解碼綠色運算與低碳轉型的首選 - 資料中心冷卻方案

運算效能的突破推動了新興技術的發展，高效能運算（High Performance Computing, HPC）與雲端運算（Cloud Computing）支援人工智慧（Artificial Intelligence, AI）訓練及分析的技術，藉由第五代行動通訊技術（5G）的加速布建與啟用，逐步實現物聯網（Internet of Things, IoT）、萬物聯網（Internet of Everything, IoE）與智慧聯網（AIoT），以及延展實境（Extended Reality, XR）與元宇宙（Metaverse）的佈局與應用。為滿足各樣新興技術所需的強大運算力，新一代處理器的效能更加強大，而產生的熱能也越來越高，晶片發熱最大功率從以往的150瓦增加到300瓦，且逐代上升。根據國際環境調查局（Environmental Investigation Agency, EIA）報告指出，資料中心占全球總電量需求的1%，並於2020年產生全球0.3%的碳排放量。

然而，在推進科技發展的同時，兼具永續效益已是全球共識，如195個聯合國成員國於2015年簽署的《巴黎協定（Paris Agreement）》，旨在追求於2030年落實限制全球氣溫升高幅度介於1.5℃~2℃之目標；以及歐洲各大資料中心營運商簽署的《氣候中和資料中心協議（Climate Neutral Data Centre Pact）》，致力利用技術和數位化，在2030年以前實現氣候中和，並在2050年以前達到碳中和。因此，採用可減少碳足跡且提升運算效能的資料中心冷卻解決方案，已成為企業投入企業社會責任（CSR）與環境、社會與治理（ESG）行動，邁向淨零排放的首要選項。

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一般而言，資料中心的室溫建議維持在21至24度，且必須注重控制機房溫度、濕度與機房內空氣品質，並搭配冷卻解決方案確保穩定性，減少非必要的耗能。以國際通用衡量資料中心能源效率的標準指標，電力使用效率（Power Usage Effectiveness, PUE）為例：PUE是以「資料中心的總用電量」除以「資料中心內供應資訊設備的總用電量」，理想比率為1.0，意指資料中心所消耗的電力完全用於電腦運算；因此，PUE值越近於1.0，即代表資料中心消耗在機房空調冷卻的電力越少。Uptime Institute於《Global Data Center Survey 2021》報告中揭露，受訪的全球企業所運行的資料中心平均PUE值為1.57，意味著額外用來運行資料中心冷卻設備的能源，高達純用於運算電量的近六成。因此，可提升整體運算效能和部署彈性，改善資料中心PUE，降低碳排放的資料中心冷卻解決方案，便成為企業發展永續供給與需求平衡，為淨零排放盡一份力的首選技術。

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在初期設計與規劃資料中心時，需利用專業的建築設計思維，縝密規劃機房的管線與空調的設計，打造有效排風和散熱的空間，確保資料中心整體的環境條件易於調節；亦可利用資料中心所在地區的地形與氣候等天然優勢，有效減少電力成本、提升運作效率。現今常見的資料中心冷卻解決方案可分為三種：打造高效的通風和空調系統，透過空氣來散熱的空氣冷卻式（氣冷式）；使用裝滿冷卻液的密封管線，透過散熱循環機來降溫的液體冷卻式（液冷式）；以及，將伺服器直接浸泡在不導電的液體中，直接將零組件產生的熱能傳導給流體，並區分為單相與兩相的浸沒式冷卻解決方案。

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氣冷式方案是透過伺服器內部的散熱鰭片、導熱銅管、風扇等冷卻零件達到均熱與散熱。散熱鰭片可增加關鍵零組件接觸空氣的面積，利用熱擴散來避免單一點過熱；再藉由導熱銅管與風扇，將冷空氣從進氣口吸入，流經伺服器內部，並利用持續的空氣循環帶走熱能，幫伺服器降溫。氣冷式冷卻不僅可調整風扇的轉速與風力來因應大量的散熱需求，並可搭配機房冷凍空調系統（CRAC & CRAH）與高架活動地板，來控制資料中心整體空間的溫度。

技嘉的氣冷式伺服器採用「友善通風」的創新設計，利用軟體預測與評估機殼內的氣流方向，依模擬出的資料調整機殼架構；機殼內部裝設的強力風扇，個別針對特定的區域，進行溫測與轉速調控，節省非必要的耗電；且配有特殊導風罩的高效能散熱片，可將零組件與冷空氣的接觸面積大幅增加；並搭配智慧型溫控程式，透過機殼內部的感應器，隨時監控重要零組件，當基板管理控制器（BMC）偵測到溫度有所異常，將自動調整風扇速度，確保散熱，使冷卻效益最大化，從容應付工作負載，改善資料中心的 PUE。

歐洲頂尖理工學院為因應各學系持續飆升的資料運算需求，選用當時市面上運算密度最高的氣冷式伺服器，技嘉H262-Z63高密度伺服器，其僅占用機櫃一半的空間，卻在運算效能和密度上，與四台1U的標準伺服器匹敵。H262-Z63的四個節點，共享冷卻風扇和電源供應器，可降低耗能及維護成本，且透過搭載的中央管理控制器模組（CMC）監控節點的狀態，可簡化機台間與交換機的佈線，方便管理；如此強大的運算效能與穩定性，助客戶減少4%的功耗、75%的電源數量，並省下56%的基本電源、1GbE與管理電纜數量，使客戶的總體擁有成本大幅降低。

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液冷式方案不需安裝氣冷式所使用的散熱片與風扇等散熱零組件，以液體作為熱量傳導機制的散熱方式，將水管填滿冷卻液，利用封閉式冷卻迴路在伺服器中走一圈，透過導熱銅片將熱能帶走降溫，變熱的液體循環到外部後，再轉換為冷卻液體或是蒸氣繼續循環再利用。若是資料中心已有機房空調設備，且目前不打算更改現有的架構，可採用「液冷式對氣冷式方案」：將液冷式伺服器和熱交換器裝設在相同的機架上，傳輸冷卻液的管線連接至機架上的熱交換器，使熱能排至「熱通道」，不僅可達到與氣冷式伺服器相同的循環模式，處理器也可安裝得更密集，提升整體運算效能。

長年投入在探索地球和太陽系的德國航太中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）因應研發高精密的航太科技，所伴隨而來龐大的資料運算需求，採用技嘉液冷式的高密度伺服器。技嘉熱能團隊在討論計算出伺服器的熱能消耗後，與技術部門一同研究、規劃機房的各種配置，反覆測試驗證，滿足航太中心提出的「40°C高溫、無空調降溫機房環境」，「不更改既有設備」，「限制熱交換冷卻液水溫」等複雜的要求。與同業產品相比，不僅節省了15% 電力與50%的使用空間，並多了兩倍效能。液冷式方案讓德國航太中心在有限的空間內，成功創造運算能力強大的綠色資料中心。

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浸沒式冷卻分為單相浸沒式與兩相浸沒式兩種類型，兩者皆是將伺服器直接浸泡在不導電的液體中，使液體直接接觸整組發熱源，將零件組產生的熱能傳導給液體來排放熱能；不僅不需透過散熱片和風扇等其他零件，且冷卻效益比空氣導熱更快速、更高效、更穩定、更可擴充，為企業節省更多成本，達到更好的熱耗散能力；而兩者最主要的區別在於槽體的開閉，以及流體的差別。

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《兩相與單相浸沒式冷卻解決方案差異比較》
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● 單相浸沒式冷卻（Single-Phase Immersion Cooling）
單相浸沒式冷卻使用類似礦物油或植物油的碳氫化合物流體，伺服器產生的熱透過冷卻介質與發熱零組件直接接觸，由於這類液體沸點較高、不易揮發特性，因此單相浸沒式的液體槽通常無須嚴苛的密閉設計與環境控制要求，僅需要額外安裝幫浦，推動冷卻液體在系統中產生持續不斷的流動循環，藉以帶走伺服器所產生的熱。

日本電信巨擘KDDI研發團隊，在技嘉長年研發硬實力與5G電信市場經驗的協助下，採用單相浸沒式冷卻，打造「貨櫃型浸沒式液冷小型資料中心」；此新世代資料中心不僅增加伺服器的安裝密度，具有邊緣運算功能，並僅需3.5kVA電力，即可為使用50kVA電力的伺服器調節溫度，也就是將資料中心的電力使用效率值PUE值，從原先傳統式氣冷機房的1.7改善至1.07，成功減少了43%的耗能，成為電信業界朝永續發展的典範。

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《技嘉協助日本電信巨擘KDDI開發「單相浸沒式冷卻資料中心」》
《資料中心高效冷卻解決方案首選：技嘉單相浸沒式冷卻》

● 兩相浸沒式冷卻（Two-Phase Immersion Cooling）
兩相浸沒式冷卻則是將伺服器安裝於載有沸點僅在50°C上下、不導電的碳氟化合物的密封水槽內，利用自然形成冷熱流動帶走熱量：當伺服器所產生的熱能使各處發熱元件周遭的液體沸騰相變產生氣泡，氣泡向上升起轉變成蒸氣，接著透過密閉槽裡的冷凝盤管冷卻蒸氣，再還原為液態並回落至備用液態池。與單相浸沒式冷卻不同的是，無需額外的幫浦帶動熱傳導循環，但需要非常緊密的密閉設計與環境控制，才可使系統周而復始地進行熱交換循環。
 
秉持提升社會ESG願景的半導體龍頭，在2022年第一季於晶圓廠內開始運行的「節能高效能運算（HPC）資料中心」，即是技嘉攜手合作夥伴，共同為「淨零」和「碳中和」目標打造的兩相浸沒式冷卻機房：高達 100 kW的解熱能力，助增加10%以上的晶片運算效能，並使機房的總耗能降低30%，將1.35的電力使用效率（PUE）改善至1.08以下，使半導體製程更高效、更節能，以實際行動落實友善環境的目標，促進半導體產業邁向永續經營的未來。

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《技嘉助力半導體龍頭打造兩相浸沒式冷卻機房》

在運算需求持續擴張與全球淨零碳排風潮下，近幾年建置的資料中心皆重視綠能成效，目的就是提高競爭力、打造永續力，為綠色運算的趨勢前瞻布局，因此，可減少對環境帶來負面衝擊，同時助伺服器保持高效能的冷卻解決方案，已是現代企業積極佈署導入的技術首選。

技嘉透過創新領先的驗證與專案研究，為各類產業客戶的不同需求，提供氣冷式、液冷式、單相與兩相浸沒式冷卻方案，助客戶打造符合綠色運算與低碳科技的資料中心，以提升運算效能、降低耗能，達到更好的能源使用效率，從根本上降低營運成本和減少對環境的影響，兼顧永續效益。如果想諮詢更多關於產品的訊息，請聯繫我們。