1.序言

从各种数据表面分析，数据中心无疑是一个“能源消耗大户”。从微观上看，一个超大型数据中心每年消耗近亿度电；从宏观上看，全球数据中心的用电规模为[1]，占全球用电规模的1%。根据中国信息通信研究院（以下简称“信通院”）发布的《数据中心白皮书》，我国数据中心产业年均增长超过30%，有人担心能源数据中心的消费也将快速增长。真的是这样吗？2020年初论文数据“

在一般概念中，只提到功耗的“总量”，而没有提到功耗的“余量”。数据中心耗电量的“总量”看似庞大。事实上，从“边际”来看，数据中心确实在通过努力逐步将其去除。“能耗大”的帽子。《重新校准全球数据中心能耗预估》研究显示，与2010年相比，2018年全球数据中心计算实例增长了550%，而同期全球数据中心能耗仅增长了6%。从每个计算实例来看，自2010年以来，全球数据中心的能源消耗强度每年下降20%，能源消耗效率显着提升。

二、能源消费增长放缓的原因

根据《重新校准全球数据中心能耗预估》和全球发展现状分析，数据中心能耗增速放缓的主要原因有以下三点：

一是积极的政策引导。在全球各个地区的政策引导下，数据中心从传统的小型数据中心向超大规模数据中心转型，有效降低了PUE值。目前，数据中心的规模正在从规模较小的传统数据中心向规模更大、能效更高的超大规模数据中心转变。2010年全球传统小型数据中心规模占计算实例的79%。到 2018 年，全球超大规模数据中心 Scale 占计算实例的 89%。

二是得益于IT设备技术和效率的不断提升。在 2010-2018 年期间，全球服务器效率和虚拟化的增加相结合，降低了每个计算实例所需的功率，导致全球计算实例增加 6 倍，而服务器功耗仅增加 25%；存储驱动器效率 这与密度的增加相结合，导致全球存储容量增加了 25 倍，而存储能量使用仅增加了 3 倍。

三是受益于制冷、供配电等基础设施技术的不断提升。这些基础设施的技术进步显着降低了能源使用量，有效降低了 PUE 值。预计2018年全球数据中心平均PUE约为2010年的75%，得到有效改善。

三、改善能耗的实践

一、政策方面

政策引导数据中心走向规模化、集约化，有效降低能耗。2013年之前，国内数据中心存在过热、盲目、重复建设等问题。同时，国内多数数据中心存在规模小、布局不合理、能效低下等问题。2013年以来，工信部先后联合四部委印发了《关于数据中心建设布局的指导意见》，并滚动更新了《国家数据中心应用发展指南》（中国信息通信研究院云计算与大数据研究所特别支持）等方式。

2013年之前，全国对外服务数据中心的平均PUE在2.5左右，而到2019年底，全国对外服务数据中心的平均PUE接近1.6，实现了质的飞跃。与此同时，数据中心也在朝着规模化、集约化的方向发展。2013年之前，全国大型及以上数据中心数量较少，但到2019年，对外服务型数据中心中，大型及以上数据中心机架规模占比已达70%左右，极大地促进了数据中心能效的提升。

不仅PUE平均水平在优化，我国数据中心最佳PUE也在不断刷新新低。2013年以来，中国信息通信研究院云计算与大数据研究所对多个数据中心进行了PUE测算，PUE表现较好的多为互联网、通信行业的大型数据中心。显然，随着时间的推移，参考数据中心的PUE已经从1.4-1.5区间降低到1.2-1.3区间。

数据中心年均PUE

国际上，以美国公共机构为例，美国政府自2010年起十年内通过了美国联邦数据中心整合倡议（FDCCI）、联邦政府信息技术采购改革法案（）和数据中心优化倡议（DCOI）到2019年，诸如此类的一系列政策措施，减少了7000个数据中心，减少了约50%；近半数大型数据中心的PUE从平均2.0以上优化到1.5以下甚至1.4以下；部分服务器的利用率从5%提高到65%以上。

2、技术上，数据中心供电结构逐步简化，提高用电效率。随着产业规模的快速增长，高压直流电（HVDC）逐渐成为数据中心供电系统的新选择。“高压直流+市电直供”模式组合数据中心能耗管理系统，供电效率可提高至94%-95%。如果采用HVDC离线方式，供电效率可提高到97%以上。目前，高压直流输电已广泛应用于大型互联网企业。由于高压直流输电容量有限等原因，巴拿马电源应运而生。它颠覆了传统的IDC电源架构。将中压10KV交流电直接转换成240V直流电，减少转换次数并缩短当前旅程。与传统双U结构配电相比，节省投资44%，IDC整体投资节省7%以上。

液冷逐渐成为数据中心制冷的新方向，更加节能。随着新兴技术的快速发展，尤其是高性能计算设备和GPU服务器的使用，单机柜的功耗规模将向20kW-30kW甚至更高发展，功率密度的提升对数据中心提出挑战冷却系统。传统的风冷已经无法达到所需的制冷量，液冷逐渐成为数据中心的一种新的制冷方式。液冷方式将液体引向热源带走热量，散热效率更高，更节能。

全机柜服务器支持新技术、新应用，有效降低能耗。天蝎整机柜服务器完成了三代技术演进，实现了服务器供电、散热和系统管理标准化，资源池化，不仅可以提升性能，降低总成本，还可以降低能耗。例如，整柜ARM64服务器，与同配置的X86服务器相比，计算性能提升1-2倍，单节点能耗节省40W；整柜GPU服务器提升2-4倍，时延降低1倍，相比传统GPU服务器性能提升30%，

四。概括

由于计算能力与能耗之间的比例关系，数据中心的高能耗属性不会改变。但是，我们可以通过政策引导和技术创新，实现数据中心的高能效和高质量发展。同时，我们也需要关注数据中心对经济发展的影响。带来了显着的提升。随着数据中心进入新基建序列，社会对数据中心的关注度急剧上升，相关政策紧锣密鼓地研究出台。我们也期待并尽最大努力推动数据中心更多的技术创新。

[1] 数据使用

关于作者

吴美熙，中国信息通信研究院云计算与大数据研究所高级所长。

郭亮，中国信息通信研究院云计算与大数据研究所副总工程师，开放数据中心委员会（ODCC）新技术与测试工作组组长

数据中心能源成本上升：数据中心能源消耗每五年翻一番（美国环境保护署，向众议院提交的报告——关于服务器和数据中心能源效率，公法 109-431，2007 年 8 月 2 日）。能源成本占数据中心总运营成本的50%（这个数据是IBM的估算，得到咨询专家的支持，他们指出如今30%-40%的运营成本与能源有关）。超过一半的 CFO 正在积极寻找降低数据中心功耗的方法（2007 年调查结果）。

对计算的需求不断增长：服务器出货量预计增长六倍，存储设备预计增长 69 倍。（IDC 全球服务器预测）。为了满足需求，超过 66% 到 86% 的公司正在计划扩展数据中心（Trust；Data ，伦敦 DCD，2008 年 11 月和美国 5 月）。60%的企业认为数据中心容量不足阻碍了技术的发展。（市场研究，IT 建设新数据中心，2008 年 1 月）。

数据中心与技术变革不匹配：数据中心严重落后于技术变革的步伐。78%的数据中心运行时间超过7年，技术基础设施陈旧。需求与实际数据中心容量之间的不匹配会导致效率低下和停机。（ Data ，Mike Chuba，2008 年 2 月）。

企业级模块化数据中心的特点和优势（数据）

满足不可预知的业务和IT增长需求：企业级模块化数据中心可由4个5000平方英尺的模块组成，最大可达200​​00平方英尺。与定制化模式相比，企业级模块化数据中心的部署速度可提升25%，并可横向、纵向扩展。如果前期多投入10%，就可以满足四大模块3倍的垂直增长，以及高达12倍的功率和制冷能力提升。

使资本和运营成本支出与信息技术需求相匹配：企业可以根据需要逐步添加模块，从而推迟高达 40% 的资本支出和 50% 的运营成本。

标准化模块支持可预测的数据中心扩展：企业级模块化数据中心通过标准化操作环境增强设施管理。通过提前制造标准化模块数据中心能耗管理系统，可以在不停止运营的情况下实现数据中心扩容。

开放式架构：企业模块化数据中心组件由行业领先的基础设施技术供应商提供——为原始设备制造商 (OEM) 的未来创新创造机会。

移动模块化数据中心的特点和优势（数据）

便携式、功能齐全的交钥匙数据中心：这种功能齐全的“即插即用”数据中心可以在 12 到 14 周内设计、制造并运送到世界任何地方。该解决方案包括数据中心的整个基础设施，如机架、冷却系统、UPS 和电池、灭火系统、配电、冷却系统和远程监控。与定制系统相比，移动模块化数据中心最多可节省 30% 的成本，最多可减少 50% 的空间占用。

移动灵活的计算能力：即插即用功能使数据中心可以快速部署到全球任何地点，重复性设计使设备在多地部署时保持一致性和操作的简单性。模块化设计允许增量增加计算能力，快速扩展当前数据中心，以及安装到远程办公室、临时工作地点或灾区。只需安装电力、供水和通讯连接，即可建立功能齐全的数据中心。

开放架构：行业标准的19英寸机架可以接受多个供应商的支持，一个容器最多可以容纳1,428台刀片服务器或1,178台IBM服务器。

全套IBM服务：移动模块化数据中心提供全套IBM服务，包括数据中心规划设计服务、场地准备服务、安装服务、IT设备移交安装服务、系统启动及测试服务等。IBM应用其业界领先的数据中心设计和制造经验到便携式模块化数据中心。

IBM High Zone 的特性和优势

支持高密度技术：现有精密空调制冷系统最多可支持每个机柜2kW-3kW的制冷需求。但对于每个机架功率高达 30 千瓦的高密度计算环境来说，这还不够。IBM High Zones 可以避免构建新数据中心来支持高密度环​​境的需要。可以安装在当前环境中，形成一个高密度区域，满足高密度计算的需要。IBM 高密度区利用数据中心设计中的最佳技术，使用热/冷走廊配置和紧密配对的冷却技术来实现高冷却能力，同时使用模块化设计来提高能效水平。安装在400平方英尺的高密度区域，最多可支持10个机架，每个机架的能量密度可达12千瓦或25千瓦。（其他尺寸和/或能量密度可通过 IBM 订购）。

即插即用能力：与改造现有数据中心以支持高密度技术相比，这种全基础设施解决方案最多可降低 35% 的成本，并可在 8 到 12 周内完成部署。项目可在数据中心内部无缝实施，并可根据业务增长的需要进行扩容，延长数据中心的使用寿命。

模块化设计减少资本支出：模块化设计使高密度区域可以按需部署，并可以利用数据中心现有的冷却水和电力无缝集成到现有数据中心。可以根据业务需要配置或重新配置高密度区域。

关于 IBM 技术合作伙伴

公司：是通信产品、电子和电缆、紧固件和其他小型组件（C 级库存组件）原始设备制造商的全球领先分销商。公司通过为客户提供 1) 创新的库存管理，2) 超过 350,000 件库存商品，价值 9 亿美元，3) 220 个仓库，总面积超过 550 万平方英尺，以及 4) 在 49 个国家/地区的 247 个城市设有办事处，从而为分销流程增加价值国家。

伊顿公司：伊顿的电气业务在全球处于领先地位，其产品包括电源控制、配电、不间断电源和工业控制产品和服务。伊顿的全球品牌，包括 -®、®、Ho​​lec® 和 MEM®，提供管理解决方案以满足多个行业的电力系统需求，包括全球工业、机构、政府、电力、商业、住宅、IT、高性能计算和 OEM市场。伊顿是全球领先的综合电能质量和备用电源管理解决方案供应商。伊顿的解决方案提供“五个九”的可用性，涵盖当今最广泛的电能质量产品和服务。

艾默生网络能源：艾默生的一个业务部门，艾默生网络能源是 - ™ 的全球领导者。它提供灵活、高效和极其可靠的解决方案来保护和支持核心业务技术系统。艾默生网络能源的解决方案可以提供动态的核心基础设施，帮助企业快速应对技术和业务环境的变化。其结果是更大的运营灵活性、增强的业务连续性以及降低的资本设备和运营成本。艾默生网络能源帮助为小型、中型和高密度数据中心提供核心电源和冷却解决方案。这些解决方案将备用电源、配电、机架、冷却和监控系统与支持业务连续性需求的核心基础设施集成在一起，同时帮助企业快速响应和管理变化。

GE ：GE 提供一系列环保解决方案，可提高数据中心能源效率并降低总体运营成本。尽管照明仅占数据中心总能耗的 4%，但许多数据中心仍在使用过时、低效的线性荧光灯。通用电气是初级电器、照明和集成工业设备、系统和服务领域的全球行业领导者。其解决方案用于 100 多个国家的商业、工业和住宅应用。

APC by ：APC 和 MGE UPS 最近合并为 APC by 的核心电力和制冷服务部门。APC 和 MGE 解决方案包括不间断电源 (UPS)、精密冷却、机架以及设计和管理软件，包括业界唯一的集成电源、冷却和管理解决方案。凭借业界最广泛的服务组织和领先的研发投资，该公司的 12,000 名员工帮助客户解决最棘手的电源、冷却和管理挑战。

IBM 致力于保持数据中心领先地位

IBM 在全球的数据中心采用最先进的绿色节能技术。正在进行的项目包括：

德国——IBM位于法兰克福的数据中心具有IT和设备安全性和基础设施可靠性，其灾难恢复功能可以满足BaFin和-Oxley Act的要求。该中心是半地下的，最大限度地利用土地，同时获得安全和更好的冷却。所有设施尽量分开设置，同时可以保证所有IT服务的同步连接，包括应用和数据库的跨区域共享。IBM 位于法兰克福的数据中心率先使用“绿色”技术，包括混合冷却塔、多速冷冻水泵和空气处理系统、热回收系统、雨水回收和使用动态能量存储的创新飞轮动力回收系统，以取代标准铅酸电池，

法国——IBM 的蒙彼利埃数据中心为欧洲的 150 多家客户提供服务。目前，该中心正在扩建至 50,000 平方英尺，并将采用绿色创新技术，包括在屋顶布线中使用低压信号，以及实施冷/热走廊配置以改善冷却循环并降低能源费用。该中心最近获得了信息安全管理和使用集成模型有效提供管理服务的认证。

日本——IBM 的数据中心使用“绿色”技术，包括自然冷却和热/冷走廊。该中心率先开展了两个使用 IBM 后门加热系统 (RDHX) 的创新项目。RDHX使用了两种不同的概念，IBM开发的水冷系统和三洋于2007年10月推出的冷却泵技术。与在服务器机房安装新空调相比，这些技术将显着提高服务器冷却性能。由于独特的地震环境，该中心建在浮动地面上，使数据中心在地震期间仍能继续运行。