宋 杰，李丹陽，白麗麗，姜靜清

（1.東北大學(xué)軟件學(xué)院，遼寧 沈陽 112000；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙 古通遼 028043）

作為“東數(shù)西算”工程的重要實(shí)踐地區(qū)，內(nèi)蒙古數(shù)據(jù)中心的綠色經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的相關(guān)研究廣受關(guān)注。數(shù)據(jù)中心的相關(guān)研究主要分為節(jié)能和性能提升兩方面。數(shù)據(jù)中心的熱量管理一方面可以從減少制冷能耗的角度節(jié)省能源，另一方面熱點(diǎn)均衡可以促使數(shù)據(jù)中心的性能提升，因此內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心的熱量管理對于該地區(qū)數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)發(fā)展尤為重要，然而現(xiàn)有研究通常面向理想的數(shù)據(jù)中心，未能考慮內(nèi)蒙古地區(qū)的實(shí)際情況。筆者分析內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)在熱量管理上所面臨的挑戰(zhàn)與困難，尤其對整體空間布局、建模與控制策略和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等進(jìn)行重點(diǎn)分析，并從區(qū)域?qū)嶋H情況出發(fā)，提出對策建議。

1 內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心熱量管理研究的意義

在2020年9月召開的第75屆聯(lián)合國大會(huì)上，習(xí)近平主席提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)［1］，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》更是著眼于數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和數(shù)字中國，2022年3月，中華人民共和國第十三屆全國人民代表大會(huì)第五次會(huì)議提出，實(shí)施“東數(shù)西算”工程?！皷|數(shù)西算”工程是把經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)（如上海、杭州等地）高度集中的算力需求有計(jì)劃地引導(dǎo)到經(jīng)濟(jì)較為落后的西部地區(qū)（如內(nèi)蒙古地區(qū)）。“東數(shù)西算”工程將算力作為資源，把數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)要素，讓算力與數(shù)據(jù)跨域流動(dòng)，打通算力資源的地域局限，既緩解了東部能源緊張的問題，也給西部能源豐富、經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)開辟一條新的發(fā)展之路?！皷|數(shù)西算”不僅優(yōu)化了數(shù)據(jù)中心的算力和供能結(jié)構(gòu)，還促進(jìn)了東西部協(xié)同聯(lián)動(dòng)。

內(nèi)蒙古自治區(qū)大數(shù)據(jù)發(fā)展管理局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，作為“東數(shù)西算”工程的重要實(shí)踐地區(qū)，目前內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器裝機(jī)能力超過100萬臺(tái)，居全國首位，具有巨大的研究潛力。盡管全自治區(qū)數(shù)據(jù)中心的總裝機(jī)量超過35 萬臺(tái)，綜合利用率超過40%，數(shù)據(jù)中心市場化程度大幅提升，但仍有很大的發(fā)展空間。熱量管理可以實(shí)現(xiàn)溫度場平均分布、減少熱點(diǎn)、降低制冷能耗［1］，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和數(shù)字中國開辟了新的思路。

2 內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心熱量管理的相關(guān)研究

數(shù)據(jù)中心溫度分布不均勻是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行中必然產(chǎn)生的現(xiàn)象［2］。在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和數(shù)字中國過程中，內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心的熱量管理面臨許多挑戰(zhàn)。內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心對“雙碳”目標(biāo)和數(shù)字中國的支持情況見圖1。從靜態(tài)環(huán)境的角度分析：由于硬件設(shè)備的局限性和空間布局等不可變因素，會(huì)造成數(shù)據(jù)中心的熱量在某些節(jié)點(diǎn)或某些位置積累［3］；從動(dòng)態(tài)環(huán)境的角度分析：數(shù)據(jù)中心所處的外部環(huán)境，如溫度、濕度、日照、風(fēng)力等，會(huì)周期性地發(fā)生改變。這些會(huì)使數(shù)據(jù)中心的散熱能力并不完全恒定，而數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的服務(wù)器的利用率會(huì)隨著用戶任務(wù)的變化而變化［4］，這也會(huì)使數(shù)據(jù)中心熱點(diǎn)產(chǎn)生的位置難以控制，因此大量研究均聚焦于數(shù)據(jù)中心的硬件設(shè)備、空間布局和數(shù)據(jù)中心相關(guān)環(huán)節(jié)建模對數(shù)據(jù)中心熱量的影響。

圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心對“雙碳”目標(biāo)和數(shù)字中國的支持Fig. 1 The support of Inner Mongolia regional data center for the“double carbon”target and digital China

為了消除數(shù)據(jù)中心的熱分布不均現(xiàn)象，通常會(huì)對數(shù)據(jù)中心的硬件設(shè)備進(jìn)行布局優(yōu)化并對其調(diào)控方法進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)據(jù)中心的熱量管理包括對服務(wù)器和空調(diào)的更新與排布，或?qū)囟?、氣流等物理參?shù)進(jìn)行管控等［5］，為了驗(yàn)證模型和控制方法的合理性和有效性，研究人員通常會(huì)使用一些模擬平臺(tái)對所提方法進(jìn)行測試［6］，下面具體分析現(xiàn)階段的相關(guān)研究進(jìn)展。

2.1 內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心的硬件設(shè)備與空間布局

數(shù)據(jù)中心最主要的用電設(shè)備是提供算力的服務(wù)器及其所需的制冷設(shè)備［7］。服務(wù)器的型號和機(jī)架的空間布局直接影響服務(wù)器工作時(shí)的散熱效果，對數(shù)據(jù)中心熱量管理有較大的影響。制冷設(shè)備根據(jù)制冷方法分為空調(diào)、風(fēng)扇和液冷等3種方式［8］。

通常情況下，數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃投建之前就已經(jīng)由專業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場情況、地理特性和算力需求等確定了服務(wù)器型號、機(jī)架的位置和制冷設(shè)備的種類。根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)獨(dú)有的自然環(huán)境，多采用空調(diào)制冷搭配冷水液冷的機(jī)制。事實(shí)上，由于內(nèi)蒙古地區(qū)可再生能源較為豐富，空調(diào)的用電量和液冷的布局策略較為欠缺。隨著“東數(shù)西算”和數(shù)字中國的不斷發(fā)展，對電力和低碳的需求也將日益增加，內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的硬件設(shè)備和空間布局策略也將面臨挑戰(zhàn)。

2.2 內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心的建模與調(diào)度策略

在研究數(shù)據(jù)中心熱量管理時(shí)，制冷模型、熱量模型、功率模型和負(fù)載模型是最為關(guān)鍵的模型［9］?，F(xiàn)有研究對這些模型已有較為完善的分析和說明，但是由于制冷方式的獨(dú)特性和東部數(shù)據(jù)負(fù)載的靈活性，現(xiàn)有的制冷模型、熱量模型和負(fù)載模型并不完全適用于內(nèi)蒙古地區(qū)的數(shù)據(jù)中心。考慮到內(nèi)蒙古地區(qū)的能源特性和制冷機(jī)制，其調(diào)度策略也將更加靈活和豐富，內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心的建模與調(diào)度策略同樣面臨挑戰(zhàn)。

2.3 數(shù)據(jù)中心熱量模擬的方法和平臺(tái)

由于真實(shí)的數(shù)據(jù)中心環(huán)境難以獲得，研究人員廣泛使用模擬實(shí)驗(yàn)來評估熱量管理方法。許多文獻(xiàn)都使用知名的模擬器來評估他們的工作［10］，如CloudSim、Matlab、6SigmaDC 以及廣泛使用的Fluent，具體占比見圖2。

圖2 最新的數(shù)據(jù)中心研究中包含各種模擬器的比例Fig. 2 The proportion of each inclusive simulator in recent studies on data center

這些現(xiàn)有模擬器在對數(shù)據(jù)中心熱量進(jìn)行模擬時(shí)，大體分為3類。第1類著重?cái)?shù)據(jù)中心運(yùn)行狀態(tài)模擬，在其中加入熱模擬工具包，如CloudSim，第2類使用數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行結(jié)果著重?zé)崃磕M，如Fluent。它們都不是針對數(shù)據(jù)中心熱量模擬而開發(fā)的專用模擬平臺(tái)。第3類將數(shù)據(jù)中心的熱量模擬完全轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，使用如Matlab一類數(shù)學(xué)模擬平臺(tái)進(jìn)行模擬。數(shù)據(jù)中心熱量模擬平臺(tái)，需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行狀態(tài)的變化對數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的熱量變化進(jìn)行模擬。開發(fā)一個(gè)用于模擬數(shù)據(jù)中心熱量的模擬平臺(tái)，不僅是研究內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心的需求，更是未來解決數(shù)據(jù)中心熱量管理相關(guān)難題的途徑。

3 內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心熱量管理的應(yīng)對策略

數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)發(fā)展，一方面是能源的可持續(xù)性，另一方面是數(shù)據(jù)中心規(guī)劃和建設(shè)的可持續(xù)性。綠色可持續(xù)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)涉及建筑物主體的規(guī)劃和布局、散熱冷卻材料的篩選制備、供配電系統(tǒng)優(yōu)化降低損耗和安全控制系統(tǒng)更新升級等一系列技術(shù)。建設(shè)一個(gè)綠色可持續(xù)的數(shù)據(jù)中心，需加大科研投入和多領(lǐng)域共同發(fā)展，從相關(guān)材料的研究與創(chuàng)新，到適配服務(wù)器的各項(xiàng)硬件設(shè)備和軟件方法的升級，各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)都需同步推進(jìn)。要組建有內(nèi)蒙古區(qū)域特性的核心技術(shù)科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)鏈，有側(cè)重地突破技術(shù)壁壘，打破各個(gè)產(chǎn)業(yè)之間的瓶頸，牢牢把握創(chuàng)新發(fā)展主動(dòng)權(quán)，促進(jìn)綠色數(shù)據(jù)中心設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、建造，實(shí)現(xiàn)自主產(chǎn)業(yè)化，提升數(shù)據(jù)中心行業(yè)核心競爭力。

3.1 優(yōu)化數(shù)據(jù)中心設(shè)備布局，合理規(guī)劃散熱冷卻機(jī)制

內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心根據(jù)自身的地理位置，分布確定了散熱冷卻設(shè)施的類型和方法，并提出了適時(shí)技術(shù)應(yīng)用方案。由于內(nèi)蒙古地區(qū)獨(dú)有的溫度及能源環(huán)境特征，助力了風(fēng)冷技術(shù)與液冷技術(shù)協(xié)同發(fā)展，又由于內(nèi)蒙古地區(qū)可再生能源發(fā)電能力充沛，并且地價(jià)低廉、空氣清潔，滿足新風(fēng)制冷環(huán)境要求，適合配備新風(fēng)制冷設(shè)備，符合綠色高能效發(fā)展趨勢，但由于空氣本身熱導(dǎo)率低，不利于高功率密度的服務(wù)器的制冷，從成本角度出發(fā)，內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心還應(yīng)盡量多采用液冷設(shè)備作為制冷設(shè)施。

在我國，服務(wù)器的液冷設(shè)備研發(fā)仍處在起步階段，采購成本偏高、渠道少。其中，液冷服務(wù)器冷卻介質(zhì)成本高是液冷服務(wù)器不能大規(guī)模推廣的最重要原因。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心所需電子元器件的兼容性低等問題也十分嚴(yán)峻。對此，一方面要提升液冷相關(guān)設(shè)備的改進(jìn)與研發(fā)；另一方面，也要針對液冷和空氣制冷結(jié)合的研發(fā)思路，提出優(yōu)化調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)雙管齊下。

3.2 注重清潔能源利用，優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度策略

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器常進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)算，因此數(shù)據(jù)中心屬于高耗能產(chǎn)業(yè)。內(nèi)蒙古自治區(qū)具有充沛的風(fēng)能、光伏，利用這一類可再生能源產(chǎn)生的電能可以充分應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心之中［11］，助力數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)建設(shè)。由于可再生能源發(fā)電具有間歇和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)來源和供能比例是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能降碳直至碳中和的關(guān)鍵。科學(xué)的調(diào)度方法可以優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的電力結(jié)構(gòu)，逐步提升“綠電”的比重，是數(shù)據(jù)中心綠色可持續(xù)的必經(jīng)之路。此外，數(shù)據(jù)中心在計(jì)算耗電的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，研究人員可以考慮將數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的余熱進(jìn)行二次利用，如為冬季供暖提供熱源，或與轉(zhuǎn)化為其他種類的可用能源進(jìn)行循環(huán)利用。

3.3 開發(fā)數(shù)據(jù)中心熱量模擬仿真平臺(tái)，助力數(shù)據(jù)中心熱量管理產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

理想的數(shù)據(jù)中心熱模擬器應(yīng)該是功能齊全且易于應(yīng)用的，筆者對未來的模擬器提出了展望。

3.3.1 注重?cái)?shù)據(jù)中心運(yùn)行狀態(tài)模擬

數(shù)據(jù)中心熱研究的趨勢，從靜態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整。僅研究靜態(tài)數(shù)據(jù)中心會(huì)隱藏?cái)?shù)據(jù)中心熱設(shè)計(jì)的一些缺陷，導(dǎo)致中心運(yùn)行時(shí)無法根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（如工作負(fù)載、資源使用情況和功耗）進(jìn)行優(yōu)化。如果研究人員改變服務(wù)器的資源使用分布，熱分布也會(huì)相應(yīng)改變。數(shù)據(jù)中心模擬器應(yīng)該充分突出資源管理功能，以支持這種趨勢。

3.3.2 具備輕量級的熱模擬

在數(shù)據(jù)中心的熱模擬中，需要反映各個(gè)部分的熱環(huán)境，它如何隨運(yùn)行而變化，優(yōu)化效果如何，這是需要解決的一個(gè)問題。熱分布不一定在時(shí)間和空間上以非常細(xì)的粒度進(jìn)行建模和模擬，例如不能期望資源調(diào)度器能夠立即顯著地影響熱分布，因?yàn)檫\(yùn)行狀態(tài)和熱條件都不穩(wěn)定。復(fù)雜的CFD 計(jì)算通常需要強(qiáng)大的計(jì)算資源來模擬詳細(xì)和實(shí)時(shí)的熱動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，這種對靈巧性和硬件需求會(huì)大大增加投資成本，但模擬結(jié)果可能對研究沒有實(shí)際意義。理想的模擬器應(yīng)該具備輕量級的熱模擬，在時(shí)間和空間上粒度都很粗，易于建模和執(zhí)行，對硬件的要求更少。

3.3.3 具備人工智能集成仿真功能

人工智能已經(jīng)改變了世界，并在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和治理方面取得了重大進(jìn)展。在許多領(lǐng)域，人工智能可以讓人、社區(qū)、機(jī)器和計(jì)算機(jī)協(xié)同工作，并做出巨大的改進(jìn)。綠色數(shù)據(jù)中心的人工智能熱管理通常利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)中心內(nèi)部溫度進(jìn)行預(yù)測，可以提前對溫度進(jìn)行限制，達(dá)到良好的熱平衡。人工智能可以輕松實(shí)現(xiàn)其他方法難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，因此理想的模擬器應(yīng)該集成AI，例如它可以支持流行的人工智能平臺(tái)，支持深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能模型的部署和執(zhí)行環(huán)境。人工智能集成模擬器使研究人員能夠在模擬案例中運(yùn)行基于人工智能的優(yōu)化。

3.3.4 具備大規(guī)模異構(gòu)跨區(qū)域數(shù)據(jù)中心模擬能力

一方面，異構(gòu)數(shù)據(jù)中心可以將各種計(jì)算資源聚集在一起；另一方面，將跨區(qū)域數(shù)據(jù)中心連接起來，形成一個(gè)聯(lián)合體，可以高效地為跨區(qū)域提供服務(wù)。

4 總結(jié)

數(shù)據(jù)中心的熱量管理是技術(shù)問題，更是實(shí)現(xiàn)我國東西產(chǎn)業(yè)區(qū)域平衡和數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要路徑。筆者從區(qū)域特性和科研技術(shù)相結(jié)合的視角闡述了內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心熱量管理的意義，分析了內(nèi)蒙古地區(qū)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，具體從硬件設(shè)備、空間布局、調(diào)度方法以及仿真平臺(tái)等方面提出應(yīng)對策略，為實(shí)現(xiàn)“東數(shù)西算”提供具體路徑，希望對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和數(shù)字中國起到指導(dǎo)作用。