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【分析】关于数据中心能耗

2019-01-27http://www.jcdd.wang/来源:岷江新产业

文/马前卒(知乎)从发电的角度说,2年前三峡的电已经不够数据中心用;

文/马前卒(知乎)从发电的角度说,2年前三峡的电已经不够数据中心用;从用电角度说,数据耗电超过了农业全行业。以能耗作为标准,未来的数据行业是当之无愧的”重“工业。这么大一盆水,已经撑不起国内数据中心了以往我也以为计算机、手机这些数据终端,以及为其提供网络服务的大部分设备和服务器都属于传统的“弱电”领域,不是节能的主要领域。我的同事也大多数这么想。换过几个单位,所有办公室下班后必定会关灯关空调,但对是否关电脑不甚在意。半夜的办公室里往往是黑暗中闪烁着几十个蓝莹莹的光点。但从全国的角度来看,为“计算”而付出的电量增长相当惊人,这部分用电量从无足挂齿到明显影响全国电力消耗,仅仅用了几年时间。按工信部数据, 2014年中国数据中心年耗电量占全国总用电量的1.5%。中国数据中心节能技术委员会称,2016年中国数据中心总耗电1200亿千瓦时,超过了三峡全年发电量(约1000亿千瓦时),占全国量的2%左右。和农业的总耗电量相当。红线是数据中心耗电,蓝线是三峡发电量众所周知,中国目前每年发电的大部分仍然来自燃煤:换算一下,2016年数据中心的用电需求,等于烧掉了4000万吨标准煤。据ICT Research咨询公司研究统计,截至目前,中国数据中心保有量约有近6万个,机房总面积约1650多万平米,即每平方米机房面积消耗2-3吨多煤。考虑到煤炭堆积的松散度,这意味着把所有机房都用来存煤,从地板堆到吊顶,才差不多能满足自身的耗能。早在2001年互联网泡沫破灭之前,已经有人注意到:IT业能源消耗年增长幅度约为8%-10%,远远快于全球平均能耗2%的年增幅。2007年,美国环境保护署就根据当时的美国数据中心耗电量增长趋势预言, 2005-2010年,全球服务器和数据中心能源使用量将翻2倍,最终超过1000亿度。从实际发展来看,美国2010年IT业总耗电近800亿度,占全美用电量2%,超过了传统上被认为是高耗能、高污染的造纸业。在这种背景下,AMD、惠普、IBM、Sun Microsystems等IT业巨头于2006年联合创建了绿色网格组织(The Green Grid,TGG),协助企业降低数据处理的能耗。Stanford大学的土木与环境工程教授Jonathan Koomey就在这个组织下工作是其中之一。正是因为IT行业的未雨绸缪和大规模跨领域的产学研结合,美国数据中心耗电规模自08年后明显趋缓(也有金融危机的影响),占全美总用电量的比例基本稳定在2%以下,尽管这期间数据中心的规模和数量不断增加。Koomey定律环境保护署耸人听闻的预言却并未实现,而是出现了以Koomey教授名字命名的Koomey定律:每隔18个月,相同计算量所需要消耗的能量会减少一半。United States Data Center Energy Usage Report,2016IT业巨头们创建TGG,当然有构筑行业技术壁垒的用意。但不可否认,TGG的努力的确大大降低了美国计算能耗。电用到哪里了?数据中心的能耗,分IT设备能耗,空调能耗和供电能耗三部分,其中IT设备能耗又可分为处理器能耗和存储能耗两部分。根据TGG在07年所做的测算,当时的数据中心,耗费在空调设备和供电设备上的电能普遍超过了IT设备本身的耗电。对于处理器能耗,相应的节能技术和方案有:采用节能指标更好的处理器用以构架服务器,优化调度算法,合理调节处理器工作组之间和服务器之间的业务负荷等。对于存储能耗,相应的节能方案有固态硬盘替代机械硬盘,通过缓存预取技术减少硬盘的I/O操作,推动小型数据中心的云化等。对于空调能耗:相应的节能方案有优化机房布局及送风路线,采用如热管空调,双冷源型空调等新型高效冷源,在机房内应用智能调节制冷系统等。但最有效的方案是将数据中心规划建设在地下水下等易于利用自然冷源的地方。TGG最具影响力的产品之一,就是制作了一张数据中心选址地图,发掘了各种适合数据中心的风高水寒地区。供电能耗:相应的节能方案有采用智能配电模块,提升计算资源使用率,采用LED照明等。评价这些努力最重要的指标是PUE(Power Usage Effectiveness)= 该数据中心总设备能耗/该数据中心IT设备能耗。显然PUE越接近1,数据中心的能耗效率越好。近年来TGG又提出了DCP(Data Center Productivity)、DCeP(Data Centerenergy Productivity)和PPW(Performance per Watt)等指标模型,用来描述数据中心IT设备本身的能耗效率,寻找进一步挖掘节能潜力的空间,但PUE仍然是反应数据中心技术与节能水平的核心指标之一。2015年工信部的《国家绿色数据中心试点工作方案》披露,中国数据中心PUE普遍大于2.2,而美国的数据中心平均PUE已降到1.7以下。早在2013年底,作为当时国内数据中心最集中的地区,北京市十部委就已经联合发文,禁止PUE>1.5的数据中心建设投产,2014年3月,工信部发布《关于进一步加强通信行业节能减排工作指导意见》,规定从2016年开始,新建大型数据中心的PUE值必须小于1.5。但这个要求根本未能落实。为什么中国数据中心PUE降不下来?数据中心投资收益=数据中心累计运营收入-数据中心建设成本-数据中心累计运营成本根据行业经验,在数据中心的运营成本中,75%以上都是能源成本。数据中心通常规划用15~20年收回全部成本,而在收回成本时,累计的运营成本通常会比建设成本多出4倍以上。在建设新的数据中心时,采用低PUE的设计方案,有利于降低数据中心的运营成本。但是另一方面我们看到,和PUE指标关系很大的电力、空调和土建的建设成本占到了数据中心建设成本的80%以上,规划建设一个低PUE的数据中心,将会不可避免地带来数据中心建设成本的上升。基于行业经验数据做一个简单的估算,计划收回数据中心成本的时间取20年,累计运营成本达到建设成本的4倍,能源成本占运营成本比例取75%,那么只要在数据中心建设中每提升1%的PUE,导致的相关的建设成本上升不超过3%,就能够使得提前收回投资成本,从而对投资者更加有利。然而数据中心的节能问题,涉及到建筑工程,电气电子技术,制冷与空调技术等诸多内容,是一个典型的跨学科跨领域课题。迄今为止,仍然没有一套有效的模型或开发系统能够在设计阶段准确地量化出数据中心的PUE。很多投资者,特别是第三方资本,他们的投资收益往往只来自出租运营数据中心的计算资源,数据本身对这些投资者并没有什么额外的价值,这使得投资者对投资回报周期N尤其敏感,一个需要在节能方面砸大量的真金白银,却难以确定效果的建设方案,对投资者没有吸引力,他们往往宁可在数据中心运作起来之后,根据实测得的PUE及机房的具体情况再搞一些修修补补的调度和优化。这也反过来说明了,国外的谷歌、脸书,国内的阿里这些拥有大量自有数据的IT业巨头,为什么会热衷于极地机房、水底机房这样激进的大手笔投资建设方案。阿里千岛湖云数据中心,号称平均PUE达到了1.3以下,极低时可达到1.17。根据JonathanKoomey的不完全统计,目前谷歌拥有全球3%的服务器,但是只使用了全球数据中耗费总电能的1%。这意味着谷歌数据中心的运作效率远高于行业水平。这些用先进技术打造的庞然巨物般的IDC,看似吞噬电能的无底洞,其实比分散数据中心节约了海量电能。美国数据中心能耗飙升势头被遏制后,有些专家乐观的宣布,人们过分夸大了云计算的能耗,节能降耗技术已经取得重大突破,数据中心和云计算的能耗不会失控。但Koomey教授仍然在其2016年的United States Data Center Energy Usage Report的结语中写道:“本报告(United States Data Center Energy Usage Report 2016)肯定了数据中心行业近几年来在稳定自身电力需求规模上所获得的成功。尽管如此,我们仍有必要对整个ICT(Information Communication Technology)领域相关设备进行更深入的研究,而该领域节能技术也需要取得进一步的突破。只有这样,我们才能保证当前的行业电力需求规模,并不是仅仅因为处在一个即将到来的,电力需求随数据业务一同增长的时期前的短暂平静期,才得以保持了目前的稳定。”中国人口是美国四倍多,电力供应形势和环境压力更严峻,电商发展更超前,核电比例低得多,但由于资本投机性太强,导致数据中心耗费了更多宝贵的电能。美欧数据中心暂时通过技术研发+行业自律避开了电能瓶颈(只是暂时),爆炸性发展的中国数据中心产业能否避得开呢?在数据中心耗电超过三峡工程和农业用电的时候,这个问题已经不可忽视了。————————完———————— 本文仅代表作者个人观点,不代表本公众号立场。本公众号转载此文仅出于传播更多资讯之目的。如有侵权或违规请及时联系我们,我们将立刻予以删除。本公众号所载文章、数据仅供参考,使用前请核实,风险自负。
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