耗電大戶數(shù)據(jù)中心

位于河北、內(nèi)蒙古交界處的張北，一個充滿古韻的高原縣城，目前中國規(guī)模最大的云數(shù)據(jù)中心阿里巴巴云數(shù)據(jù)中心便落戶于此。

數(shù)千公里之外的貴州，群山峻嶺之間，分布著蘋果、華為、騰訊等多家公司的數(shù)據(jù)中心。無論身處何地，你手機(jī)云端的相片、朋友圈的視頻、網(wǎng)盤里的資料，或許都存儲于此。

主流數(shù)據(jù)中心不約而同地棲身偏遠(yuǎn)地區(qū)，這不是偶然。在提供海量數(shù)據(jù)服務(wù)的同時(shí)，數(shù)據(jù)中心自身也在消耗著大量能源。據(jù)記者了解，當(dāng)前電費(fèi)已經(jīng)占到數(shù)據(jù)中心總運(yùn)營成本的一半左右?！昂哪苓^高，一直都是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營中的痛點(diǎn)?！?/p>

當(dāng)前，5G、云計(jì)算等新興技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，用戶需求正呈幾何級爆發(fā)之勢，我國數(shù)據(jù)中心的數(shù)量隨之急速攀升，相應(yīng)的用電量也在急劇增加，已對電力供應(yīng)提出新的挑戰(zhàn)。

隨著我國“碳達(dá)峰”“碳中和”宏偉目標(biāo)的提出，數(shù)據(jù)中心的能耗問題逐漸成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。

與傳統(tǒng)能耗單元不同，數(shù)據(jù)中心24小時(shí)“連軸轉(zhuǎn)”，晝夜不停的運(yùn)行方式勢必會增加能耗。數(shù)據(jù)中心的核心功能在于實(shí)現(xiàn)信息集中存儲、傳輸、交換。它的基本單位是服務(wù)器，若干服務(wù)器又組成一個機(jī)架。需求不同，數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)量各異。

近年來，我國數(shù)據(jù)中心在機(jī)架規(guī)模、市場規(guī)模、用電規(guī)模等方面均保持高速增長。在機(jī)架規(guī)模方面，截至2020年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模達(dá)到400萬架，大型及超大型數(shù)據(jù)中心占比75%以上。在用電規(guī)模方面，過去10年間，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量年均增速超過10%。2020年，我國數(shù)據(jù)中心的用電量約1500億千瓦時(shí)，占全社會用電量的2.7%。

去年7月，中國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計(jì)劃（2021—2023年）》提出，到2023年底，全國數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模年均增速保持在20%左右。

規(guī)模激增的背后是能耗的持續(xù)攀升。值得注意的是，由于技術(shù)原因，數(shù)據(jù)中心的實(shí)際能耗往往高于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?！鞍凑沼猛?，數(shù)據(jù)中心分為企業(yè)自建自用、以營利為目的兩大類。由于各種原因，自建部分很難全部統(tǒng)計(jì)進(jìn)去，這意味著實(shí)際用電量比公開數(shù)據(jù)還要高?！敝袊娮庸?jié)能技術(shù)協(xié)會數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會秘書長呂天文稱。

與水泥、冶金等傳統(tǒng)高耗能行業(yè)逐步進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期、能耗難以再現(xiàn)飛躍形成鮮明對比的是，數(shù)據(jù)中心作為新興產(chǎn)業(yè)，其用電量隨著業(yè)務(wù)擴(kuò)容而加速增長的趨勢非常明顯?！跋啾绕渌袠I(yè)，無論單位產(chǎn)能用電量，還是單位建筑面積耗電量，數(shù)據(jù)中心均已位居前列。按照8～10年運(yùn)行周期計(jì)算，能源成本已占到數(shù)據(jù)中心總成本的一半左右，電費(fèi)甚至比機(jī)房本身還貴。它們就像一個個不冒煙的鋼廠，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)也帶來高能耗。”中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會信息通信專業(yè)委員會副主任委員曲海峰稱。

海量電耗從何而來？據(jù)呂天文介紹，數(shù)據(jù)中心既包括服務(wù)器等核心設(shè)備，即能源消耗的主體，也有不間斷電源、照明、冷卻等輔助設(shè)備。

“就像電腦需要散熱一樣，數(shù)據(jù)中心對環(huán)境要求極高，往往依賴空調(diào)、冷水機(jī)等設(shè)備來降溫，冷卻部分的用能占到輔助設(shè)施用能的60%以上。這也是張北、貴州等非用戶中心區(qū)域備受各大數(shù)據(jù)中心青睞的原因，因?yàn)檫@些地區(qū)平均溫度相對較低，冷卻的用能成本也會相應(yīng)降低?！眳翁煳恼f。

中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布的《綠色數(shù)據(jù)中心白皮書2020》指出，近年來，我國數(shù)據(jù)中心能效水平不斷提高，超大型數(shù)據(jù)中心平均電能利用率（PUE）為1.46，部分優(yōu)秀綠色數(shù)據(jù)中心已全球領(lǐng)先，PUE可達(dá)1.2～1.3。但目前我國數(shù)據(jù)中心能耗總量仍在高速增長，明顯高于世界平均水平。

2021年11月，國家發(fā)展改革委等部門印發(fā)《貫徹落實(shí)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求 推動數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》（以下簡稱《方案》）?！斗桨浮分赋?，到2025年，數(shù)據(jù)中心和5G基本形成綠色集約的一體化運(yùn)行格局。全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率降到1.3以下，國家樞紐節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步降到1.25以下，綠色低碳等級達(dá)到4A級以上。

阿里云張北數(shù)據(jù)中心。圖片|阿里云

把低碳綠色從愿景變成現(xiàn)實(shí)，大型、超大型數(shù)據(jù)中心都有哪些硬招實(shí)招？

盛夏時(shí)節(jié)，在北京西北200多公里處的張北縣草原天路附近，阿里云張北數(shù)據(jù)中心正經(jīng)歷著一年最熱的節(jié)氣——大暑。但即便在三伏天，空調(diào)在這里的使用率也并不高。據(jù)查，張北坐擁得天獨(dú)厚的氣候優(yōu)勢，年均氣溫只有2.6℃，年內(nèi)最低氣溫更是曾創(chuàng)下零下40℃的紀(jì)錄。

與其說張北數(shù)據(jù)中心空調(diào)利用率極低，倒不如說這里更多用的是“天然空調(diào)”。在園區(qū)的氣冷機(jī)房，運(yùn)轉(zhuǎn)著的不是空調(diào)，而是一種類似于新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備——AHU風(fēng)墻。

AHU是Air Handler Unit （風(fēng)機(jī)矩陣空氣處理單元）的縮寫。當(dāng)室外溫度低于設(shè)置值（如25℃）時(shí)，AHU設(shè)備將室外冷空氣經(jīng)過濾及濕度處理后直接送入數(shù)據(jù)機(jī)房;當(dāng)室外溫度高于設(shè)置值時(shí)，或通過噴淋降溫及過濾后送入數(shù)據(jù)機(jī)房，或啟動備用制冷空調(diào)為機(jī)房服務(wù)器降溫。

“AHU風(fēng)墻技術(shù)的使用可以大大減少空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行而節(jié)能?！卑⒗镌苹A(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)中心總經(jīng)理高山淵告訴記者，在張北數(shù)據(jù)中心，幾乎每年都有300多天可以利用室外冷空氣為數(shù)據(jù)機(jī)房降溫。

高山淵說，經(jīng)測算，張北數(shù)據(jù)中心的電源使用效率（即PUE值，數(shù)值越接近1表明效能越高）在冬天PUE最低可達(dá)1.09，在夏天也只有1.3左右。

在節(jié)能降耗的，除了充分利用自然風(fēng)冷，阿里云還自研出一套“將服務(wù)器泡在水里”的黑科技。

在張北數(shù)據(jù)中心的液冷機(jī)房，可以看到一排排價(jià)值不菲的服務(wù)器被浸泡在液體中，湊近看去，還能看到有些部件在水中閃著光，活像科幻大片里的橋段。

這就是浸沒式液冷技術(shù)。浸沒式液冷依賴于一種特殊的絕緣冷卻液，冷卻液與服務(wù)器各元器件零距離全方位接觸，器件在運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量將直接被吸收進(jìn)入外循環(huán)冷卻。這種冷卻方式不需要開啟空調(diào)，全程用于散熱的能耗幾乎為零，整個機(jī)房也非常安靜。

“浸沒式液冷的節(jié)能效果超過70%，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心100%無機(jī)械制冷?！备呱綔Y說，“如果將浸沒式液冷向全國推廣，那么全國數(shù)據(jù)中心的PUE都會降低到1.1以下?！?/p>

高山淵說，隨著未來對能耗密集型服務(wù)器（如AI服務(wù)器）的需求加劇，浸沒式液冷或許是唯一解。

液冷的好處不僅體現(xiàn)在散熱方面，還在于它能夠提升設(shè)備的穩(wěn)定性，降低設(shè)備事故率。高山淵告訴記者，液冷機(jī)房運(yùn)行3年來，與同等規(guī)模的其他機(jī)房相比，事故率降低了54%。

但是，浸沒式液冷也不是全無死角的“六邊形戰(zhàn)士”。一方面，液冷雖然從全生命周期來看成本還可以接受，但它的一次性投入成本很高;另一方面，絕緣冷卻液跟各類元器件的“磨合”還需要時(shí)間給以證明。比如，目前還未校驗(yàn)它與GPU等計(jì)算單元的兼容性如何。此外，囿于生產(chǎn)工藝和技術(shù)，目前絕緣冷卻液距離實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化還有一段路程。

高山淵說，加上模塊化設(shè)計(jì)、AI調(diào)溫等技術(shù)，張北數(shù)據(jù)中心的全年P(guān)UE低于1.2，最低可以達(dá)到1.09——這是一個領(lǐng)先行業(yè)的數(shù)字，這一能效約等于每年可節(jié)約標(biāo)煤8萬噸，相當(dāng)于種植了400萬棵樹木。

用大自然的冷風(fēng)吹、用絕緣冷卻液浸泡，把數(shù)據(jù)中心的PUE值降低到接近于1，提高了數(shù)據(jù)中心的能效。

不過，數(shù)據(jù)中心仍是耗電大戶。好在張北有“綠電”。早在七八年前，張北就是“廣袤的原野上風(fēng)車林立，數(shù)千畝光伏電板如波蕩漾”，經(jīng)過這些年的發(fā)展，風(fēng)車和光伏電板已經(jīng)成為張家口市的重要電力來源。

使用“綠電”，成為張北數(shù)據(jù)中心的應(yīng)然之選。高山淵透露，張北數(shù)據(jù)中心無疑是張北綠電的消納大戶。2018年起，阿里就加入張家口“四方協(xié)作機(jī)制”風(fēng)電交易，截至2021年5月，共交易綠電約4.5億千瓦時(shí)，累計(jì)減排二氧化碳近40萬噸。

浸沒式液冷依賴于一種特殊的絕緣冷卻液，冷卻液與服務(wù)器各元器件零距離全方位接觸，器件在運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量將直接被吸收進(jìn)入外循環(huán)冷卻。這種冷卻方式不需要開啟空調(diào)，全程用于散熱的能耗幾乎為零。

從自身節(jié)能減排做起，還只是阿里云數(shù)據(jù)中心邁向“零碳云”的一環(huán)。2021年5月，阿里云發(fā)布“零碳云”計(jì)劃，希望在推動自身節(jié)能減排的同時(shí)，向生態(tài)企業(yè)輸出數(shù)字減碳能力、支持綠色技術(shù)創(chuàng)新。他們希望向電力能源、鋼鐵、交通、制造等碳排放大戶提供高效云平臺支持，為其引入大數(shù)據(jù)、AI技術(shù)，幫助上云企業(yè)提高效率、節(jié)能降耗。

比如，通過向攀鋼集團(tuán)引入阿里云工業(yè)大腦，對其煉鋼全流程進(jìn)行工藝優(yōu)化，幫助攀鋼旗下的西昌鋼釩公司煉鋼廠節(jié)省了25%的人工、每生產(chǎn)一噸鋼節(jié)省1.28公斤鐵，生產(chǎn)效益提升2.4倍。在西南某大型垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組上，阿里云利用優(yōu)化的AI算法幫助客戶將固廢垃圾焚燒效率提升2.6%，相當(dāng)于燃燒同樣的垃圾每年可多發(fā)電4000多萬千瓦時(shí)，碳排放相比之前降低約48%。

曲海峰坦言，通過一定的節(jié)能手段、改變粗放管理方式，可帶來10%～20%的能效提升。但因數(shù)據(jù)中心全天候不間斷運(yùn)行，改造核心設(shè)備，好比給一輛行駛中的車更換發(fā)動機(jī)，很難讓數(shù)據(jù)中心先停下來再改造，確保業(yè)務(wù)連續(xù)不間斷是一個現(xiàn)實(shí)問題。而且完成節(jié)能改造并不意味著一勞永逸，為確保達(dá)標(biāo)，需建立在線監(jiān)控系統(tǒng)，配合平臺、工具及相應(yīng)的執(zhí)法手段。“數(shù)據(jù)中心作為基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)聯(lián)諸多信息產(chǎn)業(yè)，涉及面廣，不完全等同于傳統(tǒng)‘兩高’產(chǎn)業(yè)，不能照搬管理工業(yè)項(xiàng)目的方式，但大多數(shù)企業(yè)缺乏專業(yè)管理能力，這對執(zhí)法者來說也是一道難題。目前來看，地方政府節(jié)能降耗意愿明確，但仍缺少行之有效的手段策略?！?/p>

◎ 來源|綜合中國能源報(bào)、中國科學(xué)報(bào)