客戶需求。如果選用浸沒式架構,台達可提供浸沒式冷卻最佳化熱管理設計及電源方案,在液冷設計則運用 Cold Plate 水冷板技術搭配冷卻液分配器,解決伺服器高速運算所產生的高解熱需求,還可進一步採用功率密度更高的伺服器電源。

若選擇風冷架構,台達亦可提供高性能、低噪音、低震動的 DC 無刷直流風扇及散熱模組,以強制對流散熱方式達到快速散熱,可立即導入到現有的資料中心系統,提升效益。

至於供電效能方面,徐清振以台達最新的 3200W 鈦金級伺服器電源 CRPS 為例,在散熱設計環節同時支援了浸沒式與風冷兩種設計,企業可依自身考量選擇。3200W 鈦金級伺服器電源 CRPS 採用了 GaN(氮化鎵),GaN 的優點是電壓、電流的耐受能力高,可在同樣體積下製作出功率密度更高的功率元件 HEMT(高速電子遷移率場效電晶體)。

GaN 的切換速度也比目前常用的矽(Si)基 MOSFET 快,「透過這些特色,GaN 可以用相同體積供應更大的電力,操作頻率也會大幅提升。」

圖說:採用 GaN 的 3200W 鈦金級伺服器電源 CRPS,功率密度可以大幅提升 25%。

比較矽基 MOSFET 與 GaN HEMT 兩種元件所設計的伺服器電源,在相同體積下,採用 GaN 的 3200W 鈦金級伺服器電源 CRPS,功率密度可以提升 25%電源效率可從過去的 94% 提升至 96%

在高頻化的設計下,既可以維持相同的電源效率,體積也能大幅縮小,節省的空間可用於電容設置,讓資料中心在無預警斷電時透過電容延長多達 30% 的緩衝時間,強化系統可靠度。

CRPS 提高能源使用效率節省用電,成功案例遍佈全球多國

近年來淨零碳排成為全球企業的重要目標。台達在過去 11 年來替客戶節省了 359 億度的電,相當於減少 1,901 萬噸的二氧化碳排放,同時訂下 2030 年100% 使用再生能源的淨零承諾,並付諸行動、透過「節流」和「開源」兩大方向進行節能減排。

「節流」指的是從台達本身從營運、製造到產品全方位進行節能減排,而「開源」則是透過深厚的研發技術,持續提高產品的能效、減少不必要的用電,目前已在資料中心部份取得了實際的成效。

台達整合資料中心硬體、高效電力、散熱和其他相關產品,為全球客戶規劃、建構最佳綠色資料中心,並有許多成功實例。

在台灣,台達使用新一代解熱技術為知名半導體廠商導入兩相浸沒式液冷解決方案,打造出能源使用效率 PUE 值 < 1.08 的低能耗綠色資料中心;在歐美,台達協助多家知名數據託管中心業者設計建置高可靠度以及節能的資料中心;在大陸,台達為雲端業者打造高壓直流電源解決方案,整機峰值效率高達98%,減少 20% 以上供配電的建置成本;在澳洲則提供高效的資料中心方案幫助成長快速的數據託管中心業者提升競爭力,並且將市場從澳洲拓展至整個亞太地區。