为了填补这一空白，NVIDIA 和 Vertiv 的专家团队开展了首个关于液冷对数据中心 PUE 和功耗影响的重大分析。完整的分析报告已由美国机械工程师协会 (ASME) 发表，题为《高密度空液混合冷却数据中心的电源使用效率分析》。本文总结了该分析的方法、结果和主要发现。本文还介绍了
分析数据中心液冷电源效率的方法
为了进行分析，我们选择了位于马里兰州巴尔的摩的一座二级中型（1-2 MW）数据中心。该数据中心设有 50 个高密度机架，排列成两排。分析的基准是采用两台冷水机组提供 100% 空气冷却，并配备标准的机房空气处理机组 (CRAH) 周边空气控制器和热通道机柜系统。冷却机组由一台 Vertiv™ Liebert® AFC 冷水机组提供支持，该冷水机组具备自然冷却、绝热自然冷却、混合冷却和绝热机械冷却功能。.
液冷是通过安装在主要发热 IT 组件上的微通道冷板直接冷却芯片来激活的，并由两个带有液-液热交换器的 Vertiv™ Liebert® XDU 冷却剂分配单元 (CDU) 提供支持。.
该分析采用自下而上的方法，将IT负载分解为各个子系统，从而能够精确计算逐步提高每个子系统液冷负载比例的影响。随后开展了四项研究，每项研究都逐步提高液冷比例，同时通过液冷优化冷冻水温度、送风温度和二次进风温度。.
研究 1：100% 风冷，冷冻水温度为 7.2°C (45°F)，送风温度为 25°C (77°F)，二次进风温度为 32°C (89.6°F)。
研究 2：61.4% 的负荷采用液冷，38.6% 的负荷采用风冷。冷冻水温度升高至 18°C (64.4°F)，送风温度保持在 25°C (77°F)，二次进风温度保持在 32°C (89.6°F)。
研究 3：68.6% 的负荷采用液冷，31.4% 的负荷采用风冷。冷冻水温度升高至 25°C (77°F)，送风温度升高至 35°C (95°F)，二次进风温度保持在 32°C (89.6°F)。
研究 4：74.9% 的负荷采用液冷，25.1% 的负荷采用风冷。冷冻水温度保持在 25°C (77°F)，送风温度保持在 35°C (95°F)，二次进风温度升至 45°C (113°F)。
引入液冷技术对数据中心能耗和PUE的影响
研究4中液冷技术的全面实施（74.9%）使核心功耗降低了18.1%，数据中心总功耗降低了10.2%（与100%风冷相比）。这不仅每年可降低10%的能源成本，而且对于使用碳基能源的数据中心而言，还能减少相同比例的范围2排放。.
随着采用芯片直接冷却方式的负载比例增加，数据中心的总功耗逐渐降低。在研究 1 到研究 2 中，功耗降低了 6.4%；在研究 2 到研究 3 之间，功耗又降低了 1.8%；在研究 3 到研究 4 之间，功耗进一步降低了 2.5%。.
根据这些结果，各研究中数据中心的PUE值计算结果可能令人惊讶。PUE值仅下降了3.3%，从研究1的1.38降至研究4的1.34，而研究2和研究3的PUE值实际上保持不变，为1.35。.
如果您熟悉 PUE 的计算方法，可能已经猜到造成这种差异的原因了。PUE 本质上是衡量基础设施效率的指标，计算方法是用数据中心的总功率除以 IT 设备的功率。但液冷不仅降低了数据中心自身的功耗，还通过减少服务器风扇的需求，降低了 IT 设备的功耗（以 PUE 来定义）。.
在研究 1 和研究 2 之间，服务器风扇功耗下降了 41%，在研究 1 和研究 4 之间下降了 80%。这使得在研究 1 和研究 4 之间 IT 功耗降低了 7%。.
与空气冷却不同，液体冷却会影响 PUE 计算中的分子（数据中心总功率）和分母（IT 设备功率），这在比较液体冷却系统和空气冷却系统的效率时意义不大。.
在我们的文章中，我们提出使用总使用效率 (TUE) 作为更合适的指标，我将在后续文章中解释做出这一决定的原因。我们分析的数据中心的 TUE 在研究 1 和研究 4 之间提高了 15.5%，这使我们相信，TUE 能够准确衡量通过优化液冷实施所实现的数据中心效率提升。
数据中心液冷能效分析的主要发现
该分析从多个不同角度探讨了数据中心液冷系统的效率及其优化方法。我建议数据中心设计人员阅读完整文档，其中包含用于得出上一节结果的支撑数据。以下是一些可能对更广泛读者群体有价值的关键发现。.
在高密度数据中心中，与风冷相比，液冷能够显著提高IT系统和设施的能源效率。在我们经过全面优化的研究中，引入液冷使数据中心总功耗降低了10.2%，总能源利用率（TUE）提高了15%以上。
在数据中心中最大限度地部署液冷（以液冷IT负载的百分比衡量）能够实现最高的效率。芯片级直接冷却（DTC）虽然无法对所有负载进行液冷，但使用DTC液冷可以有效冷却约75%的负载。
液冷可以提高冷冻水、送风和二次进风口的温度，从而最大限度地提高设施基础设施的效率。尤其值得考虑的是热水冷却。在我们最终的研究中，二次进风口的温度达到了45°C（113°F），这不仅有助于取得理想的结果，还增加了废热再利用的机会。
PUE 不是衡量数据中心液冷效率的好指标，而 TUE 等替代指标对于指导在风冷数据中心引入液冷相关的设计决策将更有用。
最后，我要感谢Vertiv和NVIDIA的同事们为这项开创性的分析所做出的贡献。研究结果不仅量化了液冷技术所能实现的节能效果，还为设计人员提供了宝贵的数据，可用于优化液冷数据中心的安装。.
有关推动液冷技术普及的趋势的更多信息，请参阅博客文章《液冷：高密度计算的数据中心解决方案》，该文章总结了 2022 年 OCP 全球峰会上液冷专家小组的见解。.
作者：弗雷德·雷巴伯
作为Vertiv的全球技术总监，Fred负责公司与大型终端用户和专注于关键任务设计的咨询工程师之间的技术对接。他的一项关键职责是根据客户需求和市场需求，为产品开发提供建议。此前，Fred曾在OEM部门任职，与制造商和终端用户合作，推动现有Vertiv™ Liebert®产品的应用，并为新产品制定规范。在加入OEM部门之前，Fred曾担任Cooligy的销售和市场总监，该公司是一家为制造商设计和制造芯片级液冷解决方案的初创公司。Fred拥有加州大学伯克利分校机械工程学士学位。.
