云计算搭上“碳中和”,驶向节能减排快车道

科技云报道 2021-08-30

科技云报道原创。

极端气候事件频发、生态环境恶化、海平面上升……随着二氧化碳排放量不断增加,全球气候变暖带来的负面影响越来越多。

2021年国务院政府工作报告中指出,扎实做好碳达峰、碳中和各项工作,制定2030年前碳排放达峰行动方案,优化产业结构和能源结构。“碳中和”开始逐渐走进人们的视野。

我国碳排放主要集中在生产制造领域,尤其是能源电力、工业制造等高碳排放行业领域内的企业,必须通过更加精细、智能的数字化管理手段,实现“碳中和”。

当下,云计算成为企业数字化转型的关键要素,云计算市场快速发展,数据中心也迎来爆发期。随着节能减排工作的逐渐升入,云计算基础设施也正朝着低能耗方向发展。

云计算飞速发展,数据中心高能耗成痛点

2009年,阿里巴巴在江苏建立首个“电子商务云计算中心”,标志着云计算在中国的首次出场亮相。

2010年,腾讯云、华为云开始部署战略。2012年,百度云也迎头追赶。此后,金山云、UCloud、青云、天翼云、京东云等纷纷开始发力,云计算在中国彻底爆发。

到2020年,国家发改委首次对“新基建”的概念进行正式解读,其中,云计算成为新基础设施的一部分,正式走向产业政策和人力资本投入的中心,将与人工智能、5G、物联网、工业互联网等新兴技术融合发展,从底层技术架构到上层服务模式两方面赋能传统行业智能升级转型。

与此同时,云计算也成为企业数字化转型的关键要素。

相比于传统数据中心,云数据中心为企业带来了更低的成本、更短的上限周期和可伸缩性。离散的企业数据中心到大型中心的计算聚合推动聚合计算资源的更高效率,云数据中心可以更有效的管理电源容量,优化散热,利用最节能的服务器并提高服务器利用率。

当企业系统业务负载激增时,云计算可以调度闲置计算资源,保证网络及应用程序的稳定运行;当企业系统业务负载下降时,云计算可将冗余资源转入节能模式,或缩减企业基础架构,降低成本的同时提高资源利用率,发挥绿色低碳特性。

在新基建助推下,云计算与互联网厂商纷纷加码数据中心建设投入。

其中,云计算数据中心在资源集约化、平台运行效率、资源分配时滞等方面对传统IDC作出进一步优化,可实现效率和成本的边际最优。

近日,国家发改委等四部委发布意见指出,要加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系。

根据智科咨询研究报告数据显示,2019年,中国IDC业务市场规模达到1562.5亿元,同比增长27.2%,市场规模绝对值相比2018年增长超过300亿元。

不过,由于电力成本占比过半,行业耗电量不断攀升,IDC强需求、高能耗矛盾凸显。国内IDC市场规模的扩展,带来了行业耗电量的攀升。

据国网能源研究院预测,到2030年,我国数据中心用电量将突破4000亿千瓦时,占全社会用电量的比重为3.7%。

另据绿色和平和工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心联合发布的《中国数字基建的脱碳之路:数据中心与5G减碳潜力与挑战(2020-2035)》报告预测,2035年,中国数据中心和5G的碳排放总量将达2.3亿-3.1亿吨,约占中国碳排放量的2%-4%。其中,数据中心的碳排放将比2020年最高增长103%。

此外,我国IDC行业PUE偏高也造成了耗电量的增长。

PUE是Power Usage Effectiveness的简写,是评价数据中心能源效率的指标,PUE = 数据中心总能耗/IT设备能耗,其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗,其值大于1,越接近1表明非IT设备耗能越少,即能效水平越好。

2019年,我国数据中心平均PUE为2.2,而当时美国的均值1.9。

随着5G逐步商用,数据中心发展已势不可挡,而“碳中和”理念的逐步深化,也使得绿色节能的建设重要性愈发凸显。

“碳中和”促进数据中心,加速绿色变革

此前,数据中心要做到碳中和,只有节能减排,尽可能降低数据中心能耗,而大部分数据中心减少能耗的措施主要还停留在空调制冷方面,比如微软水下数据中心,以及很多新建的大型数据中心建设在内蒙、贵州等地,希望能利用温度适宜的周边环境,减少数据中心的制冷能耗。

今年5月,工信部等四部门联合印发《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》的通知,其中指出,随着各行业数字化转型升级进度加快,特别是5G等新技术的快速普及应用,全社会数据总量爆发式增长,数据资源存储、计算和应用需求大幅提升,迫切需要推动数据中心合理布局、供需平衡、绿色集约和互联互通,构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系,促进数据要素流通应用,实现数据中心绿色高质量发展。

而此前2020年12月,发改委发布关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见,提出,到2025年,东西部数据中心实现结构性平衡,大型、超大型数据中心运行电能利用效率降到1.3以下。

目前,数据中心在基础设施方面的降耗已有一定成绩。根据相关权威统计,2019年底,全国对外服务型数据中心平均PUE近1.6。云计算基础设施正朝低能耗方向发展。

相比老旧小IDC,超大型IDC具有资源需求集中、部署效能较高、绿色节能等特点,在“碳中和”背景下绿色、超大型IDC成建设主流。

2019年,大型及超大型数据中心PUE分别为1.55、1.46,规划在建的大型及超大型数据中心PUE分别为1.39、1.36。由此可见,大型及超大型数据中心在提升能源效率方面效果显著。

与此同时,各大城市也开始出台新规定,新能耗大户“数据中心”正迎来新变革。

7月27日,北京市发展和改革委员会官网发布《关于印发进一步加强数据中心项目节能审查若干规定的通知》。通知显示,为加强北京市内数据中心项目节能审查,即日起北京市内新建、扩建数据中心若PUE值超1.4,将被征收差别电价电费。

这一规定也意味着不达标的数据中心每年将付出高昂的额外电费。

除北京以外,深圳市工业和信息化局也印发了《深圳市2021年工信领域重点用能单位能耗在线监测系统建设工作方案》,其中提出,到2021年底前,全市工信领域综合能源消费总量5000吨标煤以上(含5000吨)的重点用能单位全部安装电力系统远传监测仪表或建成能源管理中心,实现一级、二级能源计量数据在线采集和传送,并与市级公共服务平台(深圳节能在线)互联互通。

在2025年底前,在确保全市工信领域重点用能单位实现用电数据的在线监测和数据上传的情况下,逐步接入其他能源品种数据。

分析人士普遍认为,北京、深圳的数据中心规范和标准,将促使更多大型、超大型数据中心向中西地区转移。此外PUE值要低于1.4,数据中心的传统风冷散热技术模式已难以满足,特大城市内数据中心则将采用液冷技术。

液冷等绿色化技术涌现

基于“碳中和”所带来的绿色集约化政策引导,技术绿色化趋势明显。其中,从传统风冷技术向液冷技术转化,是在“碳中和”背景下数据中心的主流技术趋势之一。

业内普遍认为,液冷技术是降低数据中心能耗的最可行方案。

中国信息通信研究院云计算与大数据研究所所长何宝宏指出,高密度计算正促使数据中心液冷技术兴起,液冷不仅是制冷方式的改变,还可能变革整个数据中心生态。

据了解,目前,在国外,IBM、谷歌、英特尔等公司已在该领域展开研究,而在国内,以网宿科技、华为、中科曙光等科技公司也投入相关技术研发与市场拓展。

液冷,是指使用液体作为热量传输媒介,为发热部件进行换热,进而带走热量的技术。

液体传导热能效果更好,是空气的25倍,温度传递效果更快。同时,由于液体的比热容大,在吸收大量的热量后自身温度不会产生明显变化,能够稳定CPU温度。

与风冷系统相比,液冷能节省约30%能源,可以有效降低能源消耗比,将PUE降到1.05。

此外,液体比热容相比空气更加不易受到海拔与气压影响,因此液冷数据中心在高海拔地区仍然可以保持较高的散热效率。采用液冷技术之后,IT部件故障率将会大幅降低,减轻了运维难度。

此外,液冷数据中心还能以液体为载体,直接通过热交换接入楼宇采暖系统和供水系统,从而能够满足居民供暖和温水供应等需求。在节约能源的同时,还创造了新的附加值。

经过多年发展,液冷技术相关应用日益成熟。随着5G商用的推进,新的业务场景正带来更多高性能、高密度的计算需求,液冷技术迎来了更广阔的应用前景。

总体而言,数据中心要实现可持续发展,需要以最小的代价实现最高的效果,提高性价比。

通过技术创新,在芯片上、系统上、数据中心上不断优化方案,使算力能够满足业务的需要。与此同时,还要能控制成本,在实现节能减排的同时保证成本不会因此增加,由此才能实现长远发展。

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