耗電大戶數據中心

位于河北、內蒙古交界處的張北，一個充滿古韻的高原縣城，目前中國規模最大的云數據中心阿里巴巴云數據中心便落戶于此。

數千公里之外的貴州，群山峻嶺之間，分布著蘋果、華為、騰訊等多家公司的數據中心。無論身處何地，你手機云端的相片、朋友圈的視頻、網盤里的資料，或許都存儲于此。

主流數據中心不約而同地棲身偏遠地區，這不是偶然。在提供海量數據服務的同時，數據中心自身也在消耗著大量能源。據記者了解，當前電費已經占到數據中心總運營成本的一半左右。“耗能過高，一直都是數據中心運營中的痛點。”

當前，5G、云計算等新興技術的大規模推廣應用，用戶需求正呈幾何級爆發之勢，我國數據中心的數量隨之急速攀升，相應的用電量也在急劇增加，已對電力供應提出新的挑戰。

隨著我國“碳達峰”“碳中和”宏偉目標的提出，數據中心的能耗問題逐漸成為各方關注的焦點。

與傳統能耗單元不同，數據中心24小時“連軸轉”，晝夜不停的運行方式勢必會增加能耗。數據中心的核心功能在于實現信息集中存儲、傳輸、交換。它的基本單位是服務器，若干服務器又組成一個機架。需求不同，數據中心的機架數量各異。

近年來，我國數據中心在機架規模、市場規模、用電規模等方面均保持高速增長。在機架規模方面，截至2020年底，我國在用數據中心機架總規模達到400萬架，大型及超大型數據中心占比75%以上。在用電規模方面，過去10年間，我國數據中心整體用電量年均增速超過10%。2020年，我國數據中心的用電量約1500億千瓦時，占全社會用電量的2.7%。

去年7月，中國工業和信息化部發布的《新型數據中心發展三年行動計劃（2021—2023年）》提出，到2023年底，全國數據中心機架規模年均增速保持在20%左右。

規模激增的背后是能耗的持續攀升。值得注意的是，由于技術原因，數據中心的實際能耗往往高于統計數據。“按照用途，數據中心分為企業自建自用、以營利為目的兩大類。由于各種原因，自建部分很難全部統計進去，這意味著實際用電量比公開數據還要高。”中國電子節能技術協會數據中心節能技術委員會秘書長呂天文稱。

與水泥、冶金等傳統高耗能行業逐步進入平穩發展期、能耗難以再現飛躍形成鮮明對比的是，數據中心作為新興產業，其用電量隨著業務擴容而加速增長的趨勢非常明顯。“相比其他行業，無論單位產能用電量，還是單位建筑面積耗電量，數據中心均已位居前列。按照8～10年運行周期計算，能源成本已占到數據中心總成本的一半左右，電費甚至比機房本身還貴。它們就像一個個不冒煙的鋼廠，創造經濟價值的同時也帶來高能耗。”中國工程建設標準化協會信息通信專業委員會副主任委員曲海峰稱。

海量電耗從何而來？據呂天文介紹，數據中心既包括服務器等核心設備，即能源消耗的主體，也有不間斷電源、照明、冷卻等輔助設備。

“就像電腦需要散熱一樣，數據中心對環境要求極高，往往依賴空調、冷水機等設備來降溫，冷卻部分的用能占到輔助設施用能的60%以上。這也是張北、貴州等非用戶中心區域備受各大數據中心青睞的原因，因為這些地區平均溫度相對較低，冷卻的用能成本也會相應降低。”呂天文說。

中國電子技術標準化研究院發布的《綠色數據中心白皮書2020》指出，近年來，我國數據中心能效水平不斷提高，超大型數據中心平均電能利用率（PUE）為1.46，部分優秀綠色數據中心已全球領先，PUE可達1.2～1.3。但目前我國數據中心能耗總量仍在高速增長，明顯高于世界平均水平。

2021年11月，國家發展改革委等部門印發《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求 推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》（以下簡稱《方案》）。《方案》指出，到2025年，數據中心和5G基本形成綠色集約的一體化運行格局。全國新建大型、超大型數據中心平均電能利用效率降到1.3以下，國家樞紐節點進一步降到1.25以下，綠色低碳等級達到4A級以上。

阿里云張北數據中心。圖片|阿里云

把低碳綠色從愿景變成現實，大型、超大型數據中心都有哪些硬招實招？

盛夏時節，在北京西北200多公里處的張北縣草原天路附近，阿里云張北數據中心正經歷著一年最熱的節氣——大暑。但即便在三伏天，空調在這里的使用率也并不高。據查，張北坐擁得天獨厚的氣候優勢，年均氣溫只有2.6℃，年內最低氣溫更是曾創下零下40℃的紀錄。

與其說張北數據中心空調利用率極低，倒不如說這里更多用的是“天然空調”。在園區的氣冷機房，運轉著的不是空調，而是一種類似于新風系統的設備——AHU風墻。

AHU是Air Handler Unit （風機矩陣空氣處理單元）的縮寫。當室外溫度低于設置值（如25℃）時，AHU設備將室外冷空氣經過濾及濕度處理后直接送入數據機房;當室外溫度高于設置值時，或通過噴淋降溫及過濾后送入數據機房，或啟動備用制冷空調為機房服務器降溫。

“AHU風墻技術的使用可以大大減少空調機組的運行而節能。”阿里云基礎設施數據中心總經理高山淵告訴記者，在張北數據中心，幾乎每年都有300多天可以利用室外冷空氣為數據機房降溫。

高山淵說，經測算，張北數據中心的電源使用效率（即PUE值，數值越接近1表明效能越高）在冬天PUE最低可達1.09，在夏天也只有1.3左右。

在節能降耗的，除了充分利用自然風冷，阿里云還自研出一套“將服務器泡在水里”的黑科技。

在張北數據中心的液冷機房，可以看到一排排價值不菲的服務器被浸泡在液體中，湊近看去，還能看到有些部件在水中閃著光，活像科幻大片里的橋段。

這就是浸沒式液冷技術。浸沒式液冷依賴于一種特殊的絕緣冷卻液，冷卻液與服務器各元器件零距離全方位接觸，器件在運行中產生的熱量將直接被吸收進入外循環冷卻。這種冷卻方式不需要開啟空調，全程用于散熱的能耗幾乎為零，整個機房也非常安靜。

“浸沒式液冷的節能效果超過70%，實現了數據中心100%無機械制冷。”高山淵說，“如果將浸沒式液冷向全國推廣，那么全國數據中心的PUE都會降低到1.1以下。”

高山淵說，隨著未來對能耗密集型服務器（如AI服務器）的需求加劇，浸沒式液冷或許是唯一解。

液冷的好處不僅體現在散熱方面，還在于它能夠提升設備的穩定性，降低設備事故率。高山淵告訴記者，液冷機房運行3年來，與同等規模的其他機房相比，事故率降低了54%。

但是，浸沒式液冷也不是全無死角的“六邊形戰士”。一方面，液冷雖然從全生命周期來看成本還可以接受，但它的一次性投入成本很高;另一方面，絕緣冷卻液跟各類元器件的“磨合”還需要時間給以證明。比如，目前還未校驗它與GPU等計算單元的兼容性如何。此外，囿于生產工藝和技術，目前絕緣冷卻液距離實現國產化還有一段路程。

高山淵說，加上模塊化設計、AI調溫等技術，張北數據中心的全年PUE低于1.2，最低可以達到1.09——這是一個領先行業的數字，這一能效約等于每年可節約標煤8萬噸，相當于種植了400萬棵樹木。

用大自然的冷風吹、用絕緣冷卻液浸泡，把數據中心的PUE值降低到接近于1，提高了數據中心的能效。

不過，數據中心仍是耗電大戶。好在張北有“綠電”。早在七八年前，張北就是“廣袤的原野上風車林立，數千畝光伏電板如波蕩漾”，經過這些年的發展，風車和光伏電板已經成為張家口市的重要電力來源。

使用“綠電”，成為張北數據中心的應然之選。高山淵透露，張北數據中心無疑是張北綠電的消納大戶。2018年起，阿里就加入張家口“四方協作機制”風電交易，截至2021年5月，共交易綠電約4.5億千瓦時，累計減排二氧化碳近40萬噸。

浸沒式液冷依賴于一種特殊的絕緣冷卻液，冷卻液與服務器各元器件零距離全方位接觸，器件在運行中產生的熱量將直接被吸收進入外循環冷卻。這種冷卻方式不需要開啟空調，全程用于散熱的能耗幾乎為零。

從自身節能減排做起，還只是阿里云數據中心邁向“零碳云”的一環。2021年5月，阿里云發布“零碳云”計劃，希望在推動自身節能減排的同時，向生態企業輸出數字減碳能力、支持綠色技術創新。他們希望向電力能源、鋼鐵、交通、制造等碳排放大戶提供高效云平臺支持，為其引入大數據、AI技術，幫助上云企業提高效率、節能降耗。

比如，通過向攀鋼集團引入阿里云工業大腦，對其煉鋼全流程進行工藝優化，幫助攀鋼旗下的西昌鋼釩公司煉鋼廠節省了25%的人工、每生產一噸鋼節省1.28公斤鐵，生產效益提升2.4倍。在西南某大型垃圾焚燒發電機組上，阿里云利用優化的AI算法幫助客戶將固廢垃圾焚燒效率提升2.6%，相當于燃燒同樣的垃圾每年可多發電4000多萬千瓦時，碳排放相比之前降低約48%。

曲海峰坦言，通過一定的節能手段、改變粗放管理方式，可帶來10%～20%的能效提升。但因數據中心全天候不間斷運行，改造核心設備，好比給一輛行駛中的車更換發動機，很難讓數據中心先停下來再改造，確保業務連續不間斷是一個現實問題。而且完成節能改造并不意味著一勞永逸，為確保達標，需建立在線監控系統，配合平臺、工具及相應的執法手段。“數據中心作為基礎設施，關聯諸多信息產業，涉及面廣，不完全等同于傳統‘兩高’產業，不能照搬管理工業項目的方式，但大多數企業缺乏專業管理能力，這對執法者來說也是一道難題。目前來看，地方政府節能降耗意愿明確，但仍缺少行之有效的手段策略。”

◎ 來源|綜合中國能源報、中國科學報