數(shù)據(jù)中心先進節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與分析

文｜曹學(xué)勤 張玲 王娟

綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，隨著對數(shù)據(jù)中心能耗產(chǎn)生機制認(rèn)識的逐步深入，針對數(shù)據(jù)中心能耗產(chǎn)生的各個單元，發(fā)展出一系列節(jié)能技術(shù)。本文分析了數(shù)據(jù)中心能耗產(chǎn)生機理及對節(jié)能技術(shù)的需求，在此基礎(chǔ)上對各領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)發(fā)展情況進行了綜述，并對綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)成功經(jīng)驗進行了探討和總結(jié)。

一、引言

黨的二十大報告提出，要加快構(gòu)建新發(fā)展格局，著力推動高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)數(shù)字中國。作為支撐數(shù)字中國建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)用先進節(jié)能技術(shù)建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心已成為必然趨勢。隨著對數(shù)據(jù)中心能耗產(chǎn)生機制認(rèn)識的逐步深入，針對數(shù)據(jù)中心能耗產(chǎn)生的各個單元，發(fā)展出一系列節(jié)能技術(shù)。

二、數(shù)據(jù)中心能耗產(chǎn)生機理及對節(jié)能技術(shù)的需求

在常規(guī)風(fēng)冷型數(shù)據(jù)中心具體能耗構(gòu)成上，信息設(shè)備約占 60%～80%，冷卻系統(tǒng)約占20%～30%，供配電系統(tǒng)占7%～ 10%，其他輔助系統(tǒng)占3%～5%。其能耗具體產(chǎn)生機理是：信息設(shè)備運行時所耗電能基本均轉(zhuǎn)換為熱量，大量信息設(shè)備一起運行時所產(chǎn)生熱量如不能得到及時處理，將使信息設(shè)備運行環(huán)境溫度升高直至超出信息設(shè)備運行溫度要求，導(dǎo)致設(shè)備宕機或損壞。為此數(shù)據(jù)中心需配備冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)的運行模式是制冷設(shè)備（也稱為冷源）制取的冷量，通過水、制冷劑、或者空氣等作為冷媒輸送進機房內(nèi)部，然后以冷風(fēng)的形式釋放出來，對信息設(shè)備進行冷卻，并將帶走的熱量通過熱交換的方式送回冷源，完成一個冷卻循環(huán)，從而實現(xiàn)控制信息設(shè)備運行環(huán)境溫度的目的。供配電系統(tǒng)一般包括變電設(shè)備、UPS 系統(tǒng)、配電回路等，大型數(shù)據(jù)中心還配有柴油發(fā)電機等應(yīng)急備用電源，核心目的是保證信息設(shè)備獲得穩(wěn)定供電，但供配電過程中存在升降壓、交直流轉(zhuǎn)換過程，相關(guān)過程存在能耗轉(zhuǎn)換。其他輔助系統(tǒng)包括照明、消防、安防、運維管理等，在數(shù)據(jù)中心運行過程中會消耗一部分電能。降低各單元各環(huán)節(jié)無效損耗成為技術(shù)發(fā)展趨勢。

三、數(shù)據(jù)中心先進節(jié)能技術(shù)發(fā)展情況

隨著對數(shù)據(jù)中心能耗產(chǎn)生機制認(rèn)識的逐步深入，各單元均發(fā)展出一系列節(jié)能技術(shù)。本文重點對高效軟件系統(tǒng)、高效信息設(shè)備、高效冷源技術(shù)、高效冷卻/散熱技術(shù)、智能控制及運維管理技術(shù)的發(fā)展情況進行探討分析。

（一）高效軟件系統(tǒng)發(fā)展情況

在軟件系統(tǒng)領(lǐng)域，云計算技術(shù)由于可以有效提高信息設(shè)備利用效率得到快速發(fā)展，由此發(fā)展出云原生的概念。在使用云原生技術(shù)后，開發(fā)者無需考慮底層的技術(shù)實現(xiàn)，可以充分發(fā)揮云平臺的彈性和分布式優(yōu)勢，實現(xiàn)快速部署、按需伸縮、不停機交付等。基于云計算技術(shù)，發(fā)展出基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS)等多種服務(wù)方式。

（二）高效信息設(shè)備發(fā)展情況

在信息設(shè)備領(lǐng)域，圍繞數(shù)據(jù)處理具體需求發(fā)展專用化設(shè)備的趨勢得到廣泛重視。如在運算設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展出基于GPU異構(gòu)加速的服務(wù)器等技術(shù)，在存儲領(lǐng)域發(fā)展出磁光一體化存儲等技術(shù)。

基于GPU異構(gòu)加速的服務(wù)器是采用高速互聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)CPU/GPU硬件解耦，按需動態(tài)分配。在無人駕駛、語言處理等多并行計算在線加速和離線訓(xùn)練業(yè)務(wù)場景，相比純CPU構(gòu)型服務(wù)器功耗降低7%以上。磁光一體化存儲依托于數(shù)據(jù)“冷”、“熱”分層的技術(shù)理念，將數(shù)據(jù)按照熱度分別存儲在磁盤和光盤庫上，且數(shù)據(jù)可隨熱度的變化在磁盤和光盤庫之間智能化遷移。通過混合存儲基礎(chǔ)架構(gòu)、存儲管理軟件和分層存儲算法，實現(xiàn)對熱數(shù)據(jù)、冷數(shù)據(jù)的智能分層存儲管理。相較于磁電存儲設(shè)備，單位容量節(jié)能約90%。

（三）高效冷源技術(shù)相關(guān)發(fā)展情況

在制冷設(shè)備（冷源）領(lǐng)域，提高制冷設(shè)備自身能效以及實現(xiàn)對自然冷源的充分利用成為重要技術(shù)發(fā)展方向，由此發(fā)展出磁懸浮離心冷水機組、自然冷卻風(fēng)冷螺桿冷水機組等一系列技術(shù)。

磁懸浮離心冷水機組由磁懸浮壓縮機、降膜式蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置組成。磁懸浮壓縮機采用永磁電機和磁懸浮軸承技術(shù)，消除軸承由于機械接觸產(chǎn)生的摩擦損失而導(dǎo)致的能量損失，具有良好的節(jié)能效果。自然冷卻風(fēng)冷螺桿冷水機組搭載了自然冷卻功能，利用室外環(huán)境的低溫空氣，對末端的循環(huán)水進行預(yù)冷，降低回水溫度，從而降低壓縮機的負(fù)荷。與傳統(tǒng)水冷機組相比年節(jié)電可達36%。

（四）高效冷卻/散熱技術(shù)相關(guān)發(fā)展情況

在冷卻/散熱過程領(lǐng)域，近端送風(fēng)設(shè)計以及帶有變頻功能的高效通風(fēng)機得到廣泛應(yīng)用，同時具有更高冷卻能力的液冷技術(shù)得到快速發(fā)展。

通風(fēng)機用于為空氣的流動提供動力。通過葉輪流場優(yōu)化、電機效率提升、智能調(diào)整轉(zhuǎn)速技術(shù)的應(yīng)用，使風(fēng)機能耗降低30%以上。根據(jù)工況采用智能電子控制的方式調(diào)整轉(zhuǎn)速，有效避免了其他傳統(tǒng)電機與調(diào)速裝置在使用過程中產(chǎn)生的電磁噪聲和整流噪聲，降低風(fēng)機噪聲3～5分貝。液冷技術(shù)是利用液體直接或間接帶走熱量的冷卻方式，并發(fā)展出多種技術(shù)路線。以噴冷液冷技術(shù)為例，低溫冷卻液送入服務(wù)器精準(zhǔn)噴淋芯片等發(fā)熱單元帶走熱量，噴淋后的高溫冷卻液返回冷卻液分配單元（CDU）與冷卻水換熱處理為低溫冷卻液后再次進入服務(wù)器噴淋。年均電能利用效率（PUE）值可低于1.1。

（五）數(shù)據(jù)中心智能控制及運維管理技術(shù)相關(guān)發(fā)展情況

在運維管理方面，圍繞各系統(tǒng)的高效運行以及各系統(tǒng)的合理匹配、高效利用發(fā)展出一系列智能化運維管理技術(shù)。如數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施（DCIM）智能管理系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施及各個子系統(tǒng)模塊進行管理配置，實現(xiàn) 365×24 小時的全面集中管理，提供能效管理、容量管理、資產(chǎn)管理、可用性管理等增值業(yè)務(wù)，結(jié)合人工智能及機器人技術(shù)，提升數(shù)據(jù)中心的整體運維管理水平。

圖1 噴淋液冷技術(shù)效果圖

四、結(jié)語

數(shù)據(jù)中心的設(shè)計、建設(shè)和運維管理需結(jié)合數(shù)據(jù)中心所在地的氣候條件以及數(shù)據(jù)中心承擔(dān)的具體數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)需求，因地制宜選擇合適的技術(shù)方案，方可有效提高數(shù)據(jù)中心能效水平。數(shù)據(jù)中心的設(shè)計、建設(shè)和運維管理是一項具有較高技術(shù)含量的工作，在此需求以及相關(guān)管理政策推動下，綠色數(shù)據(jù)中心先進節(jié)能技術(shù)仍在不斷發(fā)展過程中，相信在未來會涌現(xiàn)出更多更好的節(jié)能技術(shù)。