數據中心綠色化發展趨勢及思考

王月 中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師

王甜甜 中國信息通信研究院政策與經濟研究所助理工程師

李潔 中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師

高巍 中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師

發展策略

數據中心綠色化發展趨勢及思考

王月 中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師

王甜甜 中國信息通信研究院政策與經濟研究所助理工程師

李潔 中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師

高巍 中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師

隨著云計算、大數據等新技術的迅猛發展，數據中心作為關鍵基礎設施，逐漸成為數字經濟時代我國實現跨越式發展的重要戰略產業。本文從數據中心產業發展、綠色技術發展、政策發展3個方面分析數據中心綠色化發展的現狀及未來發展趨勢，總結目前數據中心綠色發展存在的問題，并提出相應的策略建議。

數據中心；節能；綠色發展；政策

1 引言

隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能等技術從概念到實踐的發展，作為業務支撐和信息資源集聚的數據中心已經成為信息產業的重要基礎設施，近年來蓬勃發展。數據中心不僅成為搶占數字經濟時代話語權的保證，也是保障信息安全可控的關鍵所在，數據中心正在發展成為一個具有戰略意義的新興產業，其產業發展和布局已經上升到國家戰略層面，在相關國家政策中多次被提及。

隨著產業規模的擴大，數據中心的耗能越來越大，據估算，2015年中國數據中心電力消耗達到1000億度，堪比三峽水電站的年發電總量；亞馬遜網絡服務公司副總裁詹姆斯·漢密爾頓在2009年的數據中心能效峰會中曾講過：“一個典型的15MW數據中心每天使用360000加侖的水資源，兩天排出的廢水量相當于一個奧林匹克規格游泳池的用水量”。大量的能源及水資源消耗已經成為各地區產業發展的重要瓶頸，建設綠色數據中心、實現節能減排已成為近年來的熱點話題。

本文主要從數據中心產業發展、綠色技術發展、政策發展3個方面分析數據中心綠色化發展的現狀及未來發展趨勢，總結目前數據中心綠色發展存在的問題，并提出相應的策略建議。

2 數據中心綠色化進展及趨勢

2.1 數據中心產業進展及趨勢

在“互聯網+”快速發展的時代背景下，互聯網產業與傳統產業融合創新已經成為重要發展趨勢。伴隨著信息產業智能化、泛在化的發展趨勢，工業互聯網、智慧城市、智慧政務、智慧交通、智慧農業、智慧旅游、電子商務等蓬勃發展，而這些產業發展都離不開數據中心，且對數據中心的需求增長越來越快。在產業需求旺盛和國家政策的鼓勵與支持下，我國數據中心產業快速發展，據IDC圈的統計數據顯示，2015年我國IDC市場總體上延續了高速增長態勢，市場規模達到518.6億元人民幣，同比增長39.3%，略低于2014年的41.8%，具體參見圖1。預計未來3年市場增速仍將保持在35%以上，到2018年，市場規模或將超過1400億元，增速將接近39.6%。

隨著數據中心業務需求不斷豐富和多樣化，對數據中心的要求也不斷提高，數據中心的建設和運營水平不斷提高，處理速度越來越快，規模越來越大，能效水平越來越高，管理越來越智能化，數據中心產業逐漸由原來的粗放式發展向集約式發展轉變。從市場角度來看，我國數據中心產業發展速度快，規模大，但仍然面臨著建設周期長、成本高、能耗高、安全可靠性差等問題。據不完全統計，我國數據中心總量已超過40萬個，年耗電量超過全社會用電量的1.5%，其中大多數數據中心的PUE仍普遍大于2.2，與國際先進水平相比有較大差距，節能潛力巨大。

圖1 我國IDC產業市場規模及趨勢

2.2 數據中心綠色技術進展及趨勢

數據中心的電力消耗主要由IT設備、空調系統、供電系統及照明等輔助系統構成，其中空調和供電系統組成主要的“無用功”消耗。據不完全統計，國內數據中心電力消耗中，服務器、存儲等IT設備消耗的“有用功”占50%左右，空調系統耗電平均占比37%左右，供電系統耗電占比約10%，降低數據中心中空調及供電系統的電力消耗成為綠色化發展的首要問題。

（1）數據中心制冷技術

數據中心制冷技術領域，為了有效降低制冷系統的能耗，近幾年產業界在自然冷源、設備控制、氣流組織等方面開展了大量的探索與實踐，如空調系統變頻控制、余熱回收技術、空調末端精確送風、封閉冷熱通道、提高冷凍水供回水溫度、提高回風溫度、獨立濕膜加濕技術等；有條件的地區采用自然冷卻也成為重要節能方式，包括外墻風道智能換熱技術、過濾風墻智能新風技術、冷卻塔+板式換熱器、帶自然冷卻功能的風冷冷水機組、帶自然冷源的蒸發冷凝冷水機組等直接利用自然冷源和間接利用自然冷源技術。

從制冷技術發展趨勢來看：

制冷方式逐漸由機械制冷向自然制冷方式轉變，包括設備級、空氣級、水冷級的自然冷卻，如阿里巴巴千島湖數據中心因地制宜采用深層低溫湖水制冷，年均PUE可達到1.3左右，比普通數據中心全年節電約數千萬度。

制冷設備逐漸由低COP值向高COP值邁進，傳統的風冷式空調采用風冷冷凝器，安裝維護方便，但COP值低于3，水冷式、蒸發式冷水型空調的COP值在4～5左右，而室外自然冷源利用設備可以充分利用室外冷量冷卻，COP值可達到10以上。

氣流組織逐步精準化，通過冷熱通道隔離、氣流組織有序實現就近精確送風，減少循環風阻，降低風機功耗，氣流組織方式逐漸由機房級向機柜池級、機柜排級、機柜級演變。

能源綜合利用，數據中心空調采用水冷式冷凝器，回收大量的冷凝熱，可用于供暖或供生活熱水，部分機房采用跨季節、夜間蓄冷等技術。

（2）數據中心供電技術

常見的數據中心供電系統主要有UPS、HVDC、48V、12V等架構，不同架構各有利弊。傳統的供電架構采用雙路UPS作2N設計，應用比較廣泛，產業鏈成熟，可靠性較高；高壓直流供電系統（HVDC）一般采用1路市電直供、1路HVDC冷備份的供電架構，當市電出現異常時，切換到HVDC供電，此方式供電效率較高，成本低，但是服務器電源可能需要定制；48V在通信行業普遍使用，采用48V直流供電可統一設備供電電壓，降低成本，同時規避低壓直流的缺點，但是傳輸損耗大，目前谷歌、Facebook建設了48V數據中心；12V供電架構采用市電直供的方式，供電效率高，但是傳輸損耗大，且需要對服務器進行特殊定制，配置12V的電池，微軟的12VBBU集中式數據中心采用了此種方式。

從供電技術發展趨勢來看，供電系統逐漸由交流/高壓/集中式向直流/低壓/分布式轉變。傳統UPS模式下，電池放在電池室內，微模塊數據中心電池放于機柜旁邊，整機柜服務器電池放于機柜內部，服務器內置模式下，電池將置于主板上，電池越靠近末端服務器，供電系統也越為分散，從電網到CPU供電路徑上的轉換級數減少，轉換效率更高，但同時供電系統的定制化程度越高，對IT電源及電池控制管理水平要求也越高。

（3）IT設備節能技術

綜合利用高頻UPS、HVDC、封閉通道、提高機柜進風溫度、變頻設備、智能群控組網等技術可以實現數據中心PUE達到1.45左右，但是降低PUE，提高數據中心能效與真正的綠色數據中心仍有差距，當數據中心PUE接近1的時候，更重要的是IT設備節能。IT設備的能耗約占據整個數據中心能耗的一半，其中服務器能耗在IT設備能耗的占比高達50%，因此提高服務器的能效水平顯得尤為重要。目前，服務器節能主要包括在服務器低負載時降低CPU頻率和電壓、處理器較長時間處于空閑狀態時進入休眠狀態、采用低功耗處理器等器件節能技術，以及采用虛擬化、云計算等技術提高設備負載率、采用功耗封頂、動態監控管理等整機節能技術兩個方面。利用智能感知、動態監管、人工智能等新技術實現能耗的實時動態優化成為IT設備節能技術的重要方向。

（4）數據中心節水技術

水是數據中心消耗的另一個主要能源，據相關數據顯示，1MW的數據中心平均一年消耗水3萬噸以上。當數據中心規模較大時，尤其對于采用冷凍水自然冷系統的數據中心，水資源消耗是不容忽視的。目前，一方面可通過降低數據中心PUE、提高數據中心機房溫度等降低數據中心能耗，減輕數據中心制冷系統負擔；另一方面可使用閉式冷卻塔等節水裝置，或者采用其他風冷、直接蒸發冷卻等方式降低數據中心對水的需求量，如Facebook數據中心一期使用直接蒸發風冷以及加濕系統，二期使用阻尼媒體，但建設成本相對較高。此外，谷歌公司創新使用循環水冷卻降低數據中心運營成本，如位于道格拉斯郡的數據中心采用城市污水，簡單凈化后進入數據中心；位于比利時的數據中心從工業運河中抽水，利用裝滿細沙的大型水箱過濾水中的小顆粒，讓水變清后進入冷卻系統。

2.3 數據中心政策進展及趨勢

數據中心的能源消耗不僅是產業界關心的熱點話題，也得到了相關政府部門的關注。國家出臺有關云計算、大數據、“互聯網+”等文件中多次提及數據中心建設和規劃，如2015年，《國務院關于印發促進大數據發展行動綱要的通知》中指出“充分利用現有企業、政府等數據資源和平臺設施，注重對現有數據中心及服務器資源的改造和利用，建設綠色環保、低成本、高效率、基于云計算的大數據基礎設施和區域性、行業性數據匯聚平臺，避免盲目建設和重復投資”；2016年，國家發改委《關于組織實施促進大數據發展重大工程的通知》中提出“重點支持基礎設施統籌發展”，包括整合分散的政務數據中心、探索構建國家數據中心體系、開展綠色數據中心試點3個方面；2015年，工業和信息化部、國家機關事務管理局、國家能源局聯合制定發布了《國家綠色數據中心試點工作方案》，并在生產制造、能源、電信、互聯網、公共機構、金融等重點應用領域開展了一批試點工作。

數據中心產業發展已經成為我國產業經濟轉型升級的重要支撐，在國家出臺相應政策后，部分地方政府也根據地方產業基礎和特點，制定了當地的數據中心發展政策。如北京市2014年發布的《北京市新增產業的禁止和限制目錄》明確規定：禁止新建和擴建數據中心，PUE值在1.5以下的云計算數據中心除外。此政策出臺一方面引導數據中心在建設設計階段做好能效規劃，確保數據中心設計PUE低于1.5，另一方面引導數據中心建設從傳統架構向云架構轉移，促進數據中心產業節能減排。在北京市推進“互聯網+”行動的文件中也提到“推進京津冀區域協同創新發展，促進信息基礎設施共建共享，整合規模小、效率低、能耗高的分散數據中心”。

3 數據中心產業存在的問題及策略建議

目前，我國產業規模穩定增長，綠色化技術不斷創新突破，數據中心政策也逐漸完善，總體來看，數據中心產業健康有序，具有良好的發展前景，但能耗問題仍然是產業發展的一大瓶頸。國內數據中心在應用節能、節水、低碳等技術產品以及先進管理方法實現能源效率最大化方面開展了大量探索與實踐，但仍面臨著眾多挑戰：

一是國內數據中心綠色化水平差異較大，新建數據中心能效水平較高，但是老舊數據中心PUE仍然較高，新型互聯網企業的數據中心綠色化水平較高，傳統行業的數據中心能效較差，如何將先進綠色數據中心的技術向傳統老舊數據中心推廣是一大重要問題。

二是數據中心節能技術與國外相比仍有較大差距，國內數據中心使用的制冷設備、供電設備及系統大部分來源于國外廠商，相關節能技術的基礎較弱，對設備的節能改進和軟件控制水平有限。

三是數據中心運維水平不足導致達不到設計的能效水平，國內新建數據中心在建設規劃設計階段，設計PUE相對較低，但是在數據中心開始運營后，由于實際的業務要求、負載率較低、運維能力較差等原因，很多數據中心PUE達不到設計水平。

四是數據中心能效監管政策存在不足，目前部分行業和地區已經出臺數據中心能效相關政策和標準，但由于沒有統一的數據中心能效監管平臺和管理辦法，數據中心的能效評價標準尚不完全一致，部分數據中心的實際能效仍然較高。

為了加速數據中心綠色化進展，本文提出以下策略建議：

一是加大綠色數據中心節能技術的宣傳與推廣，發布優秀數據中心案例，運用第三方組織和機構加強互聯網企業與傳統企業的溝通交流，對傳統老舊小數據中心進行科學評估，有條件的數據中心加快推進節能改造。

二是大力支持數據中心相關節能技術的研究與探索，一方面提高國內設備廠商的產品與技術能力，加大新技術的研究與開發，鼓勵數據中心探索使用清潔新能源；另一方面，加強國際溝通交流與合作，提高國內設備商和設備用戶的技術能力。

三是加強數據中心高水平運維人員的培養，在數據中心設計階段做好有效的能效規劃，研發數據中心智能監管控制平臺，通過軟硬件結合提高國內數據中心的運維水平。

四是加快出臺數據中心能效監管政策，完善數據中心能效評價標準與體系，推廣科學的能效評價方法，建設數據中心統一監測平臺，優化數據中心的能效水平。

中興通訊攜手巴基斯坦電信榮獲年度最佳視頻平臺創新大獎

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Trend and thoughtsongreen development of data center

WANGYue，WANGTiantian，LI Jie，GAOWei

With the rapid development of cloud computing and big data, data center, as a critical infrastructure, is becoming animportant strategic industry for leap-forward development of China in the coming digital economy. This paper focused on theaspects of the development of data center industry, green technology and policy to analyze the current situation and futuredevelopment of data center's green development. Meanwhile, this paper also summarized the existing problems and putforward the corresponding policy suggestions to data center's green development.

data center；energy conservation；green development；policy

2016-10-10）