一、序言
從各類(lèi)數據的表面來(lái)分析，數據中心無(wú)疑是“能耗大戶(hù)”。從微觀(guān)上看，一個(gè)超大型數據中心每年的耗電量近億度；從宏觀(guān)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(jiǎn)稱(chēng)“中國信通院”）發(fā)布的《數據中心白皮書(shū)》統計，我國數據中心產(chǎn)業(yè)年增長(cháng)30%以上，有人因此擔心數據中心的能耗也會(huì )迅速擴增，而事實(shí)真的是如此嗎？2020年初，世界頂級學(xué)術(shù)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(cháng)其實(shí)在放緩。
一般觀(guān)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(shí)從“邊際”的角度來(lái)看，數據中心確實(shí)通過(guò)努力在逐漸摘掉“能耗大戶(hù)”的帽子?！吨匦滦嗜驍祿行哪芎墓浪恪返难芯勘砻鳎号c2010年相比，2018年全球數據中心計算實(shí)例增加了550%，而同期全球數據中心的耗電量?jì)H增加了6%。從每個(gè)計算實(shí)例來(lái)看，全球數據中心的能耗強度自2010年以來(lái)每年下降20%，能耗效率顯著(zhù)提升。
二、能耗增長(cháng)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(fā)展現狀分析，數據中心能耗增長(cháng)放緩的原因主要有三點(diǎn)：
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(shí)例的79%，而到了2018年全球超大型數據中心規模占計算實(shí)例的89%。
二是得益于IT設備的技術(shù)與效率的不斷提高。在2010-2018年期間，全球服務(wù)器效率以及虛擬化程度的提高相結合減少了每個(gè)計算實(shí)例所需的電量，使全球計算實(shí)例增加了6倍的同時(shí)服務(wù)器能耗僅增加25%；存儲驅動(dòng)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(shí)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(shù)的不斷改進(jìn)。這些基礎設施的技術(shù)進(jìn)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(shí)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(zhù)過(guò)熱、盲目和重復建設問(wèn)題，同時(shí)，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(wèn)題。從2013年開(kāi)始，工信部陸續通過(guò)聯(lián)合四部委印發(fā)《關(guān)于數據中心建設布局的指導意見(jiàn)》、滾動(dòng)更新《全國數據中心應用發(fā)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(gè)省市通過(guò)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(wù)型數據中心平均PUE在2.5左右，而到2019年底，全國對外服務(wù)型數據中心平均PUE近1.6，實(shí)現質(zhì)的飛躍。同時(shí)數據中心也朝著(zhù)大型化、集約化的方向邁進(jìn)，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(wù)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(jìn)了數據中心能耗效率的提升。
不僅PUE的平均水平在優(yōu)化，我國數據中心的最佳PUE也在不斷創(chuàng )新低。自2013年起，中國信通院云計算與大數據研究所已經(jīng)測過(guò)眾多數據中心的PUE，其中PUE表現良好的大部分為互聯(lián)網(wǎng)和通信行業(yè)大型數據中心。很明顯，隨著(zhù)時(shí)間的推移，參測數據中心PUE已經(jīng)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(shí)間內，通過(guò)美國聯(lián)邦數據中心整合計劃（FDCCI）、聯(lián)邦政府信息技術(shù)采購改革法案（FITARA）、數據中心優(yōu)化倡議（DCOI）等一系列政策措施，實(shí)現了數據中心數量減少7000個(gè)，減少約50%；近一半大型數據中心PUE從平均2.0以上優(yōu)化至1.5甚至1.4以下；部分服務(wù)器利用率從5%提升到65%以上。
2. 技術(shù)方面數據中心供電架構逐步簡(jiǎn)化，提高用電效率。
隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)規?？焖僭鲩L(cháng)，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(xiàn)模式，供電效率可提升至97%以上，目前HVDC已在大型互聯(lián)網(wǎng)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(zhù)新興技術(shù)的快速發(fā)展，特別是高性能計算設備和GPU服務(wù)器的使用，將使單機架用電規模朝著(zhù)20kW-30kW甚至更高規模發(fā)展，而用電密度提升對數據中心制冷系統提出挑戰。傳統風(fēng)冷已無(wú)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(guò)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(kāi)放數據中心委員會(huì )）為代表的行業(yè)平臺積極推動(dòng)了液冷的標準化進(jìn)程，加速了數據中心液冷團體標準、行業(yè)標準的出臺。
整機柜服務(wù)器支撐新技術(shù)新應用，有效降低能耗。天蝎整機柜服務(wù)器目前完成三代技術(shù)演進(jìn)，實(shí)現了服務(wù)器供電、散熱和系統管理層面標準化、資源池化，不僅可以實(shí)現性能的提升、總成本的降低，同時(shí)也降低了能耗。如整機柜ARM64服務(wù)器，對比同配置X86服務(wù)器，計算性能提升1-2倍，單節點(diǎn)能耗省40W；整機柜GPU服務(wù)器，通信帶寬提升2-4倍，延時(shí)縮小1倍，比傳統GPU服務(wù)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(guān)系，數據中心的高能耗屬性不會(huì )改變，但是我們可以通過(guò)政策引導和技術(shù)創(chuàng )新來(lái)實(shí)現數據中心的高能效和高質(zhì)量發(fā)展，同時(shí)也需要關(guān)注數據中心對經(jīng)濟發(fā)展帶來(lái)的顯著(zhù)促進(jìn)作用。隨著(zhù)數據中心進(jìn)入新基建的序列，數據中心的社會(huì )關(guān)注度驟升，相關(guān)政策密集研究和出臺，我們也期待并盡力推動(dòng)更多的數據中心技術(shù)創(chuàng )新。
