耗电大户数据中心

位于河北、内蒙古交界处的张北，一个充满古韵的高原县城，目前中国规模最大的云数据中心阿里巴巴云数据中心便落户于此。

数千公里之外的贵州，群山峻岭之间，分布着苹果、华为、腾讯等多家公司的数据中心。无论身处何地，你手机云端的相片、朋友圈的视频、网盘里的资料，或许都存储于此。

主流数据中心不约而同地栖身偏远地区，这不是偶然。在提供海量数据服务的同时，数据中心自身也在消耗着大量能源。据记者了解，当前电费已经占到数据中心总运营成本的一半左右。“耗能过高，一直都是数据中心运营中的痛点。”

当前，5G、云计算等新兴技术的大规模推广应用，用户需求正呈几何级爆发之势，我国数据中心的数量随之急速攀升，相应的用电量也在急剧增加，已对电力供应提出新的挑战。

随着我国“碳达峰”“碳中和”宏伟目标的提出，数据中心的能耗问题逐渐成为各方关注的焦点。

与传统能耗单元不同，数据中心24小时“连轴转”，昼夜不停的运行方式势必会增加能耗。数据中心的核心功能在于实现信息集中存储、传输、交换。它的基本单位是服务器，若干服务器又组成一个机架。需求不同，数据中心的机架数量各异。

近年来，我国数据中心在机架规模、市场规模、用电规模等方面均保持高速增长。在机架规模方面，截至2020年底，我国在用数据中心机架总规模达到400万架，大型及超大型数据中心占比75%以上。在用电规模方面，过去10年间，我国数据中心整体用电量年均增速超过10%。2020年，我国数据中心的用电量约1500亿千瓦时，占全社会用电量的2.7%。

去年7月，中国工业和信息化部发布的《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》提出，到2023年底，全国数据中心机架规模年均增速保持在20%左右。

规模激增的背后是能耗的持续攀升。值得注意的是，由于技术原因，数据中心的实际能耗往往高于统计数据。“按照用途，数据中心分为企业自建自用、以营利为目的两大类。由于各种原因，自建部分很难全部统计进去，这意味着实际用电量比公开数据还要高。”中国电子节能技术协会数据中心节能技术委员会秘书长吕天文称。

与水泥、冶金等传统高耗能行业逐步进入平稳发展期、能耗难以再现飞跃形成鲜明对比的是，数据中心作为新兴产业，其用电量随着业务扩容而加速增长的趋势非常明显。“相比其他行业，无论单位产能用电量，还是单位建筑面积耗电量，数据中心均已位居前列。按照8～10年运行周期计算，能源成本已占到数据中心总成本的一半左右，电费甚至比机房本身还贵。它们就像一个个不冒烟的钢厂，创造经济价值的同时也带来高能耗。”中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会副主任委员曲海峰称。

海量电耗从何而来？据吕天文介绍，数据中心既包括服务器等核心设备，即能源消耗的主体，也有不间断电源、照明、冷却等辅助设备。

“就像电脑需要散热一样，数据中心对环境要求极高，往往依赖空调、冷水机等设备来降温，冷却部分的用能占到辅助设施用能的60%以上。这也是张北、贵州等非用户中心区域备受各大数据中心青睐的原因，因为这些地区平均温度相对较低，冷却的用能成本也会相应降低。”吕天文说。

中国电子技术标准化研究院发布的《绿色数据中心白皮书2020》指出，近年来，我国数据中心能效水平不断提高，超大型数据中心平均电能利用率（PUE）为1.46，部分优秀绿色数据中心已全球领先，PUE可达1.2～1.3。但目前我国数据中心能耗总量仍在高速增长，明显高于世界平均水平。

2021年11月，国家发展改革委等部门印发《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求 推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》（以下简称《方案》）。《方案》指出，到2025年，数据中心和5G基本形成绿色集约的一体化运行格局。全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下，国家枢纽节点进一步降到1.25以下，绿色低碳等级达到4A级以上。

阿里云張北数据中心。图片|阿里云

把低碳绿色从愿景变成现实，大型、超大型数据中心都有哪些硬招实招？

盛夏时节，在北京西北200多公里处的张北县草原天路附近，阿里云张北数据中心正经历着一年最热的节气——大暑。但即便在三伏天，空调在这里的使用率也并不高。据查，张北坐拥得天独厚的气候优势，年均气温只有2.6℃，年内最低气温更是曾创下零下40℃的纪录。

与其说张北数据中心空调利用率极低，倒不如说这里更多用的是“天然空调”。在园区的气冷机房，运转着的不是空调，而是一种类似于新风系统的设备——AHU风墙。

AHU是Air Handler Unit （风机矩阵空气处理单元）的缩写。当室外温度低于设置值（如25℃）时，AHU设备将室外冷空气经过滤及湿度处理后直接送入数据机房;当室外温度高于设置值时，或通过喷淋降温及过滤后送入数据机房，或启动备用制冷空调为机房服务器降温。

“AHU风墙技术的使用可以大大减少空调机组的运行而节能。”阿里云基础设施数据中心总经理高山渊告诉记者，在张北数据中心，几乎每年都有300多天可以利用室外冷空气为数据机房降温。

高山渊说，经测算，张北数据中心的电源使用效率（即PUE值，数值越接近1表明效能越高）在冬天PUE最低可达1.09，在夏天也只有1.3左右。

在节能降耗的，除了充分利用自然风冷，阿里云还自研出一套“将服务器泡在水里”的黑科技。

在张北数据中心的液冷机房，可以看到一排排价值不菲的服务器被浸泡在液体中，凑近看去，还能看到有些部件在水中闪着光，活像科幻大片里的橋段。

这就是浸没式液冷技术。浸没式液冷依赖于一种特殊的绝缘冷却液，冷却液与服务器各元器件零距离全方位接触，器件在运行中产生的热量将直接被吸收进入外循环冷却。这种冷却方式不需要开启空调，全程用于散热的能耗几乎为零，整个机房也非常安静。

“浸没式液冷的节能效果超过70%，实现了数据中心100%无机械制冷。”高山渊说，“如果将浸没式液冷向全国推广，那么全国数据中心的PUE都会降低到1.1以下。”

高山渊说，随着未来对能耗密集型服务器（如AI服务器）的需求加剧，浸没式液冷或许是唯一解。

液冷的好处不仅体现在散热方面，还在于它能够提升设备的稳定性，降低设备事故率。高山渊告诉记者，液冷机房运行3年来，与同等规模的其他机房相比，事故率降低了54%。

但是，浸没式液冷也不是全无死角的“六边形战士”。一方面，液冷虽然从全生命周期来看成本还可以接受，但它的一次性投入成本很高;另一方面，绝缘冷却液跟各类元器件的“磨合”还需要时间给以证明。比如，目前还未校验它与GPU等计算单元的兼容性如何。此外，囿于生产工艺和技术，目前绝缘冷却液距离实现国产化还有一段路程。

高山渊说，加上模块化设计、AI调温等技术，张北数据中心的全年PUE低于1.2，最低可以达到1.09——这是一个领先行业的数字，这一能效约等于每年可节约标煤8万吨，相当于种植了400万棵树木。

用大自然的冷风吹、用绝缘冷却液浸泡，把数据中心的PUE值降低到接近于1，提高了数据中心的能效。

不过，数据中心仍是耗电大户。好在张北有“绿电”。早在七八年前，张北就是“广袤的原野上风车林立，数千亩光伏电板如波荡漾”，经过这些年的发展，风车和光伏电板已经成为张家口市的重要电力来源。

使用“绿电”，成为张北数据中心的应然之选。高山渊透露，张北数据中心无疑是张北绿电的消纳大户。2018年起，阿里就加入张家口“四方协作机制”风电交易，截至2021年5月，共交易绿电约4.5亿千瓦时，累计减排二氧化碳近40万吨。

浸没式液冷依赖于一种特殊的绝缘冷却液，冷却液与服务器各元器件零距离全方位接触，器件在运行中产生的热量将直接被吸收进入外循环冷却。这种冷却方式不需要开启空调，全程用于散热的能耗几乎为零。

从自身节能减排做起，还只是阿里云数据中心迈向“零碳云”的一环。2021年5月，阿里云发布“零碳云”计划，希望在推动自身节能减排的同时，向生态企业输出数字减碳能力、支持绿色技术创新。他们希望向电力能源、钢铁、交通、制造等碳排放大户提供高效云平台支持，为其引入大数据、AI技术，帮助上云企业提高效率、节能降耗。

比如，通过向攀钢集团引入阿里云工业大脑，对其炼钢全流程进行工艺优化，帮助攀钢旗下的西昌钢钒公司炼钢厂节省了25%的人工、每生产一吨钢节省1.28公斤铁，生产效益提升2.4倍。在西南某大型垃圾焚烧发电机组上，阿里云利用优化的AI算法帮助客户将固废垃圾焚烧效率提升2.6%，相当于燃烧同样的垃圾每年可多发电4000多万千瓦时，碳排放相比之前降低约48%。

曲海峰坦言，通过一定的节能手段、改变粗放管理方式，可带来10%～20%的能效提升。但因数据中心全天候不间断运行，改造核心设备，好比给一辆行驶中的车更换发动机，很难让数据中心先停下来再改造，确保业务连续不间断是一个现实问题。而且完成节能改造并不意味着一劳永逸，为确保达标，需建立在线监控系统，配合平台、工具及相应的执法手段。“数据中心作为基础设施，关联诸多信息产业，涉及面广，不完全等同于传统‘两高’产业，不能照搬管理工业项目的方式，但大多数企业缺乏专业管理能力，这对执法者来说也是一道难题。目前来看，地方政府节能降耗意愿明确，但仍缺少行之有效的手段策略。”

◎ 来源|综合中国能源报、中国科学报