信息基礎設施能耗現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢探討

摘要：作為新一代移動通信技術，5G技術不僅具有高速率、低時延和大連接等顯著特征，其推廣應用也代表著我國移動通信技術水平的進一步提升。現(xiàn)階段，國家5G牌照的順利發(fā)放不僅讓超百萬臺服務器的應用頗受關注，同時也進一步增大了數(shù)據(jù)中心總耗電量。為此，文章立足于5G技術發(fā)展現(xiàn)狀，全方位研究當前經(jīng)濟形勢下5G技術以及相關數(shù)據(jù)中心的基建情況，對新基建環(huán)境下城市的用電需求進行量化分析，并在此基礎上提出電網(wǎng)改造升級的建議，為電力能源的合理消費及科學部署建言獻策。

關鍵詞：信息基礎設施；能耗分析；發(fā)展趨勢

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.05.046

中圖分類號：TN 929.5" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）05-0-03

Abstract： As a new generation of mobile communication technology， 5G technology not only has significant characteristics such as high speed， low latency， and Dalian connection， but also represents a further improvement in the level of mobile communication technology in China. At the present stage， the smooth issuance of the national 5G license not only attracts attention to the application of over a million servers， but also further increases the total power consumption of data centers. Therefore， based on the current development situation of 5G technology， the article comprehensively studies the infrastructure of 5G technology and related data centers under the current economic situation， conducts a quantitative analysis of urban electricity demand under the new infrastructure environment， and proposes suggestions for grid transformation and upgrading， providing suggestions for the rational consumption and scientific deployment of electric energy.

Key words： information infrastructure; energy consumption analysis; development trend

國家數(shù)字新基建項目的順利實施，讓我國信息化基礎設施的建設速度不斷加快，同時也為電網(wǎng)的靈活調(diào)度提供了技術支撐。然而，基建設施能耗需求的增加又在一定程度上增大了電網(wǎng)規(guī)劃和運行的負擔。為了順利推進國家“雙碳”戰(zhàn)略目標，相關單位就必須將目光聚焦于信息基礎設施能耗的現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢[1]。

1" 信息基礎設施能耗分析

1.1 5G基站能耗

基站的能耗源自BBU、AAU、電源系統(tǒng)、傳輸設備、冷卻系統(tǒng)等組件。一般情況下，隨著收發(fā)信息鏈路的不斷增加，基站的總能耗也會明顯增多。作為能源密集型用戶，基站設備機房能耗在5G基站總能耗中占據(jù)極大的比例，超過80%，其中，基站主設備的能耗超過50%。而AAU功耗又占基站設備功耗的大頭，比例可達80%，其中的功放模塊、射頻單元、數(shù)字中頻處理單元等都是AAU功耗的重要組成部分，其功率放大器功耗占比可達60%，數(shù)字中頻處理單元功耗占比約為20%。相比AAU而言，BBU功耗占比較小，其功耗主體為數(shù)字處理芯片。

1.2 數(shù)據(jù)中心的能耗

作為新基建中能耗占比最大的設施，數(shù)據(jù)中心的能耗問題不容忽視。而數(shù)據(jù)中心的能耗大多來源于配電機冷卻系統(tǒng)及IT設備，對于IT設備而言，其最關鍵的能耗主體便是服務器，除此之外，網(wǎng)絡通信設備及存儲器也會產(chǎn)生一定的能耗。而冷卻系統(tǒng)設備之所以會產(chǎn)生較大的能耗，主要是因為IT設備服務器運行過程中往往會產(chǎn)生大量熱量，為了給設備散溫降熱，讓IT設備保持適宜運行溫度，包括風扇和空調(diào)等在內(nèi)的冷卻設備需不停運作，由此便產(chǎn)生了較大的能耗。而所謂配電系統(tǒng)，是指包括照明安防系統(tǒng)和電源設備在內(nèi)的各類配套設備，這些設備的正常運轉也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心安全平穩(wěn)運行的關鍵因素。數(shù)據(jù)中心能耗組成如表1所示。

2" 信息基礎設施能耗現(xiàn)狀

隨著科學技術的不斷發(fā)展，信息通信領域對各類先進技術的應用力度日益增強，節(jié)能減排和綠色轉型工作受到行業(yè)關注。在此基礎上，信息基礎設施的能源使用效率明顯提升，綠色節(jié)能工作的效益和價值也已初步顯現(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，在2017年到2020年，我國通信行業(yè)單位信息流量能耗已從54.4 kWh/TB下降至31.7 kWh/TB。而隨著各類節(jié)能技術的廣泛應用和5G網(wǎng)絡規(guī)模化部署，基站能效呈現(xiàn)提升趨勢。從中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室的測試結果來看，在峰值吞吐量的狀態(tài)下，5G基站的能效遠遠超出4G基站，兩者之間數(shù)據(jù)差值可達12倍。除此之外，數(shù)據(jù)中心方面的電能使用效率也呈現(xiàn)直線下降狀態(tài)，截至到目前，我國行業(yè)內(nèi)先進綠色數(shù)據(jù)中心的電能使用效率已降至1.1，位于世界前列[2]。

新時代背景下，5G基站能效呈現(xiàn)大幅提升趨勢，信息流量耗能不斷下降。同時隨著數(shù)字化技術高速發(fā)展，大眾日常生產(chǎn)生活對網(wǎng)絡、資源存儲產(chǎn)生了更大的需求，因此，落實信息基礎設施的節(jié)能降耗迫在眉睫。近年來，我國數(shù)據(jù)中心需求不斷增加，從能耗大戶數(shù)據(jù)中心角度出發(fā)，目前我國數(shù)據(jù)中心機架總規(guī)模已突破500萬架，其總體能耗的增長速度也呈現(xiàn)逐年上升態(tài)勢。在2017年至2020，我國信息通信領域數(shù)據(jù)中心的耗電量逐年增加，2020年耗電量已突破576.71億kWh，其具體變化趨勢如圖1所示，就當前數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量年均增長速度來看，至“十四五”末，數(shù)據(jù)中心年耗電量可達2020年的兩倍，這也在一定程度上對數(shù)據(jù)中心的綠色低碳發(fā)展提出了較大的挑戰(zhàn)。

而作為信息基礎設施能耗的第二大組成部分，通信基站的能耗問題也是行業(yè)關注的重點。據(jù)統(tǒng)計：“十三五”期間，我國通信網(wǎng)絡能耗的增長態(tài)勢極為明顯。至2020年，我國通信基站耗電量已突破465.8億kWh。隨著5G的大規(guī)模商用，5G基站的運行也進一步加速了能耗的增長。具體如圖2所示。

若十四五末期5G基站總數(shù)突破372萬，則其年耗電量將高達815億kWh。隨著5G基站的大量投入運行，2G及3G基站的減頻和節(jié)能減排工作也將不斷深入，再加上5G和4G共站址的協(xié)同建設，其能耗也會有所降低。但就目前形勢來看，預計到2025年，我國通信基站總耗電量可突破1 050億kWh，在全社會用電量中占比1.1%。

3" 信息基礎設施綠色低碳發(fā)展趨勢

隨著云計算等技術的高效應用，數(shù)據(jù)中心資源池化和虛擬化得以實現(xiàn)，相同能耗水平下，服務器的利用率也隨之不斷攀升。除此之外，數(shù)據(jù)中心微模塊技術能讓主設備和配套設施成功實現(xiàn)一體化，這在一定程度上為數(shù)據(jù)中心能效的提升提供了強大的助力。與此同時，包括液冷技術在內(nèi)的新型制冷系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快。而從供配電系統(tǒng)發(fā)展角度來看，以高壓直流供電、一路市電直供一路保障電源等為代表的新型技術也為降低供配電系統(tǒng)電能損耗打下了良好基礎。在光伏新能源系統(tǒng)應用成本不斷降低的今天，數(shù)據(jù)中心綠色能源直接供給容量占比也隨之增大。而從數(shù)據(jù)中心整體角度出發(fā)，在全方位采集分析數(shù)據(jù)中心溫度、電壓、電流、功率及濕度等數(shù)據(jù)信息的基礎上，相關單位可依托大數(shù)據(jù)技術及人工智能技術，進一步優(yōu)化各專業(yè)領域設備的應用效果，監(jiān)控其實時運行動態(tài)，而對系統(tǒng)工作狀態(tài)的綜合用能進行全面監(jiān)測的管理技術也在此過程中發(fā)揮著巨大作用。最后，隨著數(shù)據(jù)中心余熱回收技術的推廣應用，全社會的用能效率也實現(xiàn)了穩(wěn)步提升[3]。

從網(wǎng)絡和主設備角度來看，隨著無線網(wǎng)絡亞幀關斷、淺層休眠、深度休眠等軟件節(jié)能技術的大量應用，主設備不同階段的工作狀態(tài)將得到實時監(jiān)控和嚴格控制，5G網(wǎng)絡的能效也將呈現(xiàn)大幅提升態(tài)勢。為了提高基站總體能效，無線網(wǎng)絡采用C-RAN架構完成建設，在此基礎上，包括空調(diào)裝置和電源等在內(nèi)的配套設施的耗電將進一步減少。5G網(wǎng)絡和基站共建共享模式的推行，也在一定程度上為減排助力。而從配套設施層面來看，熱交換和新風、熱管等自然能源應用方案的推廣落實改善了傳統(tǒng)基站配套設施能耗過大的問題，其能效比傳統(tǒng)基站提升了數(shù)十倍。在一些自身條件允許的地區(qū)，風能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的構建和應用充分展示了可再生能源技術的應用優(yōu)勢，其為減排目標的實現(xiàn)奠定了充實的基礎。為了保證基站供電系統(tǒng)能效持續(xù)提升，升壓供電技術和數(shù)字儲能技術的應用已趨于規(guī)模化。

4" 信息基礎設施綠色低碳發(fā)展路徑

4.1 積極推進能源結構的綠色轉型

首先，需改變傳統(tǒng)的信息基礎設施能源供給模式，讓以煤炭、天然氣、石油等化石能源為主的能源供給轉變?yōu)榉腔茉垂┙o。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心領域能源的綠色供給，可通過選擇自建可再生能源電站或購買綠證等方式達成這一目標。在進行通信基站機房建設時，可加大疊光、疊風型基站的比例，依托可再生能源技術，推動能源結構的綠色化升級。

4.2 穩(wěn)步提高能源使用效率

針對信息基礎設施的主設備供電系統(tǒng)及制冷系統(tǒng)，可加大節(jié)能減排技術的應用，讓節(jié)能減排的目標進一步實現(xiàn)。與此同時，需積極推進“東數(shù)西算”工程，讓數(shù)據(jù)中心布局更加合理。

4.3 有效降低碳排放和環(huán)境影響

在信息基礎設施建設過程中，必須高度關注所產(chǎn)生的廢水、廢氣以及廢渣排放情況，并采取合理措施，嚴格控制有害物質(zhì)的排放，減少信息基礎設施運行對環(huán)境所造成的負面影響。與此同時，還需進一步完善廢棄產(chǎn)品回收利用制度，提高能源資源利用效率。

4.4 加大能源資源的綜合循環(huán)利用

首先需加大能源的綜合應用，在此過程中，需構建綜合能源管控平臺，對全流程相關數(shù)據(jù)進行全面采集，并依托先進的算法和信息技術，落實智能預測監(jiān)控，實現(xiàn)遠程控制，保證決策分析的科學性，讓能源使用效率進一步提升。而在進行資源綜合應用時，需保證信息通信領域和其他領域的協(xié)調(diào)性，在全方位統(tǒng)籌各項資源的基礎上，積極推進數(shù)據(jù)中心余熱回收，讓能源資源綜合利用效果進一步優(yōu)化。

4.5 彰顯信息基礎設施賦能價值

讓信息基礎設施建設和傳統(tǒng)領域高效融合，進而完成融合性基礎設施的構建。除此之外，還需投入更多的資金，在高耗能領域的綠色化轉型過程中實現(xiàn)數(shù)字技術賦能，為可持續(xù)能源網(wǎng)絡和低碳交通網(wǎng)絡的構建保駕護航。

5" 結束語

綜上所述，在“十四五”這一新基建爆發(fā)階段，包括電力能源在內(nèi)的相關領域必須主動響應國家政策號召，在增強自身輸出能力和數(shù)字化能力的基礎上，讓國家5G基站和大數(shù)據(jù)中心等新基礎設施走上現(xiàn)代化發(fā)展道路。在此過程中，不僅要積極推進清潔能源的深度開發(fā)及廣泛應用，同時還需優(yōu)化電網(wǎng)綠色電力供應，實現(xiàn)先進能源電力技術和數(shù)字智能化技術的高效融合，從而助推信息基礎設施的高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻

[1] 2020年中國5G基站建設行業(yè)報告[R]．前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，2020.

[2] 李新．基站設備功耗對5G網(wǎng)絡建設的影響及應對[J]．通信世界，" " " 2019（21）： 38-39.

[3] 韋良才．5G基站功耗的影響因素及應對策略[J]．通信電源技術，" " " 2020，37（5）： 214-215.