提及数据中心,目前有两个明显的标签,一是数字经济的底座,作为新型基础设施,数据中心是算力提升、数字化转型必不可少的关键;一是碳排放大户,统计显示,2021年我国数据中心用电2166亿度,占全国总电耗的2.6%,碳排放量达1.22亿吨。

如果不采取措施,伴随不断扩大的产业规模,数据中心碳排放将快速上升,最终将影响生产、生活,这一情况下,降碳成为数据中心必须重视且需要持续推进的事项,以实现绿色可持续发展。而在诸多降碳举措中,节能减电可谓最受关注。

节碳必须进行大幅度节能

数据中心在建设、运行过程中均会产生碳排放,两者相比,绝大部分用能排碳都是在运行期间产生,这也是本文主要讨论的部分。

以机柜数1000,单机柜2.5千瓦时的数据中心为例,其运营期间年用电量可达到2190万度,且数据中心运行周期长达20—30年,具备不间断运行特点,需要长时间持续用电,而大部分电量由电网供给,目前火电(高排放化石能源发电)在能源结构中依旧占据重要地位,这也成为数据中心碳排放的主要来源。因此,降低碳排放实际上是逐步减少并抵消火电的过程。

从这一角度出发,当前相关举措可分为三个层面:用能方面,运用多种节能手段,减少各环节用电量,实现各阶段能效的提升;供能方面,提高新能源使用比例,通过配备分布式新能源发电设备、绿电直供等方式优化自身能源使用结构,提升新能源发电电量,减少火电使用比例;抵消方面,则是采用购买绿电、绿证等市场行为进行碳消纳。

想要实现低碳,乃至于零碳,这三方面缺一不可。尤其是用能方面的举措,是减碳必不可少,在当前阶段甚至是最重要的一环。

究其原因,相较于改变供能结构及碳抵消市场化手段,大幅度的减少用能,是可以在相对较短的时期内快速、有效、直观且能够显著降低碳排放的手段,且在技术与市场方面已经具备深化发展的条件与潜力。同时,作为用能的主体,数据中心在此方面的实践与发展更具主动性,相关节能技术及相关解决方案更具创新活力,能够有较好的实践成果,是企业积极承担自身社会责任的体现,是推动行业整体实现切实降碳的必要举措。

与PUE密切相关,减少制冷、供配电用能成焦点

数据中心的用能部分为IT设备、制冷系统、供配电系统、照明及其它。其中,减少制冷、供配电系统的用能用电成为主要关注对象。这主要是因为两者均与PUE相关。

作为衡量数据中心能效水平的重要指标,PUE成为近年来行业中最为人耳熟能详的热词。

国家和地方发布多项政策不断推动PUE值的降低,2017年,《“十三五”节能减排综合工作方案》提出,新建大型云计算数据中心PUE值低于1.5;2019年,《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》提出,既有大型、超大型数据中心PUE值不高于1.8;2021年,《新型数据中心发展三年行动计划(2021—2023年)》提出,到2023年底,新建大型及以上数据中心PUE降至1.3以下,严寒和寒冷地区力争降至1.25以下;2021年底及2022年初,国家发展改革委等部门在“东数西算”复函中提出东部数据中心集群平均PUE小于1.25,西部则小于1.2。

国家和地方发布多项政策不断推动PUE值的降低

可以说,低PUE也成为数据中心能够进行建设、改造、运行的必备条件。而PUE是数据中心总耗电量与数据中心IT设备耗电量的比值,想要降低PUE,便需要尽可能将电能全部用于IT设备,减少其他部分的用电。用能方面的节能减电举措恰恰符合这一特性。

制冷是IT设备之外的最大耗能源,以PUE为1.5的数据中心为例,其IT设备耗能约占67%,制冷系统约占27%,供配电系统约占5%,照明及其它约占1%。减少其能耗,是降低PUE的主要途径,也恰恰是用能方面减少用电的重要组成。

PUE1.5的数据中心能耗占比

通过优化原有制冷方式,增强自然冷源利用,引入先进技术等,数据中心能够有效提升效能,减少电量的使用,如当下被讨论最多的液冷,其比热容远高于空气,单位体积热容量是风冷的1000倍以上,热量传导效率更高,系统耗电量方面约比风冷系统节省电量30%-50%,目前已经有喷淋式、冷板式、浸没式三种形式,正逐步应用于数据中心。

此外,数据中心在间接蒸发冷、全变频氟泵技术等方面探索应用也均有效减少了数据中心制冷方面的用电,提升了制冷效率。同时,想要实现理论上的制冷效果,需要进一步优化的地方依旧很多,如完善的市场制度、成熟的服务体系、更加低廉的成本、更突出的安全保证等,制冷上发展依旧长路漫漫。

在第三大耗能部分——供配电系统方面,数据中心也有了长足的发展,如高压直流供电系统的应用,与传统的UPS 相比,其具备系统效率高,系统扩容便捷,系统稳定性高、可维护性高等特征,能够有效提升供电效率,起到良好的节能效果。

在使用高压直流时,新建数据中心在综合考虑成本和可靠性后,通常会采用市电+高压直流双路供电,这种方式供电效率达98%,消除了系统的单点故障瓶颈,提高了供电的可靠性,且在每个机架内提供了交/直流两路电源,在市电一路无需电能的转换,可最大程度提高系统效率。

通过节能减电的种种举措,数据中心IT设备之外的部分耗能降低,PUE呈现出持续下降的趋势。据统计,相比于2017年,2019年我国在用超大型数据中心平均PUE值下降了0.17。

避免唯PUE论,减少IT设备用电是必要一环

PUE的重要性毋庸置疑,但如果唯PUE论,对于减少数据中心用电来说却有可能会造成相反的效果。

这主要是因为PUE具有片面性,如水蓄冷的应用,其能够为机房提供冗灾应急供冷,通过利用谷段电力制冷,可有效节约电能,且涉及太阳能、水能等清洁能源的利用,能够提升清洁能源的消纳,假如在用电高峰释放出冷量给环境和设备冷却使用,还可以起到削峰填谷的作用。但从PUE上来讲,如果采用水蓄冷,用电量会增加,反而可能会造成PUE的增高。

IT设备方面的节能也可能出现这一情况,如果通过虚拟化技术等提高IT设备效率,虽然减少了IT设备总能耗,但IT设备耗能也随之降低,造成PUE升高。

不过,IT设备是数据中心运行过程中最大的用电来源,因此,数据中心想要更进一步的节约用能,减少碳排放,提升算能、算效,IT设备的节能绕不开的一环。因此,对于减少IT设备用电,便不能仅从PUE上来判定,或者PUE应综合衡量,在推动IT设备节能减电的过程中,设置一定的标准,将相关因素作为变量减除,以获取具备衡量意义的数值。

那么,数据中心在IT设备在减电方面,又都有哪些解决方案或者探索?

芯片方面,更加适用于数据中心此种大规模算力场景的DPU诞生,其是以数据为中心构造的专用处理器,采用软件定义的技术路线,支撑基础设施层的资源虚拟化、存储、安全、计算等一系列功能。DPU在核心能力上要求突破更低的时延和更高的吞吐。

根据测试,通过使用NVIDIA ConnectX 智能网卡(具有DPU功能的网卡)处理网络任务,在满负荷网络上运行的服务器CPU能耗从190瓦降至145瓦,下降了24%。依靠DPU,一个大型数据中心可在三年间缩减近200万美元的电力成本。

使用DPU前后服务器的能耗对比

存储设备方面,数据中心的基本核心功能便是数据存储,但存储消耗能源也极为巨大,数据显示,数据存储系统约占数据中心耗电量的35%。

针对此,为提升存力并降低能耗,数据中心在存储设备进行了升级优化,其中代表产品是闪存。统计显示,闪存硬盘比机械硬盘节能65%以上。全闪存数据中心也已经落地,在节能减碳放面表现突出。如兴业银行通过部署先进闪存设备进行全闪存替换,存储系统实现超过60%的能耗节省。

节能IT设备方面,高转换效率电源模块、服务器风扇节能控制、整机柜供电、液冷服务器等成为研究方向,这提升IT设备的高效使用,在减少用能用电的同时,满足了高密度数据中心的发展趋势;软件系统方面,运用智能化技术,通过在架构和算法上的优化,实时移动工作负载,以最大限度地利用活动设备,并将不需要的设备置于深度空闲/低功耗状态,以提升使用效率,降低电量的需求。

此外,优化应用和系统架构,如减少不必要的冗余和备份、提高程序运行效率等也是推动IT设备节能的有效方式。

从实际来看,以上方式大多还都处于相对早期的阶段,包括芯片的研发应用,智能化软件系统的创新等,但其对于节能减电方面的效用已经初见端倪,同时,伴随PUE的进一步降低,其它设备用能耗电的大幅度减少,IT设备的节能更有意义,将成为数据中心提升能效的重要途径。

数据中心节能减电,是推动降碳的有效方法,是提升算力、算效的直接途径,在实际推进过程中,涉及液冷、芯片、存储等多个产业,是一项数据中心为需求方,需要多方协同的系统性的工程。同时,其也有自身的复杂性,相关举措的效果应进行更加综合的判定,不能仅以当前的PUE来衡量,需建立更加完备的能耗评定体系,同时,不仅是运行,数据中心建设也应包含在其中,采用预制化模块化等更加节能的建设方式也是数据中心节能减电的重要举措。

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