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如何衡量数据中心是否“绿色”?

编者按:6月13日至19日是第32个全国节能宣传周,今年活动主题是“绿色低碳,节能先行”,为响应国家号召,回应读者热忱,本周将持续发表绿色数据中心、绿色新基建等相关文章,敬请关注。

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数字时代,数据爆炸式增长、数字应用不断深入,高度复杂的计算场景带来了多元化的算力需求。作为算力承载平台,同时也是“双碳”目标落地的关键环节,数据中心正在从高速发展向高质量发展方向演进。在数字化与低碳化的交汇处,数据中心产业正在开启新一轮绿色蝶变。

数据来源:科智咨询、中金公司

数据中心绿色化标准不断升级

如何衡量一个数据中心是否“绿色”,很多人脑海里第一个蹦出来的指标是PUE(电能利用效率)。PUE被作为衡量数据中心绿色节能情况的一项重要指标,在业内得到广泛使用。“PUE”一词最早由美国绿色网格组织(The Green Grid,TGG)于2007年提出,计算公式为数据中心总耗电量与IT设备耗电量的比值。PUE值越低,说明数据中心用于IT设备以外的能耗越低、越节能。

然而伴随产业蓬勃发展,PUE的局限性逐渐显露出来,如无法体现基础设施和IT设备内部各模块节能情况、不同数据中心的PUE标准难统一、缺乏对IT效能和运维能力等要素的评价等。仅凭PUE指标已经无法全面真实地评价数据中心绿色节能情况。

《Uptime全球数据中心报告2021》指出,除了用电效率(PUE),用水效率(WUE)、资源效率(GUE)、环保效率(CUE)等指标也至关重要,将成为“碳中和”目标牵引下衡量数据中心能耗综合管理能力及绿色程度的崭新评价体系。

直击碳排放本质的CUE指标受到了高度关注。它主要测量的是数据中心每天的碳使用量。理想状态的CUE值为0.0,意味着数据中心运营中没有产生任何碳排放。维谛技术(Vertiv)大中华区数据中心解决方案部高级总监吴健分析说:“双碳背景下,国家有关数据中心的各项政策从关注PUE节能逐步转向CUE,CUE是双碳背景下数据中心运营可量化碳排放指标,作为综合性指标不仅要减少数据中心的碳排放,还要减少数据中心的PUE和柴油发动机等其他发电碳排放,增加可再生能源发电,比如光伏、风电等。”

IUE指标计算的是任何资源要素消耗量与设计容量之比,影响因素包括电量供应、电量分配、制冷量和机架U位数量等,越接近100%意味着基础设施使用率越高。专家指出,相比于PUE只提供了一个比值或者说一个衡量标准,IUE要复杂很多。它提供了一套方法论,指导数据中心用户提高数据中心基础设施使用率,从而建设高效数据中心,最终降低TCO(总体拥有成本)。

参考新华三在数据中心减少消耗和排放方面的实践经验,新华三集团数据中心业务总监曹东升表示,可以从IT基础设施、基础架构以及运维管理等三个方面进行总体规划。基础设施方面,应从低能耗规划设计到综合选址、低能耗机柜再到模块化和运维管理等方面平衡降低能耗与成本的关系;基础架构方面,应从应用程序优化、架构优化和产品选择等方面进行全局优化,以平衡降低消耗与效率、可用性和成本之间的关系;运维管理方面,应通过精细的监控平台、合理的资源利用评估、对资源利用率进行定期检测、调整资源配置、关闭不必要的设备等方式,平衡降低能耗和提高效率的问题。

ICT技术多维度创新使能数据中心绿色发展

数据中心本身就是ICT技术的产物,同时它也是支撑ICT技术及应用的重要载体和信息交换处理枢纽,二者紧密结合、相辅相成。一方面,数据中心为ICT技术的落地与生长提供了丰沃的土壤;另一方面,ICT技术的多维度创新与融合,也为数据中心提升运营效率、实现绿色发展注入了核心驱动力。

华为ICT基础设施首席营销官张宏喜表示:“数字化和低碳化相互驱动、相互促进,是推动绿色发展的双引擎。无论是数字化还是低碳化,ICT技术都将是关键的一环。”华为《绿色发展2030》报告指出,在数据中心维度,要通过L1到L3多维创新,实现最优能效,打造绿色数据中心。数据中心物理基础设施(L1)能耗占比约为55%(其中空调约占40%,电源约占10%,照明约占5%),IT硬件(L2)和软件(L3)能耗占比约为45%,需要对数据中心物理基础设施、IT硬件和软件的能效进行提升。

快速迭代的ICT技术在数据中心的转型升级中扮演重要角色。比如,3D存储技术性能的综合表现远高于传统架构,可提升能效5倍;2.5D Chiplet芯片封装集成技术持续提升芯片算力,可提升能效2倍;3D芯片技术在芯片性能的综合表现远高于传统架构,能效可得到数十倍提升;数据为中心的先进计算架构,可显著提高数据交换效率。

在华为云贵安数据中心,通过全液冷、人工智能、预制模块等创新技术,该数据中心成功实现了能源使用效率提升了5%-8%,能效比PUE达到1.12。在100万台服务器满负荷运行的情况下,每年可减少碳排放81万吨。

《腾讯碳中和目标及行动路线报告》显示,腾讯将不晚于2030年实现自身运营及供应链的全面碳中和,同时不晚于2030年实现100%绿色电力。目前来看,腾讯正在从三大方向推进数据中心绿色化路径:第一,持续提升可再生能源利用比例,部署数据中心屋顶光伏,探索新能源微网技术,建设储能电站,搭载智慧能源管理系统;第二,大力推进可再生能源采购,参与绿电市场化交易,2022年度已签订5亿千瓦时绿色电力采购合同;第三,探索集中式电站开发,促进可再生能源上网,提升负载柔性并匹配可再生能源利用技术。

值得一提的是,针对低碳技术,腾讯云第四代数据中心技术T-Block实现PUE不高于1.3,极限PUE降至1.06。以拥有30万台服务器的园区为例,一年可节电约2.5亿度。同时,腾讯还在不断探索数据中心创新制冷与电气技术,探索“三联供”、液冷、余热回收等节能手段。

数据来源:赛迪顾问、前瞻产业研究院

在以ICT技术创新使能数据中心减碳方面,阿里巴巴同样取得了一系列成果。2020年9月,阿里仁和数据中心落地杭州,成为国内首座绿色5A级液冷数据中心,同时也成为了全球规模最大的全浸没式液冷数据中心。相比传统数据中心,其PUE最低可以达到1.09,每年可省电7000万度,足够西湖周边所有路灯连续点亮8年;而阿里巴巴张北数据中心则成为行业首个碳普惠试点项目,获评“2020年国家绿色数据中心”。截至目前,阿里云自建的数据中心皆已达到国家绿色数据中心标准,全年平均PUE小于1.3。

据悉,应用液冷技术的数据中心PUE值能控制在1.1 及以下,阿里巴巴杭州数据中心PUE更是低至1.09。阿里云资深专家郭懿群表示:“液冷为数据中心带来带来极致的PUE。由于去掉空调、服务器风扇等高能耗设备,从整体冷却架构上讲,它成为了一个最简单、最简洁、最极致的解决方案。”

数据中心变“绿”还需“软硬皆施”

针对数据中心,数字化与低碳化的融合必须“软硬皆施”。中企通信数据科学与创新总监詹东东指出:“对于数据中心来讲,它除了在建设的方面要符合技术的硬指标,在运营和管理的时候,也要更多地运用自身的软能力,用软件、智能化的方式去提升它的算效以及资源使用的效率。”

举个例子,在“硬手段”上,中企通信作为数据中心的运营方,在供应商选择时就对数据中心的电能使用效率、供配电系统、空调系统等各个方面的硬性指标进行严苛的筛选,确保符合绿色低碳的要求。而在“软能力”方面,中企通信一方面针对数据中心供给方的能耗管理,结合人工智能技术对数据中心各项动力环境设备的能耗进行持续的监控以及精准的控制;另一方面针对企业用户的算效提升,包括提高云化的效率以及实现更科学的资源利用和管理。

同样,联想一边通过提供高性能计算相关硬件产品,如服务器、计算机等,帮助数据中心用户处理海量数据及复杂计算;另一方面也在加大低碳技术的研发与应用,助力数据中心提升“软实力”,其自主研发的“温水水冷”技术入选了《国家绿色数据中心先进适用技术产品名录》和《构建网络空间命运共同体实践案例集》。通过与国内数据中心合作伙伴的合作,联想已经初步完成在宁夏、甘肃、内蒙古等西部地区的绿色数据中心资源布局。

未来的绿色数据中心究竟长什么样?华为提出,下一代数据中心应具备四大特征:“低碳共生、融合极简、自动驾驶、安全可靠。”华为高级副总裁、华为数据中心能源军团CEO杨友桂介绍称:“低碳共生”旨在通过促进数据中心资源源头绿色化、利用高效化以及全生命周期可回收,实现可持续发展,未来数据中心将从唯PUE论走向包含PUE、CUE、GUE、WUE等多维评价体系;“融合极简”是应对数据中心规模壮大及复杂度提升,以“架构极简、供电极简、温控极简”阐释数据中心自身形态的演进形式;“自动驾驶”则是应对海量数据中心的运维和运营挑战,以“运维自动、能效自优、运营自治”重构数据中心的管理模式;“安全可靠”是前三者达成预期的基石,以“主动安全、架构安全”保障数据中心的高质量、可持续发展。

责任编辑:宋婧


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