一、序言
從各類數(shù)據(jù)的表面來分析，數(shù)據(jù)中心無疑是“能耗大戶”。從微觀上看，一個(gè)超大型數(shù)據(jù)中心每年的耗電量近億度；從宏觀上看，全世界數(shù)據(jù)中心的耗電規(guī)模為205TWh[1]，占全世界耗電規(guī)模的1%。據(jù)中國信息通信研究院（以下簡稱“中國信通院”）發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心白皮書》統(tǒng)計(jì)，我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)年增長30%以上，有人因此擔(dān)心數(shù)據(jù)中心的能耗也會(huì)迅速擴(kuò)增，而事實(shí)真的是如此嗎？2020年初，世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》刊登的論文《重新校準(zhǔn)全球數(shù)據(jù)中心能耗估算》的數(shù)據(jù)卻表明：全球數(shù)據(jù)中心的能耗增長其實(shí)在放緩。
一般觀念里面對于耗電都是只講“總數(shù)”不講“邊際”，數(shù)據(jù)中心耗電的“總數(shù)”看似龐大，其實(shí)從“邊際”的角度來看，數(shù)據(jù)中心確實(shí)通過努力在逐漸摘掉“能耗大戶”的帽子?！吨匦滦?zhǔn)全球數(shù)據(jù)中心能耗估算》的研究表明：與2010年相比，2018年全球數(shù)據(jù)中心計(jì)算實(shí)例增加了550%，而同期全球數(shù)據(jù)中心的耗電量僅增加了6%。從每個(gè)計(jì)算實(shí)例來看，全球數(shù)據(jù)中心的能耗強(qiáng)度自2010年以來每年下降20%，能耗效率顯著提升。
二、能耗增長放緩的原因
綜合《重新校準(zhǔn)全球數(shù)據(jù)中心能耗估算》和全球發(fā)展現(xiàn)狀分析，數(shù)據(jù)中心能耗增長放緩的原因主要有三點(diǎn)：
一是得益于積極的政策引導(dǎo)。在全球各地區(qū)政策的引導(dǎo)下，數(shù)據(jù)中心從較小的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變，有效降低PUE值。目前數(shù)據(jù)中心的規(guī)模正在從較小的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向更大、更節(jié)能的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移，2010年全球傳統(tǒng)小型數(shù)據(jù)中心規(guī)模占計(jì)算實(shí)例的79%，而到了2018年全球超大型數(shù)據(jù)中心規(guī)模占計(jì)算實(shí)例的89%。
二是得益于IT設(shè)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(jié)合減少了每個(gè)計(jì)算實(shí)例所需的電量，使全球計(jì)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(chǔ)驅(qū)動(dòng)器效率和密度的提高相結(jié)合使全球存儲(chǔ)容量增加了25倍的同時(shí)存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)施技術(shù)的不斷改進(jìn)。這些基礎(chǔ)設(shè)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(jù)估計(jì)，2018年全球數(shù)據(jù)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(dǎo)數(shù)據(jù)中心走向大型化和集約化，有效降低能耗。國內(nèi)數(shù)據(jù)中心在2013年以前存在著過熱、盲目和重復(fù)建設(shè)問題，同時(shí)，全國大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心存在規(guī)模偏小、布局不合理、能效水平低等問題。從2013年開始，工信部陸續(xù)通過聯(lián)合四部委印發(fā)《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》、滾動(dòng)更新《全國數(shù)據(jù)中心應(yīng)用發(fā)展指引》（中國信通院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所具體支撐）等方式引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心合理建設(shè)和布局，多個(gè)省市通過陸續(xù)出臺(tái)一系列政策引導(dǎo)規(guī)范數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，我國數(shù)據(jù)中心的能效水平總體提升。
2013年以前，全國對外服務(wù)型數(shù)據(jù)中心平均PUE在2.5左右，而到2019年底，全國對外服務(wù)型數(shù)據(jù)中心平均PUE近1.6，實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。同時(shí)數(shù)據(jù)中心也朝著大型化、集約化的方向邁進(jìn)，2013年以前全國大型以上數(shù)據(jù)中心的數(shù)量較少，而到了2019年，在對外服務(wù)型數(shù)據(jù)中心中，大型以上數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模占比達(dá)到70%左右，這極大地促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心能耗效率的提升。
不僅PUE的平均水平在優(yōu)化，我國數(shù)據(jù)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(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所已經(jīng)測過眾多數(shù)據(jù)中心的PUE，其中PUE表現(xiàn)良好的大部分為互聯(lián)網(wǎng)和通信行業(yè)大型數(shù)據(jù)中心。很明顯，隨著時(shí)間的推移，參測數(shù)據(jù)中心PUE已經(jīng)由1.4-1.5區(qū)間降低到1.2-1.3區(qū)間。
年度參測數(shù)據(jù)中心PUE平均值
在國際上，以美國公共機(jī)構(gòu)為例，美國政府從2010到2019十年時(shí)間內(nèi)，通過美國聯(lián)邦數(shù)據(jù)中心整合計(jì)劃（FDCCI）、聯(lián)邦政府信息技術(shù)采購改革法案（FITARA）、數(shù)據(jù)中心優(yōu)化倡議（DCOI）等一系列政策措施，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心數(shù)量減少7000個(gè)，減少約50%；近一半大型數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)逐步簡化，提高用電效率。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模快速增長，高壓直流（HVDC）逐漸成為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的新選擇， “HVDC+市電直供”相結(jié)合的模式，供電效率可提升到94%-95%，若采用HVDC離線模式，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(yīng)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(tǒng)IDC供電架構(gòu)，從中壓10KV AC直轉(zhuǎn)240V DC，減少轉(zhuǎn)換次數(shù)縮短電流旅程，相比傳統(tǒng)雙U架構(gòu)配電節(jié)省投資44%，IDC整體投資節(jié)省7%以上。
液冷逐漸成為數(shù)據(jù)中心制冷的新方向，更加節(jié)能。隨著新興技術(shù)的快速發(fā)展，特別是高性能計(jì)算設(shè)備和GPU服務(wù)器的使用，將使單機(jī)架用電規(guī)模朝著20kW-30kW甚至更高規(guī)模發(fā)展，而用電密度提升對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)風(fēng)冷已無法達(dá)到所需的散熱能力，液冷逐漸成為數(shù)據(jù)中心制冷的新模式。液冷模式通過液體直接導(dǎo)向熱源帶走熱量，散熱效率更高、更加節(jié)能。國內(nèi)以O(shè)DCC（開放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)）為代表的行業(yè)平臺(tái)積極推動(dòng)了液冷的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，加速了數(shù)據(jù)中心液冷團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)。
整機(jī)柜服務(wù)器支撐新技術(shù)新應(yīng)用，有效降低能耗。天蝎整機(jī)柜服務(wù)器目前完成三代技術(shù)演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器供電、散熱和系統(tǒng)管理層面標(biāo)準(zhǔn)化、資源池化，不僅可以實(shí)現(xiàn)性能的提升、總成本的降低，同時(shí)也降低了能耗。如整機(jī)柜ARM64服務(wù)器，對比同配置X86服務(wù)器，計(jì)算性能提升1-2倍，單節(jié)點(diǎn)能耗省40W；整機(jī)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(tǒng)GPU服務(wù)器性能提升30%，能耗降低7%以上。
四、小結(jié)
由于計(jì)算能力和能源消耗的正比關(guān)系，數(shù)據(jù)中心的高能耗屬性不會(huì)改變，但是我們可以通過政策引導(dǎo)和技術(shù)創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高能效和高質(zhì)量發(fā)展，同時(shí)也需要關(guān)注數(shù)據(jù)中心對經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的顯著促進(jìn)作用。隨著數(shù)據(jù)中心進(jìn)入新基建的序列，數(shù)據(jù)中心的社會(huì)關(guān)注度驟升，相關(guān)政策密集研究和出臺(tái)，我們也期待并盡力推動(dòng)更多的數(shù)據(jù)中心技術(shù)創(chuàng)新。
[1] Recalibrating global data center energy-use estimates
作者簡介
吳美希，中國信息通信研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所數(shù)據(jù)中心研究部高級(jí)業(yè)務(wù)主管。
聯(lián)系方式：[email protected]
郭亮，中國信息通信研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所副總工程師，開放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)(ODCC)新技術(shù)與測試工作組組長
聯(lián)系方式：[email protected]
