你見過真正的嗎？

“棟棟大樓矗立園區(qū)，井然有序地排列著。穿上‘鞋套’，走進(jìn)其中一棟大樓，里面機(jī)器轟鳴，一眼望去，全是一排排的黑色機(jī)柜，機(jī)柜中的設(shè)備不停閃爍。雖是夏日，但大樓里卻有點(diǎn)冷。”這是筆者參觀某公司數(shù)據(jù)中心所見。

無論是打車、網(wǎng)購(gòu)，還是刷新聞、看視頻和點(diǎn)外賣……這些行為的背后都離不開數(shù)據(jù)中心?？梢哉f，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)的基石。

數(shù)據(jù)爆炸與數(shù)據(jù)中心耗電量

隨著、人工智能、、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，數(shù)據(jù)中心迎來新的發(fā)展機(jī)遇。一方面，數(shù)據(jù)中心步入快速發(fā)展階段;另一方面，它卻面臨能耗過高的問題。中國(guó)8.29億網(wǎng)民在2018年產(chǎn)生了7.6ZB的數(shù)據(jù)量，并且數(shù)據(jù)量還將以每年30%的速度增長(zhǎng)。到2025年，中國(guó)智能互聯(lián)設(shè)備將達(dá)到800億，整個(gè)數(shù)據(jù)量將高達(dá)48.6ZB。

數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，背后是數(shù)據(jù)中心驚人的耗電量。從全球來看，到2025年，數(shù)據(jù)中心將占到全球能耗的最大份額，高達(dá)33%;從國(guó)內(nèi)看，全國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)8年超過12%的速度增長(zhǎng)。2017年，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)到1200-1300千瓦時(shí)，這個(gè)數(shù)字超過三峽大壩和葛洲壩電廠發(fā)電量之和。預(yù)計(jì)，到2020年，中國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量為2962億千瓦時(shí)，2025年高達(dá)3842.2億千瓦時(shí)。

并且，隨著5G時(shí)代到來，數(shù)據(jù)中心耗電量將快速增加。居高不下的耗電量、溫室氣體的排放、大量的水資源消耗和設(shè)備報(bào)廢后的環(huán)境污染……數(shù)據(jù)中心數(shù)量與規(guī)模的快速增長(zhǎng)已經(jīng)為資源與環(huán)境帶來巨大挑戰(zhàn)，綠色數(shù)據(jù)中心呼之欲出。

國(guó)家政策的驅(qū)動(dòng)力

2019年2月14日，國(guó)家工信部、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局和國(guó)家能源局三部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》(以下簡(jiǎn)稱《意見》)。

《意見》指出：大力推動(dòng)綠色數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建、運(yùn)維和改造，引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心走高效、清潔、集約、循環(huán)的綠色發(fā)展道路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心持續(xù)健康發(fā)展。

《意見》的主要目標(biāo)是：建立健全綠色數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系和能源資源監(jiān)管體系，打造一批綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)典型，形成一批具有創(chuàng)新性的綠色技術(shù)產(chǎn)品、解決方案，培育一批專業(yè)第三方綠色服務(wù)機(jī)構(gòu)。到2022年，數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率值達(dá)到1.4以下，高能耗老舊設(shè)備基本淘汰，水資源利用效率和清潔能源應(yīng)用比例大幅提升，廢舊電器電子產(chǎn)品得到有效回收利用。

對(duì)新建數(shù)據(jù)中心，《意見》稱“鼓勵(lì)采用液冷、分布式供電、模塊化機(jī)房以及虛擬化、云化IT資源等高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案”，并“引導(dǎo)大型和超大型數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)電能使用效率值不高于1.4”。

對(duì)在用數(shù)據(jù)中心，意見指示“有序推動(dòng)數(shù)據(jù)中心開展節(jié)能與綠色化改造工程”，“力爭(zhēng)通過改造使既有大型、超大型數(shù)據(jù)中心電能使用效率值不高于1.8”。

根據(jù)IDC發(fā)布的《2019中國(guó)企業(yè)綠色計(jì)算與可持續(xù)發(fā)展研究報(bào)告》表明，雖然中國(guó)企業(yè)數(shù)據(jù)中心能源使用效率(PUE)值明顯改善，但依然有85%的受訪企業(yè)數(shù)據(jù)中心的能源使用效率在1.5-2.0之間，未來仍有很大的提升空間。

關(guān)于數(shù)據(jù)中心高能耗問題，施耐德電氣方面表示，“讓數(shù)據(jù)中心變‘綠’不只是政策要求。事實(shí)上，在節(jié)能之外，綠色數(shù)據(jù)中心之‘綠’還涵蓋多個(gè)環(huán)境要素，比如廢舊鉛酸蓄電池若處理不當(dāng)，鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。”

并且三部委《意見》明確指出，水資源利用效率和清潔能源應(yīng)用比例大幅提升，廢舊電器電子產(chǎn)品得到有效回收利用。

核心問題：數(shù)據(jù)中為何如此耗能？

數(shù)據(jù)中心高能耗產(chǎn)生的原因是什么？人們使用電腦或手機(jī)，都有這樣的感受：時(shí)間一長(zhǎng)，它們會(huì)發(fā)燙。道理相同，數(shù)據(jù)中心規(guī)模龐大，里面有大量的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和交換機(jī)以及千億級(jí)別的芯片，發(fā)燙程度非電腦和手機(jī)可以相比。因此，數(shù)據(jù)中心大量的電力被用于冷卻。

可以說，冷卻效率的高低對(duì)數(shù)據(jù)中心高能耗有著決定性影響。

科技巨頭的數(shù)據(jù)中心怎么節(jié)能？

為解決數(shù)據(jù)中心能耗問題，企業(yè)“簡(jiǎn)直是無所不用其極”。

比如將數(shù)據(jù)中心建在北極圈內(nèi)(如Facebook)、數(shù)據(jù)中心沉于海底(如微軟)、數(shù)據(jù)中心“藏”于山洞(如騰訊)等。這種種措施都是為了利用自然冷源給數(shù)據(jù)中心提供更高的能效，減少制冷方面能耗的損失。

1.Facebook北極圈數(shù)據(jù)中心

位于瑞典北部，F(xiàn)acebook有一個(gè)名為Node Pole的數(shù)據(jù)中心，處理著用戶發(fā)到Facebook上的任何自拍和任何一個(gè)“點(diǎn)贊”。

據(jù)悉，Node Pole2013年開始運(yùn)行，藏身于一大片神秘的松林、湖泊和眾群島中間，是Facebook首次在美國(guó)以外的地區(qū)開設(shè)數(shù)據(jù)中心，同時(shí)也是歐洲最大的數(shù)據(jù)中心之一。Node Pole中心長(zhǎng)300米，寬100米，很龐大。

據(jù)悉，Node Pole是目前為止能效最高的計(jì)算機(jī)設(shè)施。相對(duì)于傳統(tǒng)服務(wù)器廠商的產(chǎn)品，這一項(xiàng)目開發(fā)的服務(wù)器硬件性能高38%，而運(yùn)營(yíng)費(fèi)用則低24%。

這里冬天平均氣溫差不多零下20度，外界的冷空氣被泵進(jìn)中心大樓內(nèi)，服務(wù)器產(chǎn)生的大量熱空氣和進(jìn)來的冷空氣循環(huán)交換，形成自然冷卻的過程。

2016年，F(xiàn)acebook在瑞典呂勒奧建立了一個(gè)新的數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)中心占地面積相當(dāng)于6個(gè)足球場(chǎng)，離北極圈只有70英里，這里大多數(shù)時(shí)間氣溫在零下50度左右。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心相比，新數(shù)據(jù)中心效率提高10%，同時(shí)還省下40%的電能。

2.騰訊貴州數(shù)據(jù)中心

騰訊在貴安新區(qū)建了一座數(shù)據(jù)中心，全稱是騰訊貴安七星數(shù)據(jù)中心，坐落于貴州貴安新區(qū)兩座山的山體中。

據(jù)悉，整個(gè)數(shù)據(jù)中心總占地面積約為47萬平方米，隧洞的面積超過3萬平方米，能塞下4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)還有富余，它能存放30萬臺(tái)服務(wù)器。

這座數(shù)據(jù)中心采用了騰訊字?jǐn)?shù)研發(fā)的第四代數(shù)據(jù)中心技術(shù)——T-block。其中，T是騰訊，block就是積木。T-block就是把機(jī)房的建設(shè)模式當(dāng)作積木來看。經(jīng)過工信部實(shí)測(cè)，其極限PUE(能源使用率，越接近1能效水平越好)將達(dá)1.1左右，而國(guó)內(nèi)新建數(shù)據(jù)中心的平均PUE是1.73。

3.微軟海底數(shù)據(jù)中心

2018年6月，微軟在英國(guó)蘇格蘭奧克尼群島附近的北部島嶼數(shù)據(jù)中心海底負(fù)載試運(yùn)行。

據(jù)悉，該項(xiàng)目稱為Natick，被微軟CEO 薩提亞·納德拉比作“登月計(jì)劃”。該數(shù)據(jù)中心為圓柱體模樣，長(zhǎng)40英尺，里面放了12個(gè)機(jī)架，有864臺(tái)服務(wù)器以及相關(guān)冷卻系統(tǒng)設(shè)施。

眾所周知，世界上深海海水一直很冷，它可以為數(shù)據(jù)中心提供隨時(shí)且免費(fèi)的高效冷卻方式。

干貨：數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)探討

在施耐德電氣看來，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)按照顆粒度分配，類似于一座金字塔，最基礎(chǔ)的是設(shè)備層級(jí)的節(jié)能，比如通過選擇模塊化設(shè)備獲得精準(zhǔn)能量控制;另一方面是不斷優(yōu)化設(shè)備效率。

第二個(gè)層級(jí)是系統(tǒng)級(jí)節(jié)能，PUE里則是最大化IT負(fù)荷所在系統(tǒng)的獲得和最小化非IT層面的獲得，這方面技術(shù)非常豐富，比如最近流行的間接新風(fēng)冷卻系統(tǒng)、AI型智能管理系統(tǒng)，這需要多個(gè)設(shè)備相互協(xié)同。

第三個(gè)層級(jí)是戰(zhàn)略層級(jí)。這需要企業(yè)制定自己的能源戰(zhàn)略，對(duì)不同PUE分配單元進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)和制定獎(jiǎng)懲制度。比如，企業(yè)應(yīng)設(shè)立自己的首席能效官。

施耐德方面表示，“也可以從能源的生命周期來分配，即能源的產(chǎn)生、分配、再利用。比如蘋果在國(guó)內(nèi)建設(shè)的光伏型數(shù)據(jù)中心，從設(shè)計(jì)初就需要全盤考慮，做到精準(zhǔn)分配需求。國(guó)內(nèi)很多數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)往往一步到位，容量多數(shù)過度設(shè)計(jì)，需要加強(qiáng)分期或分模塊設(shè)計(jì)能力。”

風(fēng)冷和液冷的區(qū)別

當(dāng)今，數(shù)據(jù)中心仍然以風(fēng)冷為主，但是當(dāng)機(jī)柜功率密度超過20千瓦時(shí)，傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)將面臨風(fēng)量、功耗、噪音等方面的挑戰(zhàn)，因此液冷是一種不錯(cuò)的技術(shù)選擇。

施耐德電氣方面稱，“傳統(tǒng)風(fēng)冷方式很難實(shí)現(xiàn)政府管理部門對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE值的要求，這也將成為推動(dòng)液冷興起的重要驅(qū)動(dòng)因素。”

液冷技術(shù)的價(jià)值在于，一是強(qiáng)冷卻力。液冷的冷卻能力是空氣的1000-3000倍，可實(shí)現(xiàn)超高密度制冷。二是低PUE值，全地域/全年自然冷卻，PUE值可低至1.01-1.02。三是精確制冷，部件級(jí)制冷，溫度恒定，保證元器件高性能，穩(wěn)定工作。四是低噪音。無壓縮機(jī)、無風(fēng)扇，噪音低于50dB。

目前，市場(chǎng)上主要有兩種液冷解決方案：一是芯片級(jí)液冷(又稱冷板式液冷)，二是浸沒式液冷。

這兩種液冷方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：冷板式可以對(duì)絕大多數(shù)傳統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行翻新，缺點(diǎn)是其他部件仍然需要傳統(tǒng)房間空調(diào)進(jìn)行冷卻。浸沒式的優(yōu)點(diǎn)是消除了對(duì)傳統(tǒng)服務(wù)器風(fēng)扇的需求，但需要對(duì)服務(wù)器主板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

根據(jù)筆者獲得的一份資料，傳統(tǒng)風(fēng)冷PUE值在1.4以上，冷板式液冷小于1.2，浸沒相變式液冷小于1.05。

據(jù)悉，施耐德電氣從數(shù)據(jù)中心、樓宇角度進(jìn)行了投資成本和運(yùn)行成本的分析，發(fā)現(xiàn)：浸沒式液冷相對(duì)于冷板式液冷在TCO方面是占優(yōu)的。如果單從制冷系統(tǒng)的節(jié)能角度來看，冷板式液冷可以節(jié)省15%以上，浸沒式能節(jié)省57%以上。如果從整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的角度來看，冷板式可以節(jié)省5%年度能耗，浸沒式可以節(jié)省15%年度能耗。

更進(jìn)一步說，浸沒式液冷價(jià)值更高。

一是更高換熱效率。冷媒與發(fā)熱器件直接接觸，減少了接觸熱阻。采用相變換熱，潛熱為比熱的數(shù)百倍。二是更高可靠性。一次性解決全部元器件的散熱問題，采用全浸沒方式，內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻，器件可靠性更有保障。

三是更高性能。CPU等主要電子芯片溫度降低且不隨負(fù)載波動(dòng)，即提高了計(jì)算機(jī)硬件的可靠性和性能。四是無泄漏風(fēng)險(xiǎn)。采用絕緣、環(huán)保的冷卻液體，即使發(fā)生泄露對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和外界環(huán)境均無任何風(fēng)險(xiǎn)。五是更低噪音。服務(wù)器內(nèi)部無風(fēng)扇，噪音可控制在45dB以下。六是更加節(jié)能。無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，PUE值低至1.05以下。

施耐德電氣認(rèn)為，冷卻液對(duì)實(shí)現(xiàn)液冷的應(yīng)用非常關(guān)鍵。關(guān)于冷卻液的討論主要集中在冷卻液的價(jià)格、與IT設(shè)備的兼容性、傳熱特性、環(huán)境影響以及從整個(gè)生命周期角度考慮問題。

新的突破口：鋰電池

在新建綠色數(shù)據(jù)中心方面，施耐德電氣把鋰電池視為一個(gè)突破口。眾所周知，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心來說，以UPS設(shè)備為核心的整個(gè)供電系統(tǒng)，是支撐整個(gè)數(shù)據(jù)中心平穩(wěn)運(yùn)行的最核心部分。而蓄電池又是整個(gè)供電系統(tǒng)中最重要的組成之一。

與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比較，鋰電池憑借其出色的特性，包括較高的能量密度 (70-260 kWh/kg vs. 15-50 kWh/kg)、較長(zhǎng)的生命周期 (10-15 年 vs. 4-6 年) ，快速充電(1/2–1 小時(shí) vs. 6-12 小時(shí))，占地節(jié)省50-80%，重量減輕 60-80%，充放電次數(shù) >1000 循環(huán) vs. <400 循環(huán)等，會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池成為數(shù)據(jù)中心UPS首選的備用電池。

根據(jù)Uptime在2017年所做的全球數(shù)據(jù)中心調(diào)研顯示，有10%的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)采用鋰電池作為后備能源。相比于普通鉛酸蓄電池，鋰電池具有重量輕、儲(chǔ)能高、自放電低，并且生命周期長(zhǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)。

一方面，對(duì)于數(shù)據(jù)中心行業(yè)來說，能否最大限度地利用現(xiàn)有空間，最大限度減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，特別是UPS電源冷卻能耗，電池維修和電池更換服務(wù)費(fèi)用尤為重要。而鋰電池因?yàn)槠鋬?yōu)良的性能成為解決這些問題的關(guān)鍵，如鋰電池多次充放電的特性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，比如峰谷電價(jià)的削峰填谷。

另一方面，鋰電池不含鉛、鎳、鉻等重金屬，成為綠色環(huán)保的首選。

未來隨著新能源以及儲(chǔ)能成本的降低，通過鋰電池儲(chǔ)能來降低成本和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)成為可能。

寫在最后：

無論是風(fēng)冷，還是液冷，亦或是使用鋰電池，真正的目標(biāo)是數(shù)據(jù)中心如何在滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展需求和節(jié)能方面達(dá)到一個(gè)平衡，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色可持續(xù)發(fā)展。

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