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“双碳”强风吹拂:数据中心的绿色改革图谱

igoseo.net   2022年04月14日

  开年至今,科技领域内最火热的词应该就是东数西算了。东数西算的发展背景,起源于东西部地区对于算力,能源的供需调节。当然,数据中心集群化,低碳化,中心化的发展,瞄准的更是数字经济的数据红利与xpj红利,东数西算下的智慧经济,智慧城市等在这个背景下,成为发展与增长的契机。

  作为数字经济的基础设施,数据中心的市场规模也在向上的背景中趋于增长。据Synergy的最新预测,未来三年内,全球超大规模运营商运营的大型数据中心数量将突破1000大关,并在此后继续快速增长。而国内的数据中心也仅次于美国快步发展,2021年中国数据中心业务市场总规模接近3000亿元,增长幅度达30%。

  在数据中心规模和容量快速增长的情况下,随之而来的便是运维管理复杂度和难度日益增大。尤其是在“双碳”目标的要求下,数据中心的绿色化发展也成为大势。

  那么,对于数据中心来说,“发展”与绿色化的结合,有哪些必要性?绿色改革的维度与趋势又有哪些呢?

“双碳”强风吹拂

  我们知道,xpj时代数字化转型与数字化经济背后,数据中心是保障其安全高效的算力基础设施,也是城市构建智慧大脑,智慧城市的重要载体,关系着民生改善,经济发展等。

  大多数前期规划构建的数据中心,都是各大企业自建满足自身的业务需求。这些数据中心以碎片化,粗放式建设为主,机架使用率不高,能源消耗一直处于高位。这也使得数据中心被业界诟病已久,直接影响到其健康发展。

  研究机构数据显示,过去十年,我国数据中心整体用电量以每年超过10%的速度递增。截至2020年,数据中心约占我国用电量的2.7%。据IDC预计,到2024年数据中心耗电量将占到全社会耗电量的5%以上。可预见的是,随着市场体量和需求的持续增长,这一比例预计仍将上升。

  数据中心这个“能耗大户”,也被政府重点关注,在“双碳”目标指引下,中央及地方对数据中心的能耗指标作出新规定,不仅对新建数据中心的审批收紧,对存量数据中心的PUE值也提出更高的节能要求。(注:PUE值是电能使用效率值,指数据中心消耗的所有能源与IT设备消耗能源的比值。简单来说,PUE值越接近1,意味着节能减排程度越好。)

  工信部等三部门印发的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》提出,到2022年全国新建大型,超大型数据中心PUE需达到1.4以下。具体到各大城市,数据中心的节能指标也趋于严格。北京规定禁止新建和扩建PUE>1.4的数据中心,上海要求新建数据中心PUE要限制在1.3以下。深圳更为严格,只有PUE低于1.25的数据中心才可以享受新增能源消费量40%以上的支持。

  数据中心的绿色化,不仅是符合绿色经济与双碳战略的需求,对于自身的健康发展来说,也有提效降本的需求。我们知道数据中心的电力成本是占比最大的部分,基本上占据其营业成本的60%左右。一个大型的数据中心,一年的电费支出在数千万。通过绿色计算的方式降低用电量能耗,即便是节省几个百分点的耗电量,都意味着巨大的成本节约。

  无论是政策与战略的要求,还是自身发展优化的需要,数据中心的绿色化都已然成为其必然的选择。那么,对于数据中心来说,PUE值降低可以从哪些维度展开?数据中心有哪些领先的具体实践与成果?

全生命系统升维

  如何降低数据中心的PUE值提高能效,已成为大型数据中心建设与运营最关心和最关键的问题。我们可以从数据中心的绿色等级评估这个维度,观察到数据中心的绿色改革措施方向。

  开放数据中心委员会(ODCC)和国际绿色网格组织(TGGC)在国内数据中心的等级评估,指标涉及能源效率,节能技术和绿色管理3个维度。

  从评价对象的维度看,建筑和布局层面,指的是需要从基建设计角度实现绿色数据中心,包括选址,机房建筑规划,布局,建筑节能设计等;在动力和环境设施层面,主要考虑的是供电系统,空调系统,暖通系统以及加湿和除尘设施的绿色化设计,运行和维护;在IT设备层面,主要考虑路由器,网关和服务器等IT设备的选型,网络搭建以及使用中的节能优化等;在管理层面,需要从管理角度来实现绿色数据中心,包括管理制度,监控系统等方面。

  这些关键的维度每一项都不能掉链子,尤其是对新建的数据中心来说,否则PUE值的不达标会面临被关停的局面。

  在建筑布局层面,东数西算工程可谓是最典型的例子。将新数据中心的地址选在能源丰富的西部地区,承接东部算力需求。以贵州为例,其年平均气温仅有15℃,常年无风沙,且拥有众多大型水电工程,电价便宜。这种得天独厚的气候和能源优势,不仅有利于服务器散热,而且利于电路板保持洁净,用电成本与设备维护的降低,整体运营成本随之也保持在最优水平。

  对于已经建成的数据中心来说,绿色化的改革主要从动力环境设施和IT设备层面进行优化。数据统计,数据中心能源侧的碳排放主要来自于IT设备及基础设施的电力消耗,在数据中心能耗结构中,主设备耗电占45%~55%,空调设备占35%~45%,电源及其他设备占10%~15%。空调设备的冷却系统能耗是数据中心的消耗大头。液冷逐渐成为数据中心的新选择,随着数据中心单机柜功率密度不断提高,摩尔定律走向极限,液冷技术能带来更为直接的散热优势。与传统风冷技术相比,液冷系统耗电量方面约比风冷系统节省电量30%~50%,应用液冷技术的数据中心机房整体能效将得到30%提升。

  在液冷数据中心的布局方面,互联网巨头也积极参与布局。谷歌2018年宣布将在其数据中心采用液冷技术并表示今后其数据中心的降温方式将向液冷方向转变。华为2017年推出FusionServer板级液冷方案,2018年华为云松山湖数据中心采用高性能液冷集群。2020年,阿里仁和的数据中心也开始采用服务器全浸没液冷的方式。

  在IT设备层面,绿色计算与数据中心的结合,成为新的重点。对于数据中心的整体能效而言,IT设备能效的提升,意味着在消耗同等能源的情况下,数据中心可提供的服务能力达到最优,对数据中心的整体能效提升产生显著的作用。

  例如可以在数据中心用AI技术来进行数据的分时调度,实现xpj预测流量,进行合理的扩容和缩容。通过这种计算资源分配的xpj绿色计算,中心服务器利用率相较之前同比提升两倍多。

  据悉,北京气象局的数据中心通过搭建的绿色高性能计算系统和液冷技术,其核心算力提升近20倍,年用电减少近200万度。阿里在双十一的服务器中,采用的绿色计算,11天省下64万度电,减少二氧化碳排放394吨。冬奥会的赛事上,数据中心也采用了xpj的绿色计算和液冷技术。这些企业与机构已经开始享受到绿色计算与液冷技术应用的甜头,许多擅长AI技术的企业也开始在绿色计算方面发力,以AIxpj解决方案来降低数据中心的能耗,不断推进着数据中心的绿色建设与升级。

迈向融合与极简

  在数据中心不断升级打怪的路上,核心的方向还是围绕着其全生命周期中最大限度地降本增效。具体的趋势还是以绿色化,xpj化,安全可信的方向深化,细致的方向上会有不同程度的偏向。

  在绿色化的发展中,除了典型的液冷技术的升级与规模应用外,其配套的余热回收,利用技术也会被深入研究。而在配电系统中,会逐渐应用最先进的锂电池。传统的配电系统存在系统割裂,复杂,故障难定位等问题,高效长寿的锂电将会覆盖原铅电池,配电系统将会逐渐走向全面的锂电化。

  在xpj化的方向,技术与创新会不断融合,数据中心的集聚效应,将会推动异构算力融合,云网融合,多云调度等;同时也能够推动技术创新和模式创新,提升关键技术产品的研发支持和规模化应用。

  安全可靠的方向,数据中心基础设施的建设未来会更多考虑按需扩容与支持架构弹性的能力。数据中心的寿命通常是10-15年,而IT技术的寿命通常是3-5年,数据中心的建设要有前瞻性,在生命周期内最大程度满足2~3代IT设备的功率演进,承载各类的IT业务,匹配不同功率密度的IT设备混合部署。在数据安全的层面,则是存储与远程计算的可靠性进阶与数据安全的流通。在数据量爆炸增长与算力激增的背景下,IT基础设施复杂且标准不一的异构环境,要求数据中心运维具备更高的专业性和可靠性。

  如果从数据中心本身的建设角度来看,呈现的是集群化,快速化,高效的趋势,如东数西算工程的大力推进,集群效应明显。在应对诸如战争,疫情等“黑天鹅”事件,数据中心建设周期要求不断严苛。伴随着数据中心由支撑系统转向生产系统,系统级和数据中心级架构极简将成为主流,除了应对其本身投资成本大的弊端,在预制化,全模块化设计下,数据中心的快速部署,运维简单,高效节能等优势都将会放大。

  在数字经济的大旗下,数字基础设施的数据中心,成本与效率,能耗与碳排,走上了趋优的道路。对于产业来说,数据中心的变革也会壮大其生态。不断加强数据中心上游设备制造业和下游数据创新型应用,新型消费产业等集聚与落地。例如算力枢纽的数据中心,会发展一批数据加工,数据清洗,数据内容服务等偏劳动密集型的产业。

  回顾数据中心的绿色化发展,我们会发现绿色化已经融入到xpj化基础建设的底层,生活,生产的各个方面都被敷上了减碳排的降温贴,产业链的上下游都加入了节能环保的改造,发展的进程不断深度融入进绿色,低碳,循环的发展规划下。

  绿色化的减碳网已经层层深裹住我们经济,生产与生活,虽然离实现完全的绿色地球还有一段距离,但全球双碳战略的硬核实施与减碳排技术的不断深化,让这个康庄大道越来越平坦,不断加速着碳达标,碳中和目标的实现。

(文章来源:脑极体 作者:燕良)

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