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“新基建”數據中心能否摘掉“能耗大戶”的帽子？

發布時間：2020-05-20 11:43:37

從各類數據的表面來分析，數據中心無疑是“能耗大戶”。從微觀上看，一個超大型數據中心每年的耗電量近億度；從宏觀上看，全世界數據中心的耗電規模為205TWh[1]，占全世界耗電規模的1%。據中國信息通信研究院（以下簡稱“中國信通院”）發布的《數據中心白皮書》統計，我國數據中心產業年增長30%以上，有人因此擔心數據中心的能耗也會迅速擴增，而事實真的是如此嗎？2020年初，世界頂級學術期刊《Science》刊登的論文《重新校準全球數據中心能耗估算》的數據卻表明：全球數據中心的能耗增長其實在放緩。

一、序言


從各類數據的表面來分析，數據中心無疑是“能耗大戶”。從微觀上看，一個超大型數據中心每年的耗電量近億度；從宏觀上看，全世界數據中心的耗電規模為205TWh[1]，占全世界耗電規模的1%。據中國信息通信研究院（以下簡稱“中國信通院”）發布的《數據中心白皮書》統計，我國數據中心產業年增長30%以上，有人因此擔心數據中心的能耗也會迅速擴增，而事實真的是如此嗎？2020年初，世界頂級學術期刊《Science》刊登的論文《重新校準全球數據中心能耗估算》的數據卻表明：全球數據中心的能耗增長其實在放緩。

一般觀念里面對于耗電都是只講“總數”不講“邊際”，數據中心耗電的“總數”看似龐大，其實從“邊際”的角度來看，數據中心確實通過努力在逐漸摘掉“能耗大戶”的帽子。《重新校準全球數據中心能耗估算》的研究表明：與2010年相比，2018年全球數據中心計算實例增加了550%，而同期全球數據中心的耗電量僅增加了6%。從每個計算實例來看，全球數據中心的能耗強度自2010年以來每年下降20%，能耗效率顯著提升。

二、能耗增長放緩的原因


綜合《重新校準全球數據中心能耗估算》和全球發展現狀分析，數據中心能耗增長放緩的原因主要有三點：

一是得益于積極的政策引導。在全球各地區政策的引導下，數據中心從較小的傳統數據中心向超大規模數據中心轉變，有效降低PUE值。目前數據中心的規模正在從較小的傳統數據中心向更大、更節能的超大規模數據中心轉移，2010年全球傳統小型數據中心規模占計算實例的79%，而到了2018年全球超大型數據中心規模占計算實例的89%。

二是得益于IT設備的技術與效率的不斷提高。在2010-2018年期間，全球服務器效率以及虛擬化程度的提高相結合減少了每個計算實例所需的電量，使全球計算實例增加了6倍的同時服務器能耗僅增加25%；存儲驅動器效率和密度的提高相結合使全球存儲容量增加了25倍的同時存儲能源的使用僅增加了3倍。

三是得益于制冷和供配電等基礎設施技術的不斷改進。這些基礎設施的技術進步使得能源使用量大幅減少，有效降低PUE值。據估計，2018年全球數據中心的平均PUE為2010年的75%左右，得到有效改善。

三、能耗改善的實踐

1. 政策方面
政策引導數據中心走向大型化和集約化，有效降低能耗。國內數據中心在2013年以前存在著過熱、盲目和重復建設問題，同時，全國大部分數據中心存在規模偏小、布局不合理、能效水平低等問題。從2013年開始，工信部陸續通過聯合四部委印發《關于數據中心建設布局的指導意見》、滾動更新《全國數據中心應用發展指引》（中國信通院云計算與大數據研究所具體支撐）等方式引導數據中心合理建設和布局，多個省市通過陸續出臺一系列政策引導規范數據中心的建設，我國數據中心的能效水平總體提升。

2013年以前，全國對外服務型數據中心平均PUE在2.5左右，而到2019年底，全國對外服務型數據中心平均PUE近1.6，實現質的飛躍。同時數據中心也朝著大型化、集約化的方向邁進，2013年以前全國大型以上數據中心的數量較少，而到了2019年，在對外服務型數據中心中，大型以上數據中心機架規模占比達到70%左右，這極大地促進了數據中心能耗效率的提升。

不僅PUE的平均水平在優化，我國數據中心的最佳PUE也在不斷創新低。自2013年起，中國信通院云計算與大數據研究所已經測過眾多數據中心的PUE，其中PUE表現良好的大部分為互聯網和通信行業大型數據中心。很明顯，隨著時間的推移，參測數據中心PUE已經由1.4-1.5區間降低到1.2-1.3區間。

年度參測數據中心PUE平均值

在國際上，以美國公共機構為例，美國政府從2010到2019十年時間內，通過美國聯邦數據中心整合計劃（FDCCI）、聯邦政府信息技術采購改革法案（FITARA）、數據中心優化倡議（DCOI）等一系列政策措施，實現了數據中心數量減少7000個，減少約50%；近一半大型數據中心PUE從平均2.0以上優化至1.5甚至1.4以下；部分服務器利用率從5%提升到65%以上。

2. 技術方面
數據中心供電架構逐步簡化，提高用電效率。隨著產業規模快速增長，高壓直流（HVDC）逐漸成為數據中心供電系統的新選擇， “HVDC+市電直供”相結合的模式，供電效率可提升到94%-95%，若采用HVDC離線模式，供電效率可提升至97%以上，目前HVDC已在大型互聯網公司得到了廣泛應用。由于HVDC的容量所限等原因，巴拿馬電源橫空出世，它顛覆了傳統IDC供電架構，從中壓10KV AC直轉240V DC，減少轉換次數縮短電流旅程，相比傳統雙U架構配電節省投資44%，IDC整體投資節省7%以上。
液冷逐漸成為數據中心制冷的新方向，更加節能。隨著新興技術的快速發展，特別是高性能計算設備和GPU服務器的使用，將使單機架用電規模朝著20kW-30kW甚至更高規模發展，而用電密度提升對數據中心制冷系統提出挑戰。傳統風冷已無法達到所需的散熱能力，液冷逐漸成為數據中心制冷的新模式。液冷模式通過液體直接導向熱源帶走熱量，散熱效率更高、更加節能。國內以ODCC（開放數據中心委員會）為代表的行業平臺積極推動了液冷的標準化進程，加速了數據中心液冷團體標準、行業標準的出臺。
整機柜服務器支撐新技術新應用，有效降低能耗。天蝎整機柜服務器目前完成三代技術演進，實現了服務器供電、散熱和系統管理層面標準化、資源池化，不僅可以實現性能的提升、總成本的降低，同時也降低了能耗。如整機柜ARM64服務器，對比同配置X86服務器，計算性能提升1-2倍，單節點能耗省40W；整機柜GPU服務器，通信帶寬提升2-4倍，延時縮小1倍，比傳統GPU服務器性能提升30%，能耗降低7%以上。

四、小結


由于計算能力和能源消耗的正比關系，數據中心的高能耗屬性不會改變，但是我們可以通過政策引導和技術創新來實現數據中心的高能效和高質量發展，同時也需要關注數據中心對經濟發展帶來的顯著促進作用。隨著數據中心進入新基建的序列，數據中心的社會關注度驟升，相關政策密集研究和出臺，我們也期待并盡力推動更多的數據中心技術創新。

[1] Recalibrating global data center energy-use estimates

作者簡介

吳美希，中國信息通信研究院云計算與大數據研究所數據中心研究部高級業務主管。

聯系方式：wumeixi@caict.ac.cn

郭亮，中國信息通信研究院云計算與大數據研究所副總工程師，開放數據中心委員會(ODCC)新技術與測試工作組組長

聯系方式：guoliang1@caict.ac.cn

來源：中國信通院CAICT