我国绿色数据中心发展现状研究

2020-12-23 07:02谭力

中国计算机报 2020年45期

谭力

数据中心产业发展现状

全球数据中心产业发展现状

根据中国信通院发布的《数据中心白皮书（2018年）》，2018年，全球数据中心市场规模达到6253.1亿元。从机柜数量的维度看，2015年以来，全球数据中心机柜数量持续增加，由2015年的479.7万个增长至2017年的493.3万个。预计2020年全球数据中心规模将达到498.5万个，实现总体持续增长。

全球数据中心产业发展特点

一是全球数据中心已向产业4.0时代迈进。全球5G开始规模部署后，5G应用诞生边缘计算需求，产业分工进一步明确，此阶段，规模化、模块化的超大型数据中心与小型化边缘数据中心将同时部署。二是全球领先的传统数据中心企业普遍将资源重点布局在经济发达、用户聚集、信息化应用水平较高的中心城市。三是全球数据中心市场化程度较高，行业由第三方主导，运营商逐步退出市场。2018年，美国Equinix公司占据全球托管市场近13%的份额，排名第一。其次为Digital Realty占全球份额约9%。

我国数据中心产业发展现状

我国数据中心市场发展迅猛。根据《数据中心白皮书（2018年）》，2018年，国内数据中心市场规模达到1228亿元，2016—2018年间复合增速为31.76%，增长潜力十足。

我国数据中心机柜数量也有明显提升。2018年，国内机柜数已达到210万个，与2017年底166万个相比增长超过26%，其中大型和超大型数据中心增速超过40%，中小型增速基本维持不变。2017年增速比较高，达到37%左右，随着经济形势回暖，及大型和超大型数据中心快速上线，预计2020年国内机柜数增速在30%左右。中国数据中心市场规模增速显著高于全球行业市场增速，主要原因是中国互联网行业发展迅速，政策支持、技术升级及商业模式的创新进一步推动行业发展，数据流量迎来爆发式增长，促使第三方数据中心企业快速建设和发展;其次，我国云计算和数据中心行业发展较美国处于早期，行业供需缺口仍较大。整体来看，我国数据中心市场成长空间较大。

我国数据中心产业发展特点

我国数据中心市场布局整体呈现“一线城市需求旺盛供给不足，中西部地区供大于需”的特点。由于运营商在机柜数的占比超过60%，且运营商的数据中心建设以地方政府合作共建为主，在全国范围内分布较广。部分地方政府基于政绩考虑，乐于建设数据中心，如云南、贵州、内蒙古等，运营商在这些地方建量大，而当地对信息技术服务的需求没有那么大，导致部分地区供过于求。预计未来几年一线城市仍将供不应求，一线互联网公司和云计算公司对数据中心的需求维持相对高位增长。

大型和超大型规模的数据中心是增长的主流。目前，我国数据中心机架依然以中小型数据中心机架为主，占比达50%左右，大型数据中心机架占比33%，超大型数据中心机架占比17%。未来，数据中心和机架数量将保持增长，由互联网企业领头建设的大型规模以上数据中心将维持增长主力的地位。

我国数据中心市场以运营商为主导，第三方数据中心企业及云厂商拥有良好发展空间。近十年来，随着国家逐步放开第三方数据中心运营资格，涌现出了一批以光环新网、世纪互联等企业为代表的第三方数据中心服务商，以及阿里、腾讯为主的云厂商。第三方数据中心厂商通常与运营商拥有较好的合作关系，在宽带资源方面有一定优势，有的则和运营商通过共同运营机房的方式合作共赢。随着时间的积累和需求的不断扩大，第三方IDC厂商在运营经验、客户资源等诸多方面逐渐积累起一定优势，在数据中心被上升至新基建后，第三方数据中心厂商及云厂商的市场份额将继续扩大，并将带动产业链整合加速。

数据中心未来的发展趋势

绿色化

随着数据中心的大量建设，数据中心的能耗问题逐渐暴露出来，绿色化已成为全行业的大势所趋。根据IDC圈的统计，从2011年到2016年，数据中心耗电量以每年10%速度快速增长，2017年，国内数据中心总耗电量达到1300亿千瓦时，超过了当年三峡大坝976亿千万时的全年发电量。到2018年，全国数据中心总耗电量为1500亿千瓦时，达到社会总用电量的2%。预计到2025年，占比将翻番至4%。

在巨大的能耗压力下，海内外积极推进数据中心绿色发展和能效提升。美国自2010年起，陆续推出FDCCI、FITAR、DOCI等數据中心整合与技能改造计划，减少能源费用支出，合理安排能源使用。欧盟自2012年起，开始提出数据中心行为规范，出台节能时间方案和计划，持续的推动数据中心节能降耗。近几年，我国在国家层面和地方陆续出台绿色数据中心相关政策，分别从PUE等硬性指标和节能环保方面提出要求。自2010年起，利用云计算和绿色节能技术对数据中心进行改造、提高数据中心能耗及能效水平成为国家相关产业政策的核心内容，并提出了2020年新建大型、超大型数据中心的PUE值达到1.3以下的目标。另外，各地也积极出台数据中心节能减排鼓励政策，促进数据中心绿色化发展。

智能化

随着行业的不断发展，产业界的关注点逐步由建设转向运营管理，智能化将成为数据中心运维管理的必然趋势，数据中心经营效率将得到提高。在管理平台层面，数据中心基础设施监控管理等数据中心智能化管理平台正在加速部署应用。随着数据量的高速增长，新建数据中心大多以大规模、超大规模为主，大量的设备和复杂的系统为高效管理带来了挑战。智能化的数据中心基础设施管理通过对IT设备和数据中心基础设施的在线监控、管理，节省大量维护时间和费用，让企业更加专注于上层业务。此外，在人工智能、云计算的快速发展下，如DMaaS等管理平台将基础设施管理与IT设备管理集成，运用大数据分析和机器学习等算法可实现有效预测和防止数据中心基础设施发生的事件和故障，缓解数据中心效率低下和容量不足问题，提高了数据中心运营效率。在能耗方面，智能能耗管理系统通过采集数据中心各设备的用电参数，精确分析数据中心的PUE、能耗分布和构成，实现主动式分析与预警、精细化监测与管理、合理化规划与决策，为管理者能耗优化提供有力依据。

模块化

模块是指以若干IT机柜、电源单元和空调皆为单元等功用机柜为基本单位，包括网络、布线、监控和消防等功用在内的独立的运转单元。该模块内全部组件可在工厂预制，可灵活拆开、转移，现场快速拼接后投入使用。微模块可作为一个独立的小数据中心快速部署，完成与机房环境部分化解耦。

传统的机房在面向云计算的新需求的背景下存在工程进度缓慢、IT设备散热困难等问题，相比于传统数据中心，模块数据中心的优势主要体现在以下几个方面：交付时间大大缩减，产品质量大大提升。模块数据中心把一项因人而异的现场施工工程变成变标准化的产品，使得时间和质量都有所提升;可按需定制;更具经济性。模块数据中心的建设成本相比于传统数据中心更低;比传统机房更具有能耗优势;易于管理和维护。根据不同的设备功能和功率密度需求来分模块建设，灵活利用机房空间，并可高效管理机房空间。

边缘化

数据中心正朝着数量多、就近服务的边缘数据中心的方向发展。大量边缘数据中心将加速涌现，以保障边缘侧的实时性业务。边缘数据中心广泛应用于需要将数据处理靠近数据源的应用场景，主要负责实时性业务，短周期数据存储。

据IDC预测，到2020年，全球将有超过500亿的终端和设备联网，其中超过50%的数据需要在网络边缘侧进行存储、处理和分析。2023年，将有42.4%的企业采用边缘+核心的组合架构建立和运行数据库，设备架构向“云—边—端”三级架构演进迭代。由于数据的产生更多来自端侧和边缘，边缘数据中心将会成为理想的承载基础设施去处理更多对时延要求更高的业务。据预测，未来，边缘市场规模将超万亿元，有望成为与云计算平分秋色的新兴市场，广阔市场空间将带给整个数据中心产业界带来无限的想象空间和崭新的发展机遇，边缘数据中心发展正走向快车道。

规模化

伴随着大型化、集约化的发展，全球数据中心数量开始缩减，但超大规模数据中心数量逐年增加，增长率持续升高。据统计，截至2017年底全球数据中心共计44.4万个，超大规模数据中心数量共有390个;预计2020年全球数据中心将减少至42.2万个，但超大规模数据中心将升至600个。据中国信息通信研究院研究结果，2020年超大规模数据中心将占到全部数据中心服务器数量的47%，数据运算能力的68%，数据存储量的57%和数据传输量的53%。在我国，2019年数据中心数量大约为7.4万个，其中大型及超大型数据中心数量占比达到12.7%;规划在建数据中心320个，超大型、大型数据中心数量占比达到36.1%。

绿色数据中心

绿色数据中心的概念

随着企业信息化的深入和新技术的广泛应用，传统数据中心已经无法满足高效、灵活、易维护的需求，而具备灵活、动态、快速服务能力等特点的新一代绿色数据中心则是数据中心变革的未来。本文中的“绿色数据中心”是指数据机房中的IT系统、制冷、照明和电源等基础设施能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响的数据中心。可以从建筑节能、运营管理、能源效率等方面来衡量一个数据中心是否为“绿色”，具体体现在整体的设计规划以及机房空调、服务器等IT设备、管理软件应用上，要具备节能环保、高可靠可用性和合理性。新一代绿色数据中心倡导的“节能、高效、低总体拥有成本和简化管理”理念，已经成为众多数据中心建设时的参考标准。

数据中心能耗构成

数据中心的能耗受诸多因素的共同影响。充足的用电供应、低廉的电价、充沛的水源、寒冷的环境等都是影响数据中心能效的关键。水资源可为数据中心提供丰富的冷却水资源、数据中心的运行和空调冷却等需要电力资源的持续供应。正确的选址可为企业控制数据中心运营成本、保证数据及应用的安全有重要意义。

数据中心的能耗部分主要包括IT设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其他设施（安防设备、灭火、放水、传感器等）。从各环节的能耗占比来看，电费占运维总成本60%～70%，IT设备和制冷系统分别占其中的40%，供配电系统占总能耗的10%。IT设备主要指服务器、网络等负责进行信息交换、存储的设备，其功能与性能正相关，难以下降。因此，降低配供电系统以及制冷设备的能耗成为了数据中心节能、提升效率的关键，是节能主要突破点。据估算，2019年—2023年，数据中心总用电量将增长66%，年均增长率达10.64%，预计2023年中国数据中心总用电量为2667.92亿千瓦时。

绿色数据中心核心技术

（一）IT设备节能。

IT设备占数据中心总能耗的50%左右。考虑能耗的级联效应，IT设备的降耗也会引起前端配电和空调耗电量的减少，因此，IT设备节能对数据中心的整体节能降耗具有重大意义。

整机柜服务器最初是为了应对庞大的服务器数量增长和繁重的服务器上架安装而衍生的一种一体化交付模式。如今，它已经逐渐发展为集中散热、集中供电、集中管理的服务器产品，成为一类全新的优化结构的数据中心模块，这都应归功于整机柜服务器技术的创新和突破。整机柜服务器技术以机柜为单位采用模块化设计，集中电源进行供电，集中风扇墙进行集中散热，集中管理模块进行智能管理。模块化设计更有利于大规模数据中心交付和运维，所有服务器节点、电源、风扇和管理模块等都可以单独进行维护，无需停机，适用于新建数据中心，整体系统能效可提高10%～20%。我国的整机柜服务器也崛起成为自主設计、自主制造、自主生产的定制化服务器代表。作为我国BAT首次联手展开自主研发和设计的服务器，天蝎整机柜服务器不仅开创了前所未有的创新模式，而且意味着我国服务器真正实现了从“中国制造”向“中国设计”转变。

长效大容量光盘库存储技术由光盘库存储设备、光盘库管理服务器和软件配合实现。该技术充分利用蓝光光盘可靠长效存储的特点构造高密度光盘库库体，能够在单体内容纳和存取万张光盘，并通过机电一体化调度技术对光盘进行科学智能化管理，实现海量信息数据的长期安全存储、快速调阅查询和专业归档管理以及智能化离线管理，具有防黑客、抗电磁干扰、节能环保、无辐射等功能。适用于数据中心的新建和改造，存储设备可节电约80%。

（二）制冷与冷却技术。

对于数据中心有重要影响的是制冷系统。数据中心空调冷却系统的种类有多种，应根据不同的需求选择最合适的空调冷却形式。目前，大部分数据中心广泛采用的冷却系统主要是风冷空调系统和水冷空调系统。

风冷空调室外机潜热过渡冷却节能技术通过在风冷空调（或热管）的室外冷凝器进风口增加一个湿膜过滤装置，空气经过湿膜时，湿膜中的水蒸发产生相变，吸收空气中的潜热，从而降低冷凝器的进风温度。适用于数据中心的新建和改造，一般要求室外干球温度大于等于10℃，且干湿球温差大于等于2℃以上。室外机冷凝器的冷凝温度每降低1℃相应主机电流会降低2%，产冷量提高1%，综合计算可节能3%。氟化冷却液可广泛实现物质兼容，具有良好的介电常数和强度，可实现电性能绝缘性，具有完备的毒性数据、完善的职业接触指导，可用于浸没液冷系统对IT设备进行冷却。适用于数据中心的新建和改造，产品沸点可选范围50℃～174℃，不含nPB、HAP、三氯乙烯、全氯乙烯等受限物质以及26种电子设备常见的有害物质，臭氧消耗潜能值（ODP）为零。

目前，除了传统的冷却技术外，一些新的冷却技术也正逐渐被应用到数据中心行业。例如，间接蒸发制冷系统、带蒸发冷却的干式冷却器或风冷冷水足迹、带制冷剂泵送制冷剂的风冷空调等。这些新的制冷设计能够显著减少能源及水资源的消耗。但与传统的冷却技术相比，新制冷系统需要额外投入50%～100%的成本。由于成本问题，这些技术并没有应用到大部分数据中心。

5G等新技术必将给大型数据中心带来更多的需求。尽可能地使用自然冷却技术，并提高冷却系统的可靠性、可维护性将是大型数据中心制冷技术发展的主要目标。随着IT设备的功耗将持续增长，液冷技术将快速发展并步入大型数据中心，得到应用。由于数据中心的基础设施需要使用10年以上，所以数据中心的设计者需要从现在起就关注液冷技术的发展。

（三）供配电节能

数据中心供配电系统提供满足IT设备使用的电压和电流，并保证供电的安全性、可靠性和连续性。供配电系统通常由高压配电系统、变压器、低压配电系统、UPS系统、蓄电池系统、监控管理系统等组成，一个数据中心的供配电系统通常包括上百台，甚至上千台设备。

传统的通信机房以及IT设备机房大多采用模块化不间断电源（UPS）技术进行供电。UPS的各个功能单元采用模块化设计，整机具有数字化、智能化等特点，可实现网络化管理;所有功能单元，如功率单元、监控单元、旁路单元均支持在线更换，最大限度保障业务的连续性和可用度。UPS利用高压直流电源技术对IT（计算机、磁盘阵列）和IP（交换机、路由器）设备进行供电，改变了传统的供电模式，高压直流供电技术作为下一代IT机房及通信机房的主流供配电技术，适用于数据中心的新建和改造，整机系统效率可达95%以上。

UPS技术在国外多家著名电源厂商的应用中取得成功，我国紧跟技术前沿，最早在中国电信江苏省盐城分公司机房进行试点验证，并取得了良好的效果：用模块化不间断电源替代传统的交流UPS供电，在UPS整个生命周期内平均节能20%～30%，在新建机房中，采用模块化不间断电源系统替代传统的交流UPS平均节省的投资大于40%。因其显著的经济效益，已被国内三大通信运营商、各大互联网服务提供商和IT行业重点关注并规模化应用。

我国已开展的工作

数据中心节能降耗具有重大现实意义，所产生的经济效益、生态效益和社会效益非常明显，国家相关部委纷纷出台系列政策，企业产业行业积极行动，全社会加以引导并大力推行以低能耗、低碳排为引领的绿色数据中心建设与发展，推动数据中心走向绿色之路。

2015年，工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局联合下发了《国家绿色数据中心试点工作方案》。根据《方案》的要求，确定了84个国家绿色数据中心试点单位。2017年，工业和信息化部根据为期一年的持续监测，对试点单位在先进适用技术推广使用、运维管理体系建设、能效提升、水资源利用、有害物质控制、废弃电器电子产品处理、可再生能源和清洁能源应用等方面工作开展情况进行评价，最终遴选出49家国家绿色数据中心。随后工信部开展系列宣贯和培训，促进了国内绿色数据中心的技术交流与合作，有助于各方力量积极参与绿色数据中心试点项目，发挥各自优势，建立绿色数据中心的合作机制和服务体系。2019年，北京市经济和信息化局会同市发展改革委、市城市管理委开展了北京市绿色数据中心（第一批）征集评选工作。评选出9家绿色数据中心。国家和地方绿色数据中心评选工作获得了良好的示范效应。

工业和信息化部共发布了三批绿色数据中心先进适用技术产品目录。《目录》是在工信部的工作部署和具体指导下，经企业申报、各地工业和信息化主管部门及行业协会推荐、专家评审、网上公示，遴选产生的。第一批《绿色数据中心先进适用技术产品目录（2016）》共5类17项绿色数据中心先进适用技术入围，其中包括制冷冷却技术6项、供配电技术3项、信息技术4项、模块化技术2项、运维管理技术2项。第一批先进适用技术的发布，为国家节能环保水平的提升提供了技术支撑，为数据中心进行绿色建设提供了参考，为设计单位进行绿色设计提供了应用范例，也为先进技术提供厂家的发展提供了助力，对绿色数据中心发展和建设具有重要意义。第二批《绿色数据中心先进适用技术产品目录（2018）》共计28项技术入选。包括广东欧科空调、英维克、易事特、联想、科华恒盛、百度网讯等多家公司。第三批《绿色数据中心先进适用技术产品目录（2019）》共4个领域50项技术产品入围产品目录，涉及能源、资源利用效率提升，可再生能源利用、分布式供能和微电网建设，废旧设备回收处理、限用物质使用控制，绿色运维管理等。

我国发布的绿色数据中心

评价标准

工业和信息化部发布《绿色数据中心评估准则》，作为我国绿色数据中心评价、遴选绿色数据中心优秀典型等工作的重要参考标准。《绿色数据中心评估准则》规定了绿色数据中心在电能使用效率、节能措施、能源管理制度、水资源利用、资源循环利用、有害物质控制、可再生能源利用和基础设施环境方面应满足的各项要求。一方面，标准在评估细则上涵盖了数据中心的整个生命周期，为数据中心建设项目管理及后期运维管理人员在能源消耗控制和降本增效方面指明方向。另一方面《绿色数据中心评估准则》的发布及实施，有利于数据中心企业进行自检，参照绿色数据中心评估体系持续提升其自身绿色性能，也可判断现有数据中心是否符合绿色评估准则;也可以广泛应用于第三方评估机构的外部评估及咨询机构，让其有章可循，有据可依，能够有理有据的开展诊断评估;当然作为绿色数据中心的设计、建设、运维和改进工作标准也有指导作用。