为什么数据中心耗电大(耗电大户企业)

为什么数据中心耗电大(耗电大户企业)

张北,位于河北和内蒙古交界处,是一个充满古老韵味的高原小镇。目前国内最大的云数据中心阿里云数据中心就坐落在这里。

几千公里外的贵州,群山之中,有苹果、华为、腾讯等多家公司的数据中心。无论你在哪里,你手机云的照片,你朋友圈的视频,你网盘里的信息,都可能存储在这里。

主流数据中心都位于偏远地区,这并非偶然。在提供海量数据服务的同时,数据中心本身也在消耗大量的能源。据记者了解,目前电费已经占到数据中心总运营成本的一半左右。“能耗过高一直是数据中心运营的痛点。”

当前,随着5G、云计算等新兴技术的大规模普及应用,用户需求呈几何级爆炸式增长,我国数据中心数量快速上升,相应的用电量也在快速增加,这对电力供应提出了新的挑战。

随着中国“二氧化碳排放峰值”和“碳中和”的宏伟目标,数据中心的能耗逐渐成为人们关注的焦点。

不同于传统的耗能单位,数据中心全天候运行,必然会增加能耗。数据中心的核心功能是实现信息的集中存储、传输和交换。它的基本单元是服务器,几个服务器组成一个机架。数据中心的机架数量因不同要求而异。

近年来,中国数据中心在机架规模、市场规模和用电规模上都保持了快速增长。在机架尺寸方面,到2020年底,我国在用数据中心机架总数达到400万个,大型和超大型数据中心占比超过75%。从用电规模来看,近10年来,我国数据中心整体用电年均增速超过10%。2020年,我国数据中心用电量约为1500亿千瓦时,占全社会用电量的2.7%。

去年7月,中国工业和信息化部发布《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》,提出到2023年底,中国数据中心机架年均增速保持在20%左右。

规模激增的背后,是能源消耗的持续增加。值得注意的是,由于技术原因,数据中心的实际能耗往往高于统计数据。“根据用途,数据中心分为企业自建自用和营利性两类。由于种种原因,很难统计出所有自建部分,也就是说实际用电量高于公开数据。”中国电子节能技术协会数据中心节能技术委员会秘书长卢说。

与水泥、冶金等高能耗传统行业逐渐进入稳定发展期,能耗难以再现形成鲜明对比的是,数据中心作为一个新兴行业,随着业务的扩大,其用电量的增长趋势明显加快。“与其他行业相比,无论是单位生产用电量还是单位建筑面积用电量,数据中心一直处于前列。按照8-10年的运行周期,能源成本已经占到数据中心总成本的一半左右,电费甚至比机房本身还要贵。他们就像不抽烟的钢厂,创造经济价值的同时也带来了高能耗。”中国建筑标准化协会信息通信专业委员会副主任海峰曲说。

大量的电力消耗从何而来?据鲁介绍,数据中心不仅包括服务器等核心设备,即能源消耗的主体,还包括不间断电源、照明和冷却等辅助设备。

“就像电脑需要散热一样,数据中心对环境的要求极高,往往依靠空空调、冷水机等设备降温。冷却部分的能耗占辅助设施能耗的60%以上。这也是张北、贵州等非用户中心区域受到各大数据中心青睐的原因。因为这些地区的平均温度相对较低,冷却的能源成本也会相应降低。”鲁对说:

根据中国电子技术标准化研究院发布的《绿色数据中心2020白皮书》,近年来,我国数据中心能效水平不断提升,超大型数据中心平均电能利用率(PUE)为1.46。一些优秀的绿色数据中心是世界领先的,PUE可以达到1.2 ~ 1.3。然而,中国数据中心的总能耗仍在高速增长,明显高于世界平均水平。

2021年11月,国家发改委等部门发布了《关于落实二氧化碳排放峰值碳中和目标,推进数据中心、5G等新型基础设施绿色高质量发展的实施方案》(以下简称《方案》)。方案指出,到2025年,数据中心和5G基本形成绿色集约的一体化运行格局。全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降至1.3以下,全国枢纽节点进一步降至1.25以下,绿色低碳等级达到4A以上。

为什么数据中心耗电大(耗电大户企业)

阿里云张北数据中心。图片|阿里云阿里云张北数据中心。图片|阿里云

大型和超大型数据中心有哪些把低碳生活从愿景变成现实的硬招?

盛夏,阿里云张北数据中心正在经历一年中最热的节气——酷暑,在北京西北200多公里的张北县曹园田路附近。但即使是三伏天,这里空声调的使用率也不高。据调查,张北具有得天独厚的气候优势,年平均气温只有2.6℃,当年最低气温曾创下零下40℃的纪录。

与其说张北数据中心空音利用率极低,不如说这里更多使用的是“自然空音”。在公园的风冷房间里,代替空音的,是一种类似于新风系统的设备——AHU风墙。

AHU是空气处理器单元(风机矩阵空气体处理单元)的缩写。当室外温度低于设定值时(如25℃),AHU设备会将室外冷空气体经过过滤和湿度处理后直接送入数据机房;当室外温度高于设定值时,经过喷雾降温过滤后送至数据机房,或者启动备用制冷空对机房内的服务器进行制冷。

“AHU风墙技术的使用可以大大减少空机组的运行,节约能源。”阿里云基础设施数据中心总经理高善元告诉记者,在张北数据中心,几乎每年都可以用室外冷空气给数据机房降温300多天。

高山元表示,根据计算,张北数据中心的电力效率(即PUE值,该值越接近1,效率越高)在冬季可以达到1.09的最低PUE,在夏季只有1.3左右。

在节能降耗方面,除了充分利用自然风冷,阿里云还开发了一套“把服务器泡在水里”的黑科技。

在张北数据中心的液冷机房,可以看到一排排价值不菲的服务器浸泡在液体中。仔细看,还能看到一些组件在水中闪闪发光,就像科幻电影里的桥梁一样。

这就是浸液冷却技术。浸没式液体冷却依靠一种特殊的绝缘冷却液,零距离全方位接触服务器的所有部件,设备在运行中产生的热量会直接被吸收到外部循环中进行冷却。这种散热方式不需要开启空,整个过程散热的能耗几乎为零,整个机房非常安静。

“浸没式液冷的节能效果在70%以上,实现了数据中心100%的机械冷却。”高山表示,“如果浸液冷却推广到全国,那么各国数据中心的PUE将降低到1.1以下。”

高山表示,随着未来对高能耗服务器(如AI服务器)的需求越来越大,浸液冷却可能是唯一的解决方案。

液冷的优势不仅在于散热,还在于可以提高设备的稳定性,降低设备的事故率。高山告诉记者,在过去的三年里,与其他同等大小的房间相比,液冷房的事故率下降了54%。

但是,浸液冷却并不是没有死角的“六角勇士”。一方面,液冷虽然从全生命周期来看成本尚可,但其一次性投入成本很高;另一方面,证明绝缘冷却液与各种部件的“磨合”是需要时间的。比如,它与GPU等计算单元的兼容性还没有得到验证。此外,由于生产工艺和技术的原因,绝缘冷却剂的国产化还有很长的路要走。

高山元表示,通过模块化设计、AI温度调节等技术,张北数据中心全年PUE低于1.2,最低PUE可达1.09——行业领先数字。这个能效大约相当于每年节约8万吨标准煤,相当于种了400万棵树。

通过自然冷风吹风,绝缘冷却液浸泡,数据中心的PUE值降低到接近1,提高了数据中心的能效。

然而,数据中心仍然是耗电大户。好在张北有“绿电”。早在七八年前,张北就是“风车林立、千亩光伏板荡漾如波”的辽阔原野。经过这些年的发展,风车和光伏板已经成为张家口重要的电源。

使用“绿色电力”已经成为张北数据中心的必然选择。高山透露,张北数据中心无疑是张北绿色电力的消耗大户。2018年起,阿里加入张家口“四方合作机制”风电交易。截至2021年5月,共交易了约4.5亿千瓦时的绿色电力,累计减排二氧化碳近40万吨。

浸没式液体冷却依靠一种特殊的绝缘冷却液,零距离全方位接触服务器的所有部件,设备在运行中产生的热量会直接被吸收到外部循环中进行冷却。这种散热方式不需要开启空,整个过程散热的能耗几乎为零。

从自身节能减排出发,只是阿里云数据中心迈向“零碳云”的一环。2021年5月,阿里云发布“零碳云”计划,希望推动自身节能减排,同时向生态企业输出数字减碳能力,支持绿色科技创新。他们希望向电力、钢铁、交通、制造等碳排放大户提供高效的云平台支持,引入大数据和AI技术,帮助云企业提高效率、节能降耗。

例如,通过将阿里云工业大脑引入攀钢集团,优化整个炼钢流程,攀钢集团下属西昌钢钒公司炼钢厂每生产一吨钢节省了25%的人工和1.28公斤的铁,生产效率提高了2.4倍。在西南某大型垃圾焚烧发电机组上,阿里云利用优化后的AI算法,帮助客户将固体垃圾焚烧效率提高了2.6%,相当于每年燃烧同样的垃圾可以产生4000多万千瓦的电力,碳排放量比之前减少了约48%。

曲海峰承认,通过一定的节能措施和改变粗放的管理方式,能源效率可以提高10% ~ 20%。但由于数据中心整天运行,很难让数据中心停下来再重建核心设备,就像给行驶中的汽车换发动机一样。保证业务不中断是一个现实问题。而且,完成节能改造并不意味着一劳永逸。为了保证标准,需要建立一个在线监控系统,有平台、工具和相应的执法手段。“数据中心作为一种基础设施,与很多信息产业相关,覆盖面很广,并不完全等同于传统的‘两高’产业。不可能照搬管理工业项目的方式。但大多数企业缺乏专业的管理能力,这也是执法者的一个难题。目前地方政府有明确的节能降耗意愿,但仍缺乏有效的手段和策略。”

◎来源|综合中国能源报、中国科学报

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