数据中心先进节能技术的发展与分析

文｜曹学勤 张玲 王娟

绿色数据中心建设是一项系统工程，随着对数据中心能耗产生机制认识的逐步深入，针对数据中心能耗产生的各个单元，发展出一系列节能技术。本文分析了数据中心能耗产生机理及对节能技术的需求，在此基础上对各领域节能技术发展情况进行了综述，并对绿色数据中心建设成功经验进行了探讨和总结。

一、引言

党的二十大报告提出，要加快构建新发展格局，着力推动高质量发展，加快建设数字中国。作为支撑数字中国建设的关键基础设施，应用先进节能技术建设绿色数据中心已成为必然趋势。随着对数据中心能耗产生机制认识的逐步深入，针对数据中心能耗产生的各个单元，发展出一系列节能技术。

二、数据中心能耗产生机理及对节能技术的需求

在常规风冷型数据中心具体能耗构成上，信息设备约占 60%～80%，冷却系统约占20%～30%，供配电系统占7%～ 10%，其他辅助系统占3%～5%。其能耗具体产生机理是：信息设备运行时所耗电能基本均转换为热量，大量信息设备一起运行时所产生热量如不能得到及时处理，将使信息设备运行环境温度升高直至超出信息设备运行温度要求，导致设备宕机或损坏。为此数据中心需配备冷却系统，冷却系统的运行模式是制冷设备（也称为冷源）制取的冷量，通过水、制冷剂、或者空气等作为冷媒输送进机房内部，然后以冷风的形式释放出来，对信息设备进行冷却，并将带走的热量通过热交换的方式送回冷源，完成一个冷却循环，从而实现控制信息设备运行环境温度的目的。供配电系统一般包括变电设备、UPS 系统、配电回路等，大型数据中心还配有柴油发电机等应急备用电源，核心目的是保证信息设备获得稳定供电，但供配电过程中存在升降压、交直流转换过程，相关过程存在能耗转换。其他辅助系统包括照明、消防、安防、运维管理等，在数据中心运行过程中会消耗一部分电能。降低各单元各环节无效损耗成为技术发展趋势。

三、数据中心先进节能技术发展情况

随着对数据中心能耗产生机制认识的逐步深入，各单元均发展出一系列节能技术。本文重点对高效软件系统、高效信息设备、高效冷源技术、高效冷却/散热技术、智能控制及运维管理技术的发展情况进行探讨分析。

（一）高效软件系统发展情况

在软件系统领域，云计算技术由于可以有效提高信息设备利用效率得到快速发展，由此发展出云原生的概念。在使用云原生技术后，开发者无需考虑底层的技术实现，可以充分发挥云平台的弹性和分布式优势，实现快速部署、按需伸缩、不停机交付等。基于云计算技术，发展出基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)、软件即服务(SaaS)等多种服务方式。

（二）高效信息设备发展情况

在信息设备领域，围绕数据处理具体需求发展专用化设备的趋势得到广泛重视。如在运算设备领域发展出基于GPU异构加速的服务器等技术，在存储领域发展出磁光一体化存储等技术。

基于GPU异构加速的服务器是采用高速互联技术，实现CPU/GPU硬件解耦，按需动态分配。在无人驾驶、语言处理等多并行计算在线加速和离线训练业务场景，相比纯CPU构型服务器功耗降低7%以上。磁光一体化存储依托于数据“冷”、“热”分层的技术理念，将数据按照热度分别存储在磁盘和光盘库上，且数据可随热度的变化在磁盘和光盘库之间智能化迁移。通过混合存储基础架构、存储管理软件和分层存储算法，实现对热数据、冷数据的智能分层存储管理。相较于磁电存储设备，单位容量节能约90%。

（三）高效冷源技术相关发展情况

在制冷设备（冷源）领域，提高制冷设备自身能效以及实现对自然冷源的充分利用成为重要技术发展方向，由此发展出磁悬浮离心冷水机组、自然冷却风冷螺杆冷水机组等一系列技术。

磁悬浮离心冷水机组由磁悬浮压缩机、降膜式蒸发器、冷凝器和节流装置组成。磁悬浮压缩机采用永磁电机和磁悬浮轴承技术，消除轴承由于机械接触产生的摩擦损失而导致的能量损失，具有良好的节能效果。自然冷却风冷螺杆冷水机组搭载了自然冷却功能，利用室外环境的低温空气，对末端的循环水进行预冷，降低回水温度，从而降低压缩机的负荷。与传统水冷机组相比年节电可达36%。

（四）高效冷却/散热技术相关发展情况

在冷却/散热过程领域，近端送风设计以及带有变频功能的高效通风机得到广泛应用，同时具有更高冷却能力的液冷技术得到快速发展。

通风机用于为空气的流动提供动力。通过叶轮流场优化、电机效率提升、智能调整转速技术的应用，使风机能耗降低30%以上。根据工况采用智能电子控制的方式调整转速，有效避免了其他传统电机与调速装置在使用过程中产生的电磁噪声和整流噪声，降低风机噪声3～5分贝。液冷技术是利用液体直接或间接带走热量的冷却方式，并发展出多种技术路线。以喷冷液冷技术为例，低温冷却液送入服务器精准喷淋芯片等发热单元带走热量，喷淋后的高温冷却液返回冷却液分配单元（CDU）与冷却水换热处理为低温冷却液后再次进入服务器喷淋。年均电能利用效率（PUE）值可低于1.1。

（五）数据中心智能控制及运维管理技术相关发展情况

在运维管理方面，围绕各系统的高效运行以及各系统的合理匹配、高效利用发展出一系列智能化运维管理技术。如数据中心基础设施（DCIM）智能管理系统可以对数据中心基础设施及各个子系统模块进行管理配置，实现 365×24 小时的全面集中管理，提供能效管理、容量管理、资产管理、可用性管理等增值业务，结合人工智能及机器人技术，提升数据中心的整体运维管理水平。

图1 喷淋液冷技术效果图

四、结语

数据中心的设计、建设和运维管理需结合数据中心所在地的气候条件以及数据中心承担的具体数据处理业务需求，因地制宜选择合适的技术方案，方可有效提高数据中心能效水平。数据中心的设计、建设和运维管理是一项具有较高技术含量的工作，在此需求以及相关管理政策推动下，绿色数据中心先进节能技术仍在不断发展过程中，相信在未来会涌现出更多更好的节能技术。