“雙碳”目標下,“東數西算”節能新路徑

近日,國家發展改革委、中央網信辦、工業和信息化部、國家能源局聯合復函,同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏啟動建設國家算力樞紐節點,并規劃了張家口等10個國家數據中心集群。至此,全國一體化大數據中心體系完成總體規劃布局,“東數西算”工程全面啟動。針對上述國家政策,本文結合中國數據中心發展的現狀,重點論述“雙碳”目標下,“東數西算”節能新路徑。
　　
　　一、當前數據中心現狀分析
　　
　　我國數據中心規模已達500萬標準機架(2.5kW為一個標準機架),算力達到130EFLOPS。伴隨數字經濟持續發展,全社會對算力需求十分迫切,預計每年將以20%以上的速度快速增長。由此可見,算力已成為國民經濟發展的重要基礎設施。加快推動算力建設,將有效激發數據要素創新活力,加速數字產業化和產業數字化進程,催生新技術、新產業、新業態、新模式,支撐數字經濟高質量發展。“十四五”時期,數字經濟發展主要指標見表1。
　　
　　ICTresearch咨詢統計,2020年全國有數據中心8萬個左右,總耗電量為1660億千瓦時;根據中國能源局統計的2020年全社會用電量75110億千瓦時計算,數據中心的總用電量占全社會總用電量的比例為2.2%。
　　
　　根據我國生態環境部環境規劃院統計測算,2021年國內數據中心機架規模達到543.6萬架,同比增長27%;耗電量占到全社會用電量的2.6%,碳排放占到全國的1.14%左右。2025年,國內數據中心機架規模將達到759萬架,較2021年增長40%;能源消耗總量較2021年增加62%,約占全社會用電量4%,碳排放占全國的比重接近2%。
　　
　　“十四五”期間,河北、廣東、江蘇、上海和浙江等省市機架規模、能耗總量和二氧化碳排放量最大,5個地區加和占全國一半左右。由于能耗本身同機架數量深度掛鉤,在供電側不容易調整的前提下,只能通過布局優化等手段，在對存量進行整改的同時，盡量將數據中心布局在氣候適宜、綠色能源充沛等條件好的地區,以降低碳排放,“東數西算”的布局由此而來。
　　
　　二、“東數西算”政策對數據中心的影響
　　
　　數字時代正在召喚一張高效率的“算力網”。“東數西算”是把東部密集的算力需求有序引導到西部,使數據要素跨域流動。打通“數”動脈,織就全國算力一張網,既緩解了東部能源緊張的問題,也為西部開辟一條發展新路。與“東數西算”相關文件的主要政策文件見表2。
　　
　　“東數西算”工程通過構建數據中心、云計算、大數據一體化的新型算力網絡體系,將東部算力需求有序引導到西部,優化數據中心建設布局,促進東西部協同聯動。簡單地說,就是讓西部的算力資源更充分地支撐東部數據的運算,更好為數字化發展賦能。“東數西算”中的“數”,指的是數據,“算”指的是算力,即對數據的處理能力。實施“東數西算”工程，推動數據中心合理布局、綠色集約和互聯互通，具有多方面意義。
　　
　　1.有利于提升國家整體算力水平
　　
　　通過全國一體化的數據中心布局建設,擴大算力設施規模,提高算力使用效率,實現全國算力規模化、集約化發展。
　　
　　2.有利于促進綠色發展
　　
　　加大數據中心在西部布局,將大幅提升綠色能源使用比例,就近消納西部綠色能源,同時通過技術創新、以大換小、低碳發展等措施,持續優化數據中心能源使用效率。
　　
　　3.有利于擴大有效投資
　　
　　數據中心產業鏈條長、投資規模大,帶動效應強。通過算力樞紐和數據中心集群建設,將有力帶動產業上下游投資。
　　
　　4.有利于推動區域協調發展算力設施由東向西布局,
　　
　　帶動相關產業有效轉移,促進東西部數據流通、價值傳遞,延展東部發展空間,推進西部大開發形成新格局。我國數據中心大多分布在東部地區,由于土地、能源等資源日趨緊張,在東部大規模發展數據中心難以為繼。而西部地區資源充裕,特別是可再生能源豐富,具備發展數據中心、承接東部算力需求的潛力。“東數西算”有利于推動數據中心合理布局、優化供需,提升國家整體算力水平,擴大有效投資,推動區域協調發展,具有多方面多層次重要意義。我國算力網絡各類樞紐節點定位及發展思路見表3。
　　
　　本次“東數西算”的全面啟動,疊加數字經濟確定的發展方向,對于整個數通側將是確定性大機會,算力、流量持續高速增長是必然趨勢,配套基礎設施持續建設擴容是剛性需求,未來3～5年具有高確定性。
　　
　　三、數據中心四大節能技術應用
　　
　　近幾年來,作為“新基建”的代表產業,數據中心為5G、人工智能、物聯網、邊緣計算等產業的快速發展提供了重要支撐,已經成為推進數字經濟產業發展的關鍵物理基礎設施。但是隨著數據中心的單位功率密度大幅度提升,整體能耗水平也呈現指數級增長。為了應對能耗增長過快的問題，數據中心的節能技術如雨后春筍般涌現，當前主要的技術分為以下幾類。
　　
　　1.充分利用自然冷源
　　
　　為維持恒定的機房溫度需要不間斷為其降溫,由此帶來數據中心巨額的耗電量。當過渡季節室外溫度低于室內溫度時,自然界存在著豐富的冷源,如何利用大自然的冷源進行冷卻是機房空調節能減排的重點問題。自然冷源冷卻策略主要有以下方法。
　　
　　(1)間接空氣交換
　　
　　外部空氣通過熱交換器進入室內并實現熱交換，熱交換器將數據中心內部的空氣與外部較冷的空氣分開。這種方法可以防止顆粒物進入數據中心機房區域，并有助于控制濕度水平。
　　
　　(2)直接空氣交換
　　
　　外部空氣通過蒸發冷卻器后,再通過過濾器直接進入數據中心的冷通道。當外部溫度過低時,系統將外部空氣與回風的熱空氣混合,以達到設備的冷卻降溫。
　　
　　2.高密度數據中心可以考慮液冷
　　
　　根據統計分析,數據中心液冷技術與傳統風冷技術相比,系統耗電量約節省30%以上,應用液冷技術的數據中心機房整體能效同時得到30%的提升。并且隨著數據中心單機柜功率密度不斷提高,液冷技術能帶來更為直接的散熱優勢。數據中心使用液冷與風冷技術的比較分析見表4,數據中心的制冷模式分析見表5。
　　
　　3.盡量利用可再生清潔能源
　　
　　數據中心的能耗問題已經引起了全球的廣泛關注,對計算機系統可持續能力的設計已不可避免。雖然可再生能源具有間歇不穩定的特點,但建設可再生能源驅動的數據中心除了可以降低的碳排放外,還有許多其他的好處。可再生能源發電是高度模塊化的,可以逐漸增加發電容量以匹配負載的增長。如此,可減小數據中心因電力系統超額配置的損失,因為服務器負載需要很長一段時間才能增長到升級的配置容量。此外,可再生能源發電系統籌建時間要比傳統的發電廠短得多,降低了投資和監管的風險。而且,可再生能源的價格和可用性相對平穩,使IT公司的長遠規劃變得簡單。
　　
　　4.注重數據中心的余熱利用
　　
　　當前數據中心主要回收冷凍水回水對余熱進行二次利用,代替傳統市政供熱設施,為園區的辦公場所提供冬季熱源,從而達到減少煤炭等燃料的燃燒,達到控制二氧化碳排放的目的。
　　
　　數據中心余熱回收的流程并不復雜,但是其核心關鍵點在于:如何在支持數據中心穩定安全運行的前提下,實現余熱的科學回收。
　　
　　在此過程中,需對施工安裝中可能發生的安全風險提前做好應急預案,對可能影響數據中心安全運行的故障點做好隔離,并對如何確保冬季供暖及數據中心運行雙向安全的基本目標提前規劃出備份系統。
　　
　　四、數據中心發展四大建議
　　
　　1.規模以上數據中心設立監管平臺
　　
　　數據中心節能工作是跨學科、多領域的技術創新工程和跨部門、多行業的標準化推進工程,要改變當前耗能大、技術落后和無專門機構管理和參與的局面，就需要在政府及信息產業主管部門支持下，對新產品應用、新技術研究、新標準制定與推廣、產業政策環境等方面加以引導及協調。較為有效的方式是設立數據中心能耗管控平臺，針對已建、新建、改擴建、節能改造的數據中心安裝整體的能耗監測軟件，與國家或省市的數據中心能耗管控平臺對接，可以實時掌握數據中心能耗情況，以便制定相應的政策和監管措施。利用能耗管控平臺，實現對規模以上數據中心每年例行能效評價和監測。
　　
　　2.設置相關的能源管理崗位
　　
　　數據中心能源管理崗位人員是指從事數據中心能源管理工作的專業人員,是數據中心管理人才的重要組成部分。能源管理崗位人員應具有良好的職業素養,具備相應的行業知識,掌握現代企業管理方法，精通企業能源管理工作。數據中心行業能源管理崗位人員培養體系的建立，可有效保障能源的合理使用，提高能源利用水平，降低成本，減少污染排放，為國家節能減排事業發展作貢獻。
　　
　　3.落實國家標準和先進技術標準
　　
　　針對數據中心節能標準缺失的現狀,要盡快啟動制定節能設計、節能運維等標準。提高對數據中心節能減排工作重要性和緊迫性的認識,堅持把節能減排作為“調結構、轉方式”的重要抓手,抓好數據中心節能減排重大科技研發和推廣應用,加強企業節能減排技術改造和重點領域節能減排,強化目標責任加強監督執法,綜合運用市場、法律、標準手段推進節能減排。
　　
　　4.盡快制定數據中心碳中和路徑圖
　　
　　針對數據中心能耗高問題,設定未來10年的數據中心碳中和路線圖。靠“能耗天花板”方式進行監控,對數據中心整體碳排放進行峰值設置,同時考慮不同區域的峰值,最終達到數據中心規模增長而能耗不顯著增長。要合理、合規、有效地對老舊數據中心進行節能改造,對新數據中心進行節能設計,同時要引導存量數據中心的節能運維。通過各方努力,爭取在2025年前數據中心能源使用出現拐點。對增量和存量數據中心的能耗要求要加以區分，按照到達拐點的時間進度設置能耗走勢路線圖，控制市場準入門檻。同時各類標準要及時到位，避免標準滯后的現象發生，加快地方標準和團體標準出臺；各個省市的標準要符合國家的要求，但也要與地方實際情況結合起來。