冷暖張北：數智時代，算力增長和能耗降低如何兼得？

2021年11月11日凌晨，張北的冬夜星垂平野，寂靜無聲。

此刻，中國一年一度的商業狂歡盛宴——“雙十一”購物節正在上演。一個坐在家里刷淘寶的消費者，也許從未聽說過張北，但只要他連接上網絡，便享受著來自張北的遠程實時服務。

張北是連接華北平原和內蒙古高原的要塞，是距離北京最近的高原地區。風無半日靜，地無三尺平。河北省張北縣境內，10米高度以上，年平均風速達6.2米/秒，全縣優質風能資源達350萬千瓦以上。

千百年來，西伯利亞的寒風吹過六朝古長城，而今它除了帶動著張北成群的風力渦輪發電機，還驅動著數字經濟時代的新型基礎設施——互聯網數據中心（IDC）。

數字經濟時代，生產關系各要素有了新變化，數據成為新的生產要素，算法是新的生產關系，而算力就是新型生產力。承載這一切的數據中心，毫不夸張地說，就是數字經濟時代基礎設施中的基石。

能源危機降臨數智時代

2021年9月底，從東北三省到江浙、兩廣，不同地區之間的限電細則指向了同一個現實：一場全球性的能源危機到來了。2021年下半年，世界各國交錯上演電荒、油荒、氣荒，恐慌情緒隨著不斷創新高的能源價格和越發緊缺的庫存蔓延，更隨著北半球冬天腳步的臨近而愈演愈烈。

據國際能源署調查，直到2018年，全球化石能源發電比例仍高達64%，而可再生能源發電占比僅為26%，核電占比為10%。面對溫室效應、能源枯竭等生存危機，在被倒逼著朝低碳時代狂奔的路上，人類對“高能耗”越來越敏感。

消耗巨大電力轉化成算力的數據中心，首先引起了人們的注意。2021年5月，國家發展改革委創新和高技術發展司數據顯示，數據中心年用電量已占全社會用電的2%左右。數據中心由此被列入高能耗大戶。《2020全球計算力指數評估報告》顯示，計算力指數平均每提高1個百分點，數字經濟和GDP（國內生產總值）將分別增長3.3‰和1.8‰。因而，算力就像一個杠桿，具有放大數字經濟效益的作用。得益于此，數字經濟的增長速度是非數字經濟的3.5倍，數字經濟的投資回報率更是非數字經濟的6.7倍。

但是，數據中心行業高能耗和高產出高效率之間的矛盾該如何解決？

“年植400萬棵樹”的散熱黑科技

隨著萬物互聯及萬物智能時代的開啟，目前全球算力規模正以每年超過50%的速度增長。到2025年，整體規模將達到3300EFlops（每秒浮點運算速度）。

算力、算力、算力……各行各業，各種新技術，各種終端，以及我們所處的數字時代，無時無刻不在追逐算力。而建立綠色數據中心，同時滿足高算力密度與低碳運營，將成為剛需和趨勢。

目前來看，降低電力消耗的過程中最關鍵的環節是降低PUE（數據中心總能耗/IT設備能耗）。PUE是國際通用的數據中心能源效率指標，這個數值越接近1，說明能效水平越高。2021年11月，在中國數據中心工作組（CDCC）第九屆數據中心標準峰會上發布的《2021年中國數據中心市場報告》顯示，2021年度全國數據中心平均PUE為1.49。

數據中心的能耗由IT設備、制冷系統、供配電系統、照明系統及其他設施產生。其中，制冷系統在整個數據中心的電能消耗中占比最大。由于IT設備等設施工作時的功耗無法改變，從技術角度看，從制冷系統著手改進，成為降低數據中心PUE的關鍵。依靠風冷、湖冷等制冷技術，阿里云在河北張北、廣東河源、內蒙古烏蘭察布等地的五大超級數據中心，全年平均PUE小于1.3。

用液冷來替代風冷給數據中心散熱，是近幾年業內公認的重大創新舉措。液冷技術是指將高比熱容的絕緣液體作為傳輸介質的傳熱冷卻技術，通過冷卻液的外部循環將熱量帶走。相比空氣，液體的比熱容更高，是空氣比熱容的一兩千倍，而且比需要“看天吃飯”的風冷更可控。

2015年，阿里云開始探索液冷技術的應用實踐，2016年首次發布浸沒式液冷系統。2017年，阿里巴巴建立起互聯網行業全球首個浸沒式液冷服務器集群，隨后在阿里云張北數據中心進行規模化部署。

根據阿里云基礎設施數據中心總經理高山淵的解釋，如果用風冷技術，一個標準機柜里做到30千瓦的散熱能力已經是極限，而浸沒式液冷可以輕松做到120千瓦，經過技術改進還能做到200～300千瓦。在實際應用中，浸沒式液冷技術適用于AI、超算這類高密度的計算場景。

與傳統風冷技術相比，液冷系統可節省30%～50%的電量，機房整體能效提升30%。而阿里云目前實現了數據中心100%無機械制冷，張北數據中心的年PUE已經低于1.2，最低時可達到1.09，屬全球最低。這相當于每年節約標煤8萬噸，或種植了400萬棵樹。初步估算，如果全國的數據中心都采用液冷技術，一年可節省電量相當于三峽電站2020年全年發電量的2/3。

“煮蛋”是業界對數據中心能耗變化最津津樂道的比喻：2005年，阿里10筆電商交易消耗的能源可以煮熟4個雞蛋；2015年能煮熟1個雞蛋；2016年啟用最新的液冷技術后，僅能煮熟1個鵪鶉蛋了。未來消耗的熱量可能連鵪鶉蛋都煮不熟了。從4個雞蛋到1個鵪鶉蛋，背后是數萬名工程師十余年對IT系統極致高性能和高效率的不懈追求。

2020年，阿里云在浙江杭州的云計算仁和數據中心部署了全球規模最大的浸沒式液冷數據中心，并聯合開放數據中心委員會（ODCC）向全社會開放“浸沒式液冷數據中心技術規范”，也即技術開源，著力引領和推動整個行業的技術升級迭代。

張北高原上的“熄燈數據中心”

數據中心里每分每秒都充斥著冷與熱的矛盾。在這兩者之間找到平衡，是數據中心的技術工程師們永不停息的戰斗。

張北的冬季，氣溫可達到零下三十多攝氏度，在這樣的低溫天氣里，數據中心的部分設備如果不能保溫，就會影響設備運行的穩定性，并且損耗設備的使用壽命。但要給設備保溫供熱，又會產生額外的能耗。

于是，阿里云設計了一個余熱回收系統，把各種設備運行產生的熱量收集起來，除了滿足張北數據中心IT設備保溫和辦公區、生活區的供熱，多余的熱量還直接輸送給周邊地區的機構，減少了該地區傳統供熱方式所產生的碳排放。

2020年，張北數據中心成為行業內首個碳普惠試點項目，同時獲評“2020年度國家綠色數據中心”。2021年9月，作為首批全國綠色電力交易主體，阿里云數據中心率先交易1億千瓦時綠色電力，成為國內互聯網行業最大的綠色電力交易主體。“雙十一”期間，阿里云張北數據中心使用綠電近3000萬千瓦時，減排二氧化碳2.6萬噸。

經過一系列智能化運營的努力，張北數據中心已經基本成為“熄燈數據中心”。平時，除了有少部分工作人員在辦公區值守，偌大的建筑空間絕大部分區域都處于“熄燈”狀態，在一個全黑的環境里，只有各種設備微弱的指示燈閃爍著。

5年前，張北數據中心所在地塊還是一片荒地，曠野上只有北風呼嘯的聲音。而今，這里已經是一座成熟的產業園區，并且用最低的PUE跑著這片土地上最繁忙的數據，為云上的世界提供支撐。

新一輪科技和產業變革正席卷全球。“數字中國”的建設，正在從量的增長向質的提升轉變。如果時代是一列永不回頭的列車，那么算力正逐漸成為驅動列車前進的核心動力。綠色算力，已成為保證這列列車高速且穩定行駛的必然選擇。

（摘自中信出版集團《云上的中國2：科技創新與產業未來》）