数据中心现状分析与绿色发展探索

作者:中国信息通信研究院 罗丹 李颖萱 责任编辑:王鹤迦 2022.09.07 11:50 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)根据国际市场研究机构Markets and Markets发布的报告,到2026年,全球绿色数据中心市场规模将从2020年的492亿美元增至1403亿美元,年复合增长率达19.1%。数据中心的耗电量将不断刷新纪录,给全社会的用能和碳排放控制造成较大压力。

当前,数据中心行业能耗问题再次受到社会各界广泛关注。国网能源研究院的测算显示:2020年,我国数据中心用电量突破2000亿千瓦时,约占用电总量的2.7%。2021年以来国家相关部门相继出台了《国家发展改革委等部门关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》《2030年前碳达峰行动方案》《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》等多项政策,首次把数据中心列为与传统八大“双高”行业并列的第九类行业,并要求到2023年底,新建大型及以上数据中心PUE降到1.3以下。硬指标与时间表的设定,进一步加快了绿色数据中心的发展。

数据中心发展现状

数据中心政策环境

2021年10月26日,国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出,加强新型基础设施节能降碳和用能管理,将年综合能耗超过1万吨标准煤的数据中心全部纳入重点用能单位能耗在线监测系统,开展能源计量审查。随着我国“碳达峰、碳中和”战略的深入推进,国家层面出台多项政策促进数据中心绿色低碳发展。

目前,我国数据中心主要集中在京津冀、长三角、粤港澳大湾区等经济发达地区,但这些地区同时面临算力资源需求的爆发式增长和能源指标紧张的双重困境。因此,整合优化和提高能效成为东部经济发达地区数据中心绿色高质量发展的重点。

与此同时,我国西部地区清洁能源丰富、地质条件稳定、气候环境适宜,成为大型、超大型绿色数据中心建设的理想选择地区。依靠数据中心对可再生能源的消纳,以及西部地区干燥凉爽气候条件带来的数据中心散热能耗下降,每年可大量降低碳排放。因此,科学规划布局、可再生能源利用成为西部地区发展高质量数据中心的重点。

数据中心市场规模

2018年以来,受益于5G技术的日益成熟与普及、互联网行业的持续高速发展等,国内IDC行业保持30%左右的年增速。随着各地区、各行业数字化转型的深入推进,我国数据中心市场收入将保持增长态势,如图1所示。

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图1 中国数据中心市场规模

数据中心机架数量

中国信通院发布的《数据中心白皮书》表明,我国数据中心机架规模持续稳步增长,大型以上数据中心规模增长迅速。近年来,我国数据中心机架规模稳步增长,按照标准机架2.5kW统计,截止到2021年年底,我国在用数据中心机架规模达到520万架,预估到2022年达到670万架。其中,大型以上数据中心机架规模增长更为迅速,按照标准机架2.5kW统计,2021年比2019年几乎翻了一倍。如图2所示。

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图2 中国数据中心机架规模

绿色数据中心发展趋势

近几年,我国各级政府纷纷出台推动数据中心绿色发展的相关政策,为“十四五”乃至更长时期的数据经济发展奠定坚实的基础,助力实现“双碳”目标。

政策驱动

自2021年以来,国家高度重视数据中心产业的产业布局及未来发展,当年国务院政策文件库中收录了39份相关政策。工业和信息化部、国家发展和改革委员会等部门先后出台《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》等政策文件,有效规范了我国数据中心产业发展并正式提出“东数西算”工程。尤其是在2022年上半年,已有超过20项相关政策出台。

自2021年5月底发布《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》以来,“东数西算”工程受到社会各界广泛关注。2022年2月,国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合印发通知,同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点,并规划了10个国家数据中心集群。奠定鼓励数据中心绿色发展的主基调。

从地方政策层面来看,2021—2022年各省市均提出鼓励推荐大数据中心的建设,政策支持适度超前布局新型基础设施,并下达具体的量化目标。

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图3  2025年中国各地区IDC建设目标

市场需求

近年来各领域依托互联网实现万物互联,各大企业对数据资源高度重视,越来越多的数据处理和托管依托于数据中心。

在数字经济的带动下,IDC行业市场规模有望持续扩大。如图4所示,2021年,中国IDC业务市场总体规模突破3000亿元,达到3012.7亿元,同比增长34.6%,与2020年相比,增速有所放缓;未来的市场规模将进一步攀升,预计到2024年将达到6122.5亿元。

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图4 2017—2024年中国整体IDC业务市场规模及预测

技术创新

从数据中心的生命周期的视角,可以从设计、建设、使用和维护这4个阶段探讨绿色数据中心的技术发展。

●设计阶段

由于数据中心投入大,建设周期长,同时要考虑绿色节能的相关技术,从经济上考虑,可以使用数字孪生技术模拟系统和设备运行状态;由于数据中心对数据处理和存储能力要求较高,为应对数据不断增长的需要,数据中心的设计还需要考虑扩容性。

●建设阶段

信息技术快速迭代、建筑环保、数据中心交付工期缩短等,使得数据中心建设模式趋向预制模块化。各模块均在工厂预制、预调测,在现场同步搭建。交付时,预制功能模块从工厂运输到施工现场,无需进行大规模土建,只要进行简单吊装及“乐高式”搭建,即可完成数据中心快速建设,相比传统建设方式工期缩短一半,有效减少建设过程中的建筑垃圾、施工用水,同时在生命周期结束后材料回收率高于80%,具有全生命周期绿色低碳的优势。

●使用阶段

数据中心在使用过程中采用多种节能技术,下面分别从IT设备、制冷系统和供配电系统等方面进行分析。

首先,数数据中心的IT设备以路由器、交换机和服务器为主,虚拟化技术可以对多台IT设备进行资源复用,有效利用CPU和带宽。

数据中心的路由器和交换机以框式设备居多,对板卡和设备进行虚拟化可以有效增加逻辑接口,提升服务质量,减少碳排放。

为了减轻机体重量、减少占用空间、提升电源和散热系统的利用率、降低数据中心成本,越来越多的服务器厂商开始研发高密度的服务器。高密度服务器的电源和风扇多以共享方式进行设计,位于同一机箱内的多台服务器节点可以共享电源和风扇。

其次,在数据中心总体能耗中,冷却系统能耗占比仅次于IT设备。数据中心制冷系统是为了保证IT设备运行所需温、湿度环境而建立的配套设施。

高功率密度数据中心将逐渐替代低功率密度数据中心。随着电子信息机房IT设备和供配电系统的高度集成化,传统散热设计将面临瓶颈,液冷技术为数据中心节能提供了新的解决方案。

最后,数据中心供电配电系统用于提供满足设备使用的电压和电流,并保证供电的安全性和可靠性。随着我国信息化进程的不断加快,国家先后出台了一系列引导和鼓励数据中心利用可再生能源的政策。同时,随着我国电力市场化交易机制的完善,企业可以通过绿色电力交易或认购可再生能源绿色电力证书等方式提高可再生能源利用比例。数据中心最大化利用可再生能源赋能数据中心发展,将是数据中心行业可持续发展的重要方向。

●维护阶段

通过智能运维可以有效提高数据中心运维的流程化和标准化,提升管理效率,缩短响应时间,降低人力成本。智能运维以数据为基础、以算法为支撑、以场景为导向,为运维管理提供了智能化解决方案, 实现问题的实时分析和处理,并能够对故障及其成因进行分析。

绿色数据中心发展建议

政策层面

从宏观层面,用政策规范和引导绿色数据中心的发展,提高新建数据中心的能效标准,完善绿色奖励制度,推动东数西算降低数据中心发展的不平衡。

同时推进对存量数据中心的关停改造。《北京市数据中心统筹发展实施方案(2021—2023)》已明确提出,要按照“四个一批”的总体思路推进数据中心的存量优化和新增前瞻布局。

产业层面

《Uptime全球数据中心报告2021》指出,除了用电效率(PUE)、制冷负载系数(CLF)、配电负载系数(PLF)和可再生能源利用率(RER),用水效率(WUE)、资源效率(GUE)、环保效率(CUE)等指标也至关重要,将成为衡量数据中心能耗综合管理能力及绿色程度的崭新评价体系。

可以看出业界数据中心评估标准系统指标各异,亟需完善数据中心能效标准体系和监测体系。2021年5月发布的《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》提出,要完善数据中心综合节能评价标准体系,不仅包括传统的电能使用效率标准,还包括算力使用效率和可再生能源利用率等多项指标,多维度提高数据中心能效利用率。

明确数据中心产业链上下游环节及相关产业,发挥产业链联动效应,打造数据中心绿色产业生态体系。

技术层面

根据中国电子节能技术协会的统计数据显示:2020年全国数据中心总耗电量超1600亿千瓦时。典型数据中心能耗排名前三的是IT设备、制冷系统和供配电系统,分别采用技术创新推进绿色数据中心健康发展,达到1+1+1>3的效果。

针对IT设备,云计算、AI等技术将数据中心资源池化、虚拟化,大幅提高相同能耗水平下服务器的利用率,优化数据中心空间布局。

针对制冷系统,间接蒸发冷却、液冷等新技术已逐渐成熟,可根据需要在数据中心进行大规模部署。通过神经网络算法,采集和分析数据中心温度、湿度等各项数据,自动优化调节制冷系统、供配电系统等,进一步实现数据中戏绿色低碳。

针对供配电系统,模块化UPS、高压直流供电、市电直供等技术的有效应用,将降低供配电系统的电能损耗。结合人工智能技术优化运营管控(例如:中国移动信息港采用机器人室内运维和无人机户外巡检),可有效降低数据中心能耗。数据中心与可再生能源深度融合,将进一步推动绿色数据中心的可持续发展。

在数字经济时代,随着云计算、人工智能、区块链等新一代数字技术应用的广泛普及,数据中心的地位正在从信息基础设施的边缘迈向核心,并成为承载和牵动技术革新的重要底座。未来3~5年,仍将是数据中心的高速发展期。

在碳中和目标和新基建政策的驱动下,绿色数据中心成为必然趋势,可以看出我国数据中心行业在时代的背景下处于挑战与机遇并存的局面,我国绿色数据中心将迎来更大的技术变革,市场规模仍保持持续增长。


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