能耗大戶如何節(jié)能降碳？看看清華大學(xué)和英特爾怎么做
數(shù)據(jù)中心是“耗能大戶”，也是節(jié)能降碳的核心發(fā)力領(lǐng)域之一。PUE值就是衡量數(shù)據(jù)中心能耗水平的重要指標(biāo)，PUE值越接近1，表示一個(gè)數(shù)據(jù)中心的能效水平越好，綠色化程度越高。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)作為數(shù)據(jù)中心的重要組成，在節(jié)能降耗方面的挑戰(zhàn)不斷加劇。據(jù)IDC測(cè)算，2025年全球數(shù)據(jù)年產(chǎn)生量將達(dá)到2020年的3倍，中國(guó)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量將達(dá)到48.6ZB，占全球27.8%。在滿足海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的同時(shí)，存儲(chǔ)平臺(tái)規(guī)模快速擴(kuò)張，耗電量也將隨之大幅增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施如何降耗節(jié)能成為業(yè)界關(guān)注的重要議題。
數(shù)據(jù)中心成能耗“大戶”
近日，中國(guó)移動(dòng)董事長(zhǎng)楊杰在今年兩會(huì)期間著重談及了“數(shù)據(jù)中心碳排放管理和政策優(yōu)化”，說(shuō)白了也就是如何應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心耗電的問(wèn)題。
楊杰表示，據(jù)生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)顯示，2021年全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量達(dá)2166億度，約占全國(guó)總耗電量的2.6%；碳排放量1.35億噸，占全國(guó)總排放量的1.14%。這一數(shù)據(jù)看上去并不大，但與家庭用電、工業(yè)生產(chǎn)用電等用電大戶相比，數(shù)據(jù)中心已占到總量的2.6%，其實(shí)是相當(dāng)驚人的。
去年，時(shí)任中國(guó)電信集團(tuán)副總經(jīng)理劉桂清在一次采訪中就直接坦言，“數(shù)據(jù)中心定位為高能耗產(chǎn)業(yè)，以中國(guó)電信為例，2021年數(shù)據(jù)中心耗電達(dá)到56億度，占總耗電量的20%。”
一直以來(lái)，數(shù)據(jù)中心都作為耗電“大戶”存在。早在2016年我國(guó)數(shù)據(jù)中心的總耗電量就已超過(guò)1200億千瓦時(shí)，而同年三峽大壩的全年發(fā)電總量不過(guò)才1000億千瓦時(shí)左右，也就是說(shuō)那時(shí)候數(shù)據(jù)中心的耗電情況就非常驚人。
近年來(lái)，隨著數(shù)字化經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，對(duì)于數(shù)字轉(zhuǎn)型需求更大，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)速度越來(lái)越快，承載更多的處理任務(wù)，其算力和功率都在不斷攀升，這也意味著能耗也在不斷增加。
數(shù)據(jù)中心的重要性
但數(shù)據(jù)中心作為基礎(chǔ)設(shè)施、計(jì)算機(jī)場(chǎng)地、信息系統(tǒng)軟件和信息資源等組成的實(shí)體，屬于重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。其職責(zé)是進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸、整合以及分析等，為萬(wàn)千行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)，可見(jiàn)其重要性。
楊杰也認(rèn)為，與其他產(chǎn)業(yè)不同，數(shù)據(jù)中心所消耗的能源，不僅為自身創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)也為運(yùn)行其上的各行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用貢獻(xiàn)了大量經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有“傳導(dǎo)溢出效應(yīng)”。根據(jù)國(guó)家信息中心測(cè)算，數(shù)據(jù)中心每消耗1噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可直接貢獻(xiàn)產(chǎn)值1.1萬(wàn)元，同時(shí)可帶動(dòng)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化增加值88.8萬(wàn)元，并通過(guò)支撐各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，間接產(chǎn)生360.5萬(wàn)元的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化增加值。
所以，越來(lái)越多的地方都希望能夠建設(shè)更多的數(shù)據(jù)中心用以轉(zhuǎn)型發(fā)展。自去年“東數(shù)西算”工程啟動(dòng)以來(lái)，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地啟動(dòng)建設(shè)國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，并規(guī)劃了10個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群。
三大運(yùn)營(yíng)商也在各地加速落地?cái)?shù)據(jù)中心的建設(shè)，但能耗問(wèn)題依然成為最大的難題。
清華AIR與英特爾組隊(duì)分享心法
3月6日，清華大學(xué)智能產(chǎn)業(yè)研究院（AIR）、英特爾公司基于“雙碳”的“綠色計(jì)算”暨數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化技術(shù)研討會(huì)在北京舉行。
清華大學(xué)智能產(chǎn)業(yè)研究院院長(zhǎng)張亞勤談道，隨著AI（人工智能）發(fā)展，數(shù)據(jù)中心需要越來(lái)越強(qiáng)的算力，越來(lái)越大的模型需要建立大型數(shù)據(jù)中心和大的算力網(wǎng)絡(luò)。因此，在“雙碳”的背景下，清華AIR的一個(gè)重要研究方向就是將行業(yè)產(chǎn)生的碳排放降下來(lái)，用AI讓計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸工具變得越來(lái)越高效、越來(lái)越綠色，對(duì)產(chǎn)業(yè)、對(duì)整個(gè)社會(huì)都是一個(gè)大的課題。
1、AI+IoT助力“碳中和”，新興數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策優(yōu)化方法潛力巨大
AIR助理研究員詹仙園發(fā)表以《面向綠色計(jì)算場(chǎng)景的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策優(yōu)化》為題的演講。他介紹了清華AIR在高性能、高泛化以及不完美獎(jiǎng)勵(lì)下的離線策略優(yōu)化方面的最新算法研究成果，以及離線強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法在火力發(fā)電燃燒控制優(yōu)化，并分享了與英特爾合作的數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化合作中的進(jìn)展，最后基于AI+IoT（物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)在綠色計(jì)算方面的潛力進(jìn)行了展望。
“碳中和”是人類能源結(jié)構(gòu)的又一次變革，既是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展大機(jī)遇。在“碳中和”背景下，傳統(tǒng)工業(yè)、能源，以及新興的數(shù)據(jù)中心等高能耗產(chǎn)業(yè)面臨著日益嚴(yán)峻的節(jié)能減排提效降耗壓力。
提升相關(guān)系統(tǒng)的決策控制水平，不僅具有重要的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，也對(duì)國(guó)家節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)決策優(yōu)化方法由于建模能力有限，或者過(guò)分依賴仿真建模、業(yè)務(wù)知識(shí)和人類專家經(jīng)驗(yàn)，瓶頸日益凸顯。這些問(wèn)題導(dǎo)致傳統(tǒng)決策優(yōu)化方法在真實(shí)場(chǎng)景中不再適用。
未來(lái)決策優(yōu)化的思路包括代替人類專家經(jīng)驗(yàn)、降低落地成本、研發(fā)可跨領(lǐng)域復(fù)用的算法等。以離線強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表的新興數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策優(yōu)化方法，在解決真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)決策優(yōu)化問(wèn)題方面具有巨大的潛力。
清華大學(xué)智能產(chǎn)業(yè)研究院跟英特爾合作，正在研究把數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策優(yōu)化的方法用到高能耗數(shù)據(jù)中心聯(lián)合優(yōu)化上。因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)本身非常復(fù)雜，同時(shí)又有很多的數(shù)據(jù)，只靠建仿真不太現(xiàn)實(shí)，所以采用了一套分層離線強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架去解決問(wèn)題，在上層會(huì)著重考慮IT系統(tǒng)能耗方面的優(yōu)化，在下層則去做冷卻系統(tǒng)跟上層的IT系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)行匹配，在滿足負(fù)載和溫度要求的情況下，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)本身的節(jié)能優(yōu)化。使用這樣的模型進(jìn)行控制之后，數(shù)據(jù)中心溫場(chǎng)的變化相對(duì)平穩(wěn)很多。
2、英特爾的“綠菜單”：12種維度讓數(shù)據(jù)中心更節(jié)能
英特爾中國(guó)綠色數(shù)據(jù)中心與可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目組經(jīng)理彭振飛發(fā)表了主題為《英特爾綠色數(shù)據(jù)中心與可持續(xù)發(fā)展近況》的演講。
綠色計(jì)算涉及國(guó)際民生，也影響行業(yè)的發(fā)展。英特爾的愿景是從制造到產(chǎn)品再到解決方案，推動(dòng)打造更可持續(xù)的計(jì)算產(chǎn)業(yè)，包括通過(guò)可持續(xù)制造和供應(yīng)鏈合作伙伴關(guān)系減少英特爾的碳足跡；通過(guò)跨芯片、平臺(tái)和軟件，設(shè)計(jì)更可持續(xù)的產(chǎn)品，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展；在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中協(xié)作、指定標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建可擴(kuò)展、可持續(xù)的解決方案。
2022年，為減少數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在使用過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，英特爾面向中國(guó)市場(chǎng)發(fā)布了“英特爾中國(guó)綠色數(shù)據(jù)中心技術(shù)框架1.0”（簡(jiǎn)稱“綠菜單”），從XPU層、服務(wù)器層、機(jī)架基層和數(shù)據(jù)中心層，以及高能效與高功率密度、先進(jìn)的散熱技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施智能化等12種維度，幫助合作伙伴和客戶讓數(shù)據(jù)中心變得更加綠色。
此外，液冷技術(shù)能夠幫助數(shù)據(jù)中心適應(yīng)極端環(huán)境，也可以把PUE（電源使用效率）進(jìn)一步降到1.1以下，甚至是1.03。液冷分為浸沒(méi)式和冷板式，2022年，英特爾跟21家上下游合作伙伴一起共同合作，發(fā)布了《綠色數(shù)據(jù)中心創(chuàng)新實(shí)踐——冷板液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考》白皮書(shū)，希望通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化降低整個(gè)生態(tài)的入門門檻，突破系統(tǒng)功耗限制，降低成本，讓解決方案加速落地。
數(shù)據(jù)中心刷新“綠色標(biāo)準(zhǔn)”
隨著我國(guó)數(shù)據(jù)中心規(guī)模和能耗總量不斷壯大，數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展已成為工業(yè)綠色發(fā)展的重要組成部分?！敖陙?lái)，我國(guó)積極推進(jìn)數(shù)據(jù)中心能效提升，先后創(chuàng)建3批次共153家國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心，綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)取得積極成效?！惫ば挪抗?jié)能與綜合利用司有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹。
數(shù)據(jù)中心能效水平持續(xù)提升。2021年度國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心電能利用效率(PUE)平均值已降低至1.3。其中，環(huán)首都·太行山能源信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地、數(shù)據(jù)港—阿里巴巴張北中都草原數(shù)據(jù)中心等數(shù)據(jù)中心年均PUE已低于1.2，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，有效帶動(dòng)行業(yè)持續(xù)提升能效水平。目前，全國(guó)規(guī)劃在建的大型以上數(shù)據(jù)中心平均設(shè)計(jì)電能利用效率已降至1.3。
能源利用綠色轉(zhuǎn)型步伐加快。通過(guò)市場(chǎng)化綠色電力交易、因地制宜建設(shè)分布式可再生能源電站等方式，國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心可再生能源電力平均利用率由2018年的15%提升至目前的30%以上。在靈丘縣，環(huán)首都·太行山能源信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地采用當(dāng)?shù)匕l(fā)配電企業(yè)、儲(chǔ)能電站和秦淮數(shù)據(jù)三方約定“基地直供電”模式，實(shí)現(xiàn)100%綠色電力應(yīng)用。在江蘇儀征，騰訊儀征東升云計(jì)算數(shù)據(jù)中心在機(jī)房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，總裝機(jī)容量約1.3萬(wàn)千瓦，年均消納可再生能源電力超過(guò)1210萬(wàn)千瓦時(shí)。
作為數(shù)據(jù)處理所需算力的載體，數(shù)據(jù)中心已成為支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。為進(jìn)一步引導(dǎo)我國(guó)數(shù)據(jù)中心高效、低碳、集約、循環(huán)發(fā)展，近日，工信部會(huì)同國(guó)家發(fā)改委等部門啟動(dòng)2022年度國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心推薦工作，擬在生產(chǎn)制造、電信、互聯(lián)網(wǎng)、公共機(jī)構(gòu)等數(shù)據(jù)中心重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，遴選一批能效水平高且綠色低碳、布局合理、技術(shù)先進(jìn)、管理完善、代表性強(qiáng)的國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心。
值得注意的是，此次國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了較大調(diào)整，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心行業(yè)綠色發(fā)展水平基礎(chǔ)上，為未來(lái)一段時(shí)間數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展提供了具體路徑。
在能源利用方面，進(jìn)一步提高對(duì)電能利用效率評(píng)價(jià)基準(zhǔn)的同時(shí)，大幅引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心提高可再生能源電力利用水平。應(yīng)用可再生能源電力已成為綠色數(shù)據(jù)中心的一個(gè)重要標(biāo)志。
在算力能效方面，不僅將數(shù)據(jù)中心信息設(shè)備的能效管理納入評(píng)價(jià)要求，還鼓勵(lì)利用智能化管控手段實(shí)現(xiàn)算力設(shè)施與數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行聯(lián)動(dòng)節(jié)能。
在科學(xué)布局方面，鼓勵(lì)在風(fēng)光資源富集、氣候適宜的地區(qū)布局建設(shè)，鼓勵(lì)在已批復(fù)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)內(nèi)建設(shè)，鼓勵(lì)集約建設(shè)?？茖W(xué)布局和集約發(fā)展已成為數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的重要組成部分。目前，不少數(shù)據(jù)中心企業(yè)正在“東數(shù)西算”工程八大節(jié)點(diǎn)十大集群地區(qū)加快布局建設(shè)。
根據(jù)《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)計(jì)“十四五”期間，數(shù)據(jù)中心算力年均增幅將達(dá)27%，數(shù)據(jù)中心規(guī)模仍將保持較快增長(zhǎng)，其能源利用規(guī)模也將相應(yīng)增加。
