“新基建”数据中心能否摘掉“能耗大户”的帽子？

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一、前言

从各种数据的表面分析来看，数据中心无疑是一个“能源消耗大户”。从微观角度来看，一个非常大的数据中心每年消耗近1亿千瓦时的电力；从宏观上看，全球数据中心的功耗为205瓦时[1]，占全球功耗的1%。根据中国信息与通信研究院(以下简称“中国ICT研究院”)发布的数据中心白皮书，中国数据中心行业的年增长率超过30%，因此有人担心数据中心的能耗也会迅速扩大，但事实果真如此吗？2020年初，发表在世界著名学术期刊《科学》上的论文《全球数据中心能耗估算的重新校准》的数据显示，全球数据中心能耗的增长实际上正在放缓。

一般来说，功耗只是“总体”，而不是“边际”。数据中心的“总”功耗似乎很大。事实上，从“边缘”的角度来看，通过努力，数据中心正逐渐摘下“大能源消费者”的帽子。重新校准全球数据中心能耗估算研究显示，与2010年相比，2018年全球数据中心的计算实例数量增加了550%，而同期全球数据中心的功耗仅增加了6%。从每个计算实例来看，自2010年以来，全球数据中心的能耗强度每年下降20%，能耗效率显著提高。

二.能耗增长放缓的原因

根据对全球数据中心能耗估算的重新校准和对全球发展状况的分析，数据中心能耗增长放缓有三个主要原因:

首先，它得益于积极的政策引导。在全球区域政策的指导下，数据中心已经从小型传统数据中心转变为超大型数据中心，有效降低了pue值。目前，数据中心的规模正在从较小的传统数据中心向更大、更节能的超大型数据中心转变。2010年，全球传统小型数据中心的规模占计算实例的79%，而2018年，全球超大型数据中心的规模占计算实例的89%。

其次，得益于技术的不断进步和it设备的效率。在2010-2018年期间，全局服务器效率和虚拟化的结合降低了每个计算实例所需的功率，这使得全局计算实例增加了6倍，而服务器能耗仅增加了25%；存储驱动器的效率和密度相结合，使全球存储容量增加了25倍，而存储能源的使用仅增加了3倍。

第三，它受益于基础设施技术的不断改进，如制冷和电力供应和分配。这些基础设施的技术进步大大降低了能耗，有效地降低了pue值。据估计，2018年全球数据中心的平均pue约为2010年的75%，已经得到有效改善。

三。能源消耗改进实践

1。政策

政策指导数据中心实现大规模和密集型，并有效降低能耗。2013年之前，国内数据中心存在过热、盲目和重复建设的问题。同时，我国大多数数据中心存在规模小、布局不合理、能效低的问题。自2013年以来，工业和信息化部(MIIT)先后会同四部委发布了《数据中心建设与布局指导意见》，并更新了《数据中心应用与发展国家指南》(具体由中国信息通信技术研究院云计算与大数据研究所支持)，以指导数据中心的合理建设与布局。许多省市相继出台了一系列政策来指导和规范数据中心的建设，我国数据中心的能效水平普遍提高。

2013年之前，全国面向服务的数据中心的平均pue约为2.5，到2019年底，全国面向服务的数据中心的平均pue接近1.6，实现了质的飞跃。与此同时，数据中心也在向大规模和密集型发展。2013年前，中国大规模以上数据中心数量较少，到2019年，在外部服务型数据中心中，大规模以上数据中心的机架规模约占70%，极大地促进了数据中心能耗效率的提高。

不仅平均pue水平在优化，中国数据中心的pue也在不断创新和降低。自2013年以来，中国信息通信技术研究院云计算与大数据研究所对许多数据中心的性能进行了测量，其中大多数在互联网和通信行业的大型数据中心表现良好。显然，随着时间的推移，测试数据中心的pue已经从1.4-1.5降低到1.2-1.3。

每年测试的数据中心pue平均值

在国际上，以美国公共机构为例，美国政府在2010年至2019年期间通过了联邦数据中心集成计划(fdcci)、联邦政府信息技术采购改革法案(fitara)和数据中心优化计划(dcoi)。将近一半的大型数据中心已经从平均超过2.0优化到1.5，甚至低于1.4；一些服务器的利用率从5%提高到65%以上。

2。在技术方面，数据中心的电源架构逐渐简化，以提高电力利用效率。随着工业规模的快速增长，高压直流(hvdc)逐渐成为数据中心供电系统的新选择。采用“高压直流+市电直供”的组合方式，供电效率可提高到94%-95%。如果采用高压直流输电的离线方式，供电效率可提高到97%以上。目前，高压直流输电已经广泛应用于大型互联网公司。由于hvdc容量有限等原因，巴拿马电网空诞生，打破了传统的idc供电架构，直接从10 kV VAC转换到240vdc，减少了转换时间，缩短了电流行程。与传统的双U架构分布相比，节省了44%的投资，idc的整体投资节省了7%以上。

液冷逐渐成为数据中心制冷的一个新方向，更加节能。随着新兴技术的快速发展，特别是高性能计算设备和gpu服务器的使用，单个机架的功耗规模将向20kw-30kw甚至更高发展，功耗密度的增加将对数据中心制冷系统提出挑战。传统的空气冷却不再能达到所需的散热能力，液冷逐渐成为数据中心冷却的一种新模式。在液冷模式下，液体直接通向热源带走热量，散热效率更高，节约能源。以odcc(开放数据中心委员会)为代表的国内行业平台积极推进液冷标准化进程，加快数据中心液冷集团标准和行业标准的引进。

整个机柜服务器支持新技术和新应用，有效降低能耗。目前，天蝎机柜服务器已经完成了三代技术演进，实现了服务器供电、冷却和系统管理的标准化和资源共享，不仅可以提高性能、降低总成本，还可以降低能耗。例如，整个机柜中的arm64服务器，与相同配置的x86服务器相比，计算性能提高了1-2倍，单个节点的能耗节省了40W；与传统的gpu服务器相比，整个机柜gpu服务器的通信带宽增加了2-4倍，延迟减少了1倍，性能提高了30%，能耗降低了7%以上。

四。

由于计算能力与能耗之间存在比例关系，数据中心的高能耗属性不会改变，但我们可以通过政策引导和技术创新实现数据中心的高能效和高质量发展，同时我们也需要重视数据中心对经济发展的重大推动作用。随着数据中心进入新的基础设施序列，数据中心的社会关注度急剧上升，相关政策得到了深入研究和颁布。我们还期待并尽最大努力推动更多的数据中心技术创新。
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