淺析數據中心節能降碳綠色發展的挑戰與對策

范 松 任庚坡

上海市節能中心

0 引言

20 世紀50 年代，數據中心在美國誕生，至今已經有70 多年發展歷程，如今隨著大數據、人工智能、云計算等新一代信息技術革命的推進，海量的數據要素正源源不斷地產生，并逐漸演變成了新的生產要素滲透到社會經濟轉型、企業生產發展、人們日常生活等各個方面，進而掀起了數據中心的建設浪潮。目前，在全球范圍內各種規模的數據中心如雨后春筍般涌現，或正在建設，或正在擴容完善，幾乎發展成了行業里的“軍備競賽”［1-2］。根據中國信通院發布的《數據中心白皮書（2022 年》，從2018 年到2021 年，全球服務器每年增加量都在6 000 MW 以上，主要集中在北美（約占50%）、西歐（約占16%）和亞太（約占30%）地區。隨著機架數量快速增長，數據中心的能耗也以驚人的速度增加，相關數據顯示，2016 年全球數據中心總用電量超過了1 萬億kWh，且總耗電量呈逐年增加的趨勢，增長率在7%左右，預計到2023 年將突破1.5萬億kWh［3-5］。

一方面是數據中心的市場需求持續增長，建設規模不斷擴大，另一方面卻是其能源消耗巨大，面臨著節能降碳、綠色發展的壓力［6-7］。近年來，多國政府紛紛出臺了政策對數據中心的無限擴張進行了約束，并對數據中心的能效指標、節能降碳、綠色建設等提出了更嚴格的要求［8-9］，這對新建數據中心的健康發展起到了保駕護航的作用，但仍存在機架空置、上架率低、能源浪費的問題。此外，還有一些分布較散的小規模數據中心（本文指2013 年之前建設的，機架數量在幾百個左右的數據中心），由于其建設時期早，節能效果較差，很難實現節能降碳、綠色發展的戰略目標［10-12］。在全球推行節能降碳的戰略背景下，特別是在我國明確提出了“雙碳”目標之后，伴隨著新國標《數據中心能效限定值及能效等級》［13］的實施，數據中心將面臨更大的節能降碳壓力和綠色發展挑戰，能效等級的分類如表1所示。數據中心產業如何在行業競爭和節能降碳雙重壓力下實現綠色健康發展，成為了政府、用戶和企業的熱議話題。

表1 我國數據中心能效等級分類標準

1 數據中心綠色發展相關政策

1.1 國際相關政策分析

許多國家政府和組織已經意識到數據中心發展所面臨的能源消耗問題，并在積極制訂相關的標準和法規，以期通過立法手段來限制數據中心的盲目擴張，降低數據中心的能源消耗，提高能源利用水平，保障數據中心產業的綠色發展。全球數據中心能效發展情況見圖1［14］。2010 年，美國環保部利用能源之星項目（Energy Star Program，EPA）對100 多個數據中心進行了PUE 認定，建立了能效管理評估工具，并形成了評價體系［15］。之后，美國陸續制定了《美國聯邦數據中心整合計劃（FDCCI）》《FITARA 聯邦政府信息技術采用改革法案》等一系列舉措，提出要將數據總的功率利用效率提高20%，IT 設備能耗降低60%。2018 年，美國政府又發布了《數據中心優化倡議（DCOI）》，要求每個機構制定和上報公司的戰略規劃，并用電能利用效率(PUE)指標來監控每個數據中心的能源利用水平，對于較差的數據中心（PUE 限定值為1.5），則將會面臨合并、重組或關停，向高效基礎設施轉型［5］。

圖1 全球數據中心能效發展情況

歐盟作為世界應對氣候變化的領頭羊，長久以來也十分重視數據中心的發展。2008年，歐盟就發布了《數據中心能效行為準則》，規定了數據中心企業和用戶在數據中心能效評定方面的責任和義務，同時還發布了《數據中心能效行為準則最佳實踐》，為數據中心企業提供了最佳的實踐清單。2020 年歐盟又發布了《歐盟數據中心能效水平最佳實踐指南》《歐盟數據中心能效水平白皮書》，對數據中心的PUE、SUE 等綠色指標進行了細化，引導建立綠色數據中心的推進機制。此外，日本的數據中心協會也制定了《數據中心設施標準》，要求對數據中心的地震風險、運營風險、環境風險進行評價，2020年推出了《綠色增長戰略》，加快高性能半導體在數據中心領域的應用，同時提出新建數據中心能耗要降低30%以上，全面打造綠色數字經濟。新加坡發布了《綠色數據中心技術路線圖》《新加坡綠色數據中心標準——能源與環境管理體系》等，要求對數據中心的能效、環境、冷卻系統等進行評估，其目的還是降低數據中心的能源消耗和環境影響。

1.2 國內相關政策分析

從2010 年開始，國家就出臺了一系列政策文件引導數據中心節能降碳、綠色發展，比如最初的《國務院關于加快培育和發展政略性新興產業的決定》和《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出要優化大型數據中心的建設布局，提升數據中心的能效水平和資源利用率等。2013 年，工信部、發改委、能源局等五個部門聯合發布的《關于數據中心建設布局的指導意見》對建設地區進行了明確分類，要求中小、大型、超大型數據中心按分類要求建設，從而引導數據中心向寒冷地區發展，充分利用自然冷源，降低能源消耗。

近年來，隨著“雙碳”目標的提出，工信部又陸續發布了《新型數據中心發展三年行動計劃（2021-2023年）》《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G 等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》《信息通信行業綠色低碳發展行動計劃（2022-2025年）》等一系列文件，文件除了有關于統籌整體布局，轉型升級發展方面的內容，還提出了諸多硬性指標，比如國家樞紐節點PUE 進一步降到1.25 以下，綠色低碳等級達到4A 級以上，新建大型、超大型數據中心PUE 降到1.3以下，改建核心機房PUE 降到1.5 以下的要求［16］，其目的都是在引導數據中心朝著綠色、低碳、集約的方向發展。這一系列的政策文件從宏觀層面為我國數據中心產業發展指明了方向，有力地推動了節能低碳技術的運用和推廣，為我國數據中心產業的高質量發展奠定了基礎。2022 年2 月，國家發改委、工信部等多個部門印發通知，正式啟動“東數西算”工程，圍繞國家重大區域發展戰略，統籌能源結構、產業布局、市場發展、氣候環境等因素，在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝，以及貴州、內蒙古、甘肅、寧夏等8個地區（如圖2所示）布局建設全國一體化算力網絡國家樞紐節點，著重發展數據中心集群，引導數據中心向集約化、規模化、綠色化的方向發展，全國一體化大數據中心體系的建設也拉開了帷幕［17］。

圖2 我國“東數西算”工程布局圖

上海是我國的金融貿易中心，也是我國數字經濟最發達的城市之一，在工業和通信業節能方面始終走在全國前列。2018 年，上海市發布了《推進新一代信息基礎設施建設助力提升城市能級和核心競爭力三年行動計劃》，提出要對標國際最高標準、最好水平來建設數據中心，實現數據中心規模化、綠色化發展，并要求新建數據中心綜合能源效率指標（CPUE）不超過1.3。后又陸續發布了地方標準《數據中心能源消耗限額》以及《上海市數據中心建設導則》《關于推進本市數據中心健康有序發展的實施意見》《上海市新型基礎設施領域碳達峰實施方案》等一系列重要文件，對數據中心的建設和發展提出了明確要求，引導數據中心開展節能技改，走綠色發展道路。

2 數據中心綠色發展概況

2.1 國際相關發展概況

從全球范圍來看，根據Gartner 公司統計，截至2017 年，全球大大小小的數據中心總共約有44.4萬個（這些數據中心的建筑面積從幾十平方米到幾萬平方米不等），其中北美和歐洲地區占據了約60%，中國占比在18%左右。隨著數據中心大型化、集約化的發展，預計到2023 年，全球數據中心數量將降低到40 萬個左右，總耗電量將超過1.5 萬億kWh，主要能耗仍集中在歐美等發達國家，發展中國家將呈現逐年增加的趨勢。近幾年全球數據中心耗電量趨勢如圖3所示。

圖3 全球數據中心耗電量趨勢

歐美等發達國家利用政策、標準和法規的影響推動了數據中心的健康綠色發展，根據美國GAO發布的數據，自《數據中心優化倡議（DCOI）》實施以來，截至2021 年，此項措施已為美國節省了近80 億美元，美國數據中心PUE 平均值從2.5 下降到1.4 左右，能效水平大幅提高。與此同時，美國還涌現出了一批節能低碳全球頂尖數據中心，比如Yahoo 在紐約的數據中心，設計時放棄了耗能較高的機械式冷水機組，通過大面積天窗和阻尼器來控制氣流走向，充分利用空氣流動進行冷卻，將PUE值降低到1.08。Facebook 的數據中心摒棄了傳統的UPS 和PDUS 設計，把UPS 和電池備份功能轉移到儲藏柜，并充分利用自然冷源，利用新鮮空氣的自然溫度對數據中心內部氣溫進行控制，從而將PUE 值降到1.15 以內。Google 也承諾到2030年，其全球所有數據中心和園區將實現24/7 無碳能源運營（無碳能源是指在產生能量的過程中沒有碳原子的參與，不會產生CO2，例如風力、水力或太陽能發電）。

此外，歐美也涌現出了一批頂尖的數據中心企業，比如，美國的Equinix、Digital Realty Trustlnc、CenturyLink、Verizon、CyrusOne，歐洲的Interxion、Portugal Telecom、Bahnhof，日本的NTT、KDDI 株式會社等。其中美國的Equinix 公司是全球數據中心行業里無可爭議的領頭羊，公司旗下大型數據中心超過150 多個，遍布美洲、亞太、歐洲及中東等14 個國家(地區)，其主要客戶為亞馬遜、微軟、ebay、通用電氣等國際知名企業，在節能降碳方面也位于世界前列。歐洲的Interxion 公司還率先使用了100%可持續能源（包括太陽能和風能）為其遍布歐洲的數據中心提供電力，開發了地下水冷卻節能措施，部分數據中心還采用了余熱回收技術，將數據中心多余的熱能回收為住宅供暖，從而大大提高了能源利用水平。

2.2 國內相關發展概況

與歐美國家相比，我國的數據中心發展起步較晚，進入21世紀以來，隨著互聯網進入中國，機房的概念才隨之興起，后來隨著電子商務、智能手機、應用軟件的普及和互聯網企業的蓬勃發展，數據中心才開始進入高速發展軌道，數量不斷增加，規模不斷擴大，能耗也以驚人的速度增長。根據中國信通院發布數據，截至2021 年底，我國在用數據中心機架規模達到了520 萬架，近五年復合增長率超過了30%，大型數據中心機架規模達到了420萬架，占比80%，近幾年機架數量變化趨勢如圖4 所示［18］。2021 年，全國數據中心總用電量已突破900 億kWh，年增長率超過了7%［19］，預計到2025年，全國數據中心用電量將達1 200億kWh以上。

圖4 我國近幾年數據中心機架數量增長趨勢

根據《全國數據中心應用發展指引(2020)》數據，2019 年度全國在用超大型數據中心平均PUE為1.46，大型數據中心平均PUE 為1.55。根據《2021 年中國數據中心市場報告》，2021 年度全國數據中心平均PUE 為1.49。其中按照地區統計分析，華北、華東的數據中心平均PUE 接近1.40，規模化、集約化和綠色化水平較高。華中、華南地區受地理位置和上架率及多種因素的影響，數據中心平均PUE 值接近1.60［19］。2020 年度和2021 年度獲評國家級綠色數據中心的分別有60 家和44 家，其中囊括了移動、電信、聯通、百度、阿里巴巴、萬國、騰訊等多家知名巨頭企業，獲評的數據中心能源利用效率都處于行業前列，原則上PUE 值都會低于1.4，這充分證明我國數據中心在節能降碳、綠色發展方面已經取得了一些成效且部分數據中心已經達到全球頂尖水平。比如，中國電信在內蒙古建設的數據中心園區，充分發揮毗鄰京津的天然地理優勢和氣候、能源、環境等方面的優勢，嚴格按照世界一流、綠色低碳要求進行建設，預計PUE 值可優于1.2。阿里巴巴的杭州仁和數據中心，采用了服務器全浸沒液冷、高壓直流、供配電分布式冗余、智能AI優化算法等多項節能技術，是中國首座綠色等級達5A 級的液冷數據中心，年平均PUE 可低至1.12。此外，阿里云還宣布投資2 000 億元用于核心技術攻關和數據中心建設和綠色發展［20］，騰訊也宣布未來將投資5 000 億元用于數據中心高質量發展［21］，光環新網、萬國數據、世紀互聯、有孚網絡也都相繼加入投資建設布局之中。

從我們國家陸續發布了關于數據中心建設的相關政策、標準之后，新建的數據中心基本都嚴格按照能效約束指標進行建設，先進的節能、低碳、綠色技術也得到了推廣應用，但仍存在上架率不高、空置、能源浪費問題。除此之外，一些小規模數據中心起初建設是為了滿足企業或政府部門自身需要而建立，具有規模小、分布散、能效低的特點，PUE 表現較差，可能會高于1.7，甚至在2.0 以上。綜合考慮以上幾個因素，我國數據中心行業整體的能源利用水平還沒能達到我們的期望水平，就整體而言，我們與歐美發達國家相比，在能源利用水平、節能降碳、綠色發展上還有一定差距。

3 數據中心節能降碳綠色發展的挑戰與對策分析

3.1 節能降碳綠色發展面臨的挑戰

1）指標資源稀缺，短期內存在上架率不足現象

一系列嚴格的政策和標準文件對數據中心的綠色發展起到了保駕護航的作用，但同時也提高了數據中心的準入門檻，尤其是在北上廣深等這些資源稀缺的一線城市，數據中心的建設指標已經成為稀缺資源。一些通信和互聯網企業為了爭奪市場資源，超前進行布局，在沒有足夠的客戶資源的情況下，依然大刀闊斧地建設數據中心，這就造成部分數據中心存在空置、利用率不高的現象。此外，由于企業初期建設定位并不明確、產業生態也不夠完善，機柜資源與客戶資源以及銷售模式不匹配等原因，導致有些新建的數據中心上架率不能達到設計指標的要求。根據《2021年中國數據中心市場報告》數據，在整體上架率方面并非像我們想象的那樣樂觀，華東、華北、華南地區上架率約在60%～70%，其他地區只有30%～40%［19］，造成了能源與資源的浪費，不利于數據中心的綠色發展。

2）節能降碳難推進，技改難度與投資風險并存

一方面是新建數據中心蓬勃建設，卻存在上架率不高、空置、能源浪費等問題，另一方面是小規模數據中心面臨著節能改造難度大和可能被關停或重組的雙重困境。在數據中心發展初期階段，由于金融、通信、科技等發展的需要，我國建設了一些小規模的數據中心（目前機架數量約有100萬架）。這些數據中心大多散點分布，具有規模較小、設備老化、PUE 值高的特點，其所承擔的業務種類也不盡相同，比如涉及金融證券，電力調度、政務中心、電商服務等多個領域。近年來，迫于政策壓力與自身發展需要，這些數據中心不得不盡快進行節能改造，可由于建設時間早，普遍存在計量器具不完備、場地空間受限、改造成本高昂、改造周期長等各種問題。此外，由于數據中心是信息技術高度集中的場所，對系統運行的穩定性、連續性具有嚴格的要求，如果要進行節能改造還必須要征得用戶的許可，否則稍有不慎就可能給企業造成重大損失，繼而導致客戶資源流失，這也間接增加了數據中心進行節能改造的難度。

3）東西部算力供需不匹配，資源整合有待提高

上升到全國一體化大數據中心體系的層面看，2022 年8 個國家算力樞紐新建的數據中心近70個，機架數量達150 萬架，其中西部超過60萬架，規模同比翻了一番。隨著“東數西算”工程進入全面建設階段，會有更多的數據中心將向資源豐富的西部地區轉移，數據中心的規模化、集約化、綠色化也將逐漸顯現，但對照“東數西算”的預設目標，面對更廣域、更多方參與和更高品質要求下的數據和應用流動場景，現有的技術能力、建設水平、市場供需等方面仍面臨著大量挑戰，比如算力和網絡、末端應用的融合，算力與供給的匹配等。相關研究顯示，西部地區的數據中心上架率明顯偏低，其中，西南地區平均為41%，西北地區平均上架率只有34%。由于東西部地區科技與經濟發展的差異，東部地區對數據處理的需求和對數據中心的算力需求明顯高于西部地區，而跨省傳輸數據存在費用高、網絡寬帶小、延時長等諸多不利因素，加之不同地區的數據中心和算力網絡建設標準和法規并不完全統一，地域之間的高速網絡通道并不完備，這使得東西部地區的算力資源不能有效整合，算力需求和供給也不相匹配。

3.2 節能降碳綠色發展的對策分析

1）深挖節能潛力，推廣先進節能技術應用

數據中心的用能結構主要分為信息設備系統、電氣系統、通風和空調系統，其中信息設備系統約占總能耗的42%，通風和空調系統約占40%。節能降碳的改造重點在于信息設備系統和通風空調系統。在信息設備系統方面，較為先進的有基于ARM64 位架構低功耗服務器技術、基于CPU 加速的異構計算技術、長效大容量光盤庫存技術以及磁光電融合存儲技術等。在通風制冷系統方面，較為先進的有間接蒸發冷卻技術、頂置自然對流零功耗冷卻技術、無機相變儲能蓄冷技術以及單相浸沒式液冷技術等。對于新建數據中心而言，國家和地方政府都有嚴格的建設標準和能效指標約束，加之新建項目不受場地條件限制等，在前期論證、指標獲取和設計階段往往都能按照相關標準執行，但仍需加強對建設和運營環節的管理和評估，從而杜絕建而不用的浪費現象，同時通過財政補貼、指標獲取等多種優惠方式，鼓勵企業開展先進節能技術的研發與嘗試，鼓勵企業使用太陽能、地熱能、風能等新能源替代傳統能源。對于小規模數據中心，應充分利用第三方服務機構，逐一開展節能診斷，深度挖掘節能潛力，根據各個數據中心的具體情況“量身定制”節能整改方案，并限期進行整改，推進數據中心優化升級。

2）加強執法監察，提升能效約束作用

近年來，隨著數據中心產業的不斷發展和其能源消耗的持續增長，數據中心也成為了節能監察的重要領域之一。根據工信部《數據中心能效專項監察工作手冊（2021）》，我國數據中心主要監察內容包括電能利用效率、總用電量、IT 設備用電量、能源計量器具配備情況等。我國《節約能源法》對重點用能單位超出限額標準用能的有明確處罰措施，但對于數據中心領域尚未明確（尤其是用能總量未達到重點用能單位要求的），從全國范圍來看，也鮮有超標數據中心的處罰案例。節能監察是政府部門貫徹落實節能法律法規、促進產業綠色發展的重要抓手，也是倒逼企業開展節能降碳、優化升級的重要法律舉措。應加大能耗限額強制性標準的執法力度，充分利用節能監察的工作成果，對數據中心進行分類管理，制定黑白名單，將PUE 較高、規模較小、投產時間長、經濟效益差的數據中心逐步納入產業限制和淘汰目錄，引導鼓勵企業積極開展節能技術改造或者進行合并重組，從而推動全行業的綠色發展。

3）多措并舉持續發力，推動“東數西算”全面建設

隨著我國“東數西算”工程的全面建設，國家級超級計算中心與基礎服務已經取得了令世界矚目的成就，有些領域也進入了國際先進行列。但在技術能力、統籌布局、市場化匹配等方面仍需持續發力。在技術層面，可以借鑒數據網格、數據中心網絡、廣域與分布式文件系統的技術經驗，推動新一代分布式數據訪問協議、存儲系統和基礎軟件的研發應用，建立健全算網融合、算力融合、數據共享安全等相關技術標準體系，加快建設統一開放的應用創新平臺。在政策層面，鼓勵和支持各地出臺優惠配套政策，為遷移的企業提供更多實惠，降低算力使用成本和門檻，吸引更多企業和用戶向西部搬遷，著力解決東西部算力供需不匹配的問題。在統籌建設布局上，要加快算力向規模化、集約化方向升級，加快高速網絡的建設，逐步完善云資源的接入和一體化調度機制，合理規劃網絡的安全區域以及不同區域之間的訪問權限，嚴格做好網絡安全態勢監測。總體而言，我國的“東數西算”工程是一項規模龐大、系統復雜、應用多的重大工程，需要東西部協同聯動，從統籌布局、頂層設計、法規政策、技術創新等多個方面努力。

4 結語

我國數據中心產業綠色發展已經取得了初步成效，但整體發展仍面臨著多方面的挑戰，一方面是新建數據中心規模不斷擴大，數量不斷增加，但仍存在上架率不足、指標資源浪費的現象，另一方面是“小老散舊”數據中心依然存在，且節能改造存在一定難度，急需加快產業結構調整。此外還有，隨著“東數西算”工程的全面建設推進，還存在東西部供需不匹配、算力與網絡未融合、關鍵技術有待突破等一系列問題。面對諸多挑戰，需從多方面入手，在統籌建設布局上，要加快算力向規模化、集約化方向升級，加快建設高速網絡，完善一體化調度機制，協調東西部資源，形成全國一體化大數據中心體系。在技術應用上，要嚴格把控新建數據中心審批的各個環節，推廣節能綠色技術應用，淘汰節能效果、經濟效益差的“小老散舊”數據中心，同時加大對算網融合、算力融合、高速網絡、數據安全等先進技術的研發投入。在政策法規層面，要盡快出臺一體化發展的技術標準協議及“東數西算”相關優惠配套政策，同時加強節能執法監察，提升能效約束作用，為數據中心產業綠色發展保駕護航。總而言之，數據中心產業的綠色發展是一個長期的過程，涉及多方面的因素，必須要將先進技術應用、產業結構調整、全局統籌設計以及法規政策完善等多方面有機結合起來共同推進。