数据中心冷却技术的演变

作者：Ram Sunkara, Holland & Knight

数据中心是数字时代的基石，它们承载着服务器和网络设备，为从云计算到流媒体服务的一切提供动力。随着这些设施规模和复杂性的增长，如何保持其冷却也面临着越来越大的挑战。传统上，风冷技术一直是应对数据中心产生的巨大热量的首选方案，但随着数据中心规模的扩大和性能的提升，水冷系统开始取代或增强风冷系统。

如今，行业正在超越风冷和水冷，转向更可持续的新型冷却方法。本文将探讨水冷技术的历史应用、面临的挑战、潜在的替代方案，以及塑造数据中心冷却未来的技术和政策进展。

水冷技术的历史应用

几十年来，水冷一直是数据中心运营的支柱技术。其主要方法是利用水吸收信息技术 (IT) 设备产生的热量，然后以加热液体或气体的形式排出。对于容纳大量 IT 设备并产生大量热量的大型数据中心而言，这种方法是必不可少的。早期的系统依赖于冷水系统，即利用冷水机冷却水，并在数据中心内循环以吸收热量。随着时间的推移，出现了更先进的冷却方法，例如芯片级直接冷却和浸没式冷却，从而提高了效率和性能。

尽管水冷技术卓有成效，但仍面临诸多挑战。确保众多复杂系统均匀冷却并非易事。水流和服务器散热量的不均衡会导致部分区域冷却过度或冷却不足，从而造成效率低下和过热。此外，冷却系统是数据中心最大的能源消耗者之一，低效的系统会造成能源浪费，导致运营成本上升。水冷系统需要定期监控和维护，以防止泄漏并确保最佳性能。这些系统的复杂性可能导致更高的维护成本和潜在的停机时间。

水冷技术的潜在替代方案

为了寻求更可持续、更高效的冷却方法，人们开发了多种前景广阔的替代方案，例如芯片直接冷却和浸没式冷却，尤其是在现代高性能IT设备产生更多热量的情况下。将空气冷却与先进的液体冷却相结合，有助于优化性能和效率。混合系统允许在高密度区域使用液体冷却来补充空气冷却，从而最大限度地利用对现有风冷数据中心进行液体冷却升级的投资。诸如两相浸没式冷却等新兴技术，将服务器浸入一种非导电液体中，液体沸腾蒸发以带走热量，人们正在探索其革新数据中心冷却方式的潜力。这些替代冷却方法具有更高的效率和更低的能耗。

技术进步和美国政策对冷却技术的影响

技术进步和政策变化正在推动数据中心冷却技术的演进。人工智能 (AI) 和高性能计算的兴起增加了对高效冷却解决方案的需求。由于其在处理高密度工作负载方面的卓越性能，直接芯片冷却和浸没式冷却等液冷技术正变得越来越普及。

虽然闭环系统和蒸发式冷却系统因其节水性能而被广泛应用于数据中心，但它们的散热效率仍不及直接芯片冷却或浸没式冷却技术。然而，该领域的创新正在加速发展。美国顶尖大学的研究表明，太阳能海水淡化系统正变得比自来水更具成本效益，并为水源提供了可扩展的离网解决方案。诸如此类的进步正在帮助数据中心减少环境影响，并更有效地应对审批方面的挑战。

美国能源部和美国环境保护署 (EPA) 已推出相关标准和激励措施，以促进数据中心的能源效率，例如“数据中心能源之星”计划鼓励采用高效冷却技术。此外，许多州已通过立法或提出相关法案，涉及公用事业连接和费率、替代能源的可用性以及信息公开要求等问题。这些政策正推动行业采用更节水的冷却方法。

水资源短缺挑战

液冷系统需要大量用水，一个1兆瓦的数据中心每年用水量高达2550万升。如今的数据中心功率轻松突破数百兆瓦，一些耗资数十亿美元的数据中心园区正在规划建设中，其峰值耗水量以吉瓦计。一个大型生成式人工智能应用每回复10条消息，大约需要500毫升水，而回复量则高达50条。虽然目前只有不到三分之一的数据中心会追踪用水量，但诸如用水效率之类的指标可以帮助我们更好地了解用水情况。

一些数据中心已经开始将水资源管理作为运营的核心考量因素。一种很有前景的解决方案是闭环冷却系统，该系统可以循环利用水或雨水，这些方案有望节水50%到70%。数据中心领域的其他企业在设计数据中心时也开始考虑当地的水资源状况，包括该地区的可用水量以及该地区如何应对用水量增加。一家大型科技公司已开始将水源视为与获取非碳能源同等重要的因素，并将其纳入可持续发展的整体战略之中。

应对用水权方面的法律挑战

由于数据中心需要大量用水，因此获取用水权(包括水资源的合法使用权)对数据中心的运营至关重要，而这在水资源短缺的背景下会带来潜在的挑战。例如，在德克萨斯州，潜在的水资源短缺促使一些市政当局提前购买地下水权。埃尔帕索市在2016年至2021年间购买了7万英亩土地，以确保其地下水的使用权。市政当局还可以实施用水限制，德克萨斯州的某些县——主要集中在休斯顿、达拉斯-沃斯堡和奥斯汀等主要城市周边——在2024年实施了约200项用水限制。

鉴于这些地方政府为购买地下水权和限制用水所做的努力，应对围绕水权和用水限制的法律挑战对于数据中心的运营至关重要，尤其是在数据中心的增长迫使更多市政当局在制定当地用水和水资源短缺缓解政策时将数据中心运营纳入考量的情况下。对于开发商而言，获得充足的水权(无论是通过合同还是许可证)并确保供水条款与租户租赁协议中的服务水平承诺相符至关重要。尤其对于大型园区而言，确保水权是整个开发过程中至关重要的早期步骤。

此外，如果拟建数据中心位于人口中心附近，可能会引发公众反对，从而导致“邻避效应”(NIMBY)。为了积极应对这一潜在问题，数据中心开发商越来越多地在许可审批流程的早期阶段就与当地社区和监管机构进行沟通。这包括开展透明的沟通和公众教育活动，宣传环境影响，特别是水和能源的使用，并展示数据中心如何成为区域资产。将数据中心整合到电网基础设施中、使用可再生能源以及最大限度地减少噪音和视觉干扰等策略，已被证明能够有效减少邻避效应的反对并加快审批速度。

根据具体情况，可能还有其他创新解决方案。例如，数据中心可以考虑将其设施与现有的常规发电厂共址，该发电厂已分配冷却水资源。数据中心不仅可以受益于稳定的电力供应，还可能利用超出发电厂需求的冷却水量。

数据中心冷却技术的演进反映了该行业对日益增长的环境问题和更高效率需求的响应。虽然水冷几十年来一直是可靠的解决方案，但其不足之处正促使人们转向更可持续的替代方案。液冷、混合系统和其他创新技术的进步，加上相关政策的支持，正在为数据中心冷却的新时代铺平道路。随着行业的不断发展，对于为能源和数据中心行业的客户提供法律咨询的专业人士而言，密切关注这些发展动态至关重要。

Joshua Belcher、Blaine Remmick 和 Nikolai Hood 也对本文做出了贡献。