能耗大戶如何節(jié)能降碳？看看清華大學和英特爾怎么做
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，PUE值越接近1，表示一個數(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測算，2025年全球數(shù)據(jù)年產(chǎn)生量將達到2020年的3倍，中國產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量將達到48.6ZB，占全球27.8%。在滿足海量數(shù)據(jù)存儲需求的同時，存儲平臺規(guī)模快速擴張，耗電量也將隨之大幅增長，數(shù)據(jù)存儲基礎(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，中國移動董事長楊杰在今年兩會期間著重談及了“數(shù)據(jù)中心碳排放管理和政策優(yōu)化”，說白了也就是如何應(yīng)對數(shù)據(jù)中心耗電的問題。
楊杰表示，據(jù)生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)顯示，2021年全國數(shù)據(jù)中心耗電量達2166億度，約占全國總耗電量的2.6%；碳排放量1.35億噸，占全國總排放量的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%，其實是相當驚人的。
去年，時任中國電信集團副總經(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)，以中國電信為例，2021年數(shù)據(jù)中心耗電達到56億度，占總耗電量的20%?！?/span>
一直以來，數(shù)據(jù)中心都作為耗電“大戶”存在。早在2016年我國數(shù)據(jù)中心的總耗電量就已超過1200億千瓦時，而同年三峽大壩的全年發(fā)電總量不過才1000億千瓦時左右，也就是說那時候數(shù)據(jù)中心的耗電情況就非常驚人。
近年來，隨著數(shù)字化經(jīng)濟的加速發(fā)展，對于數(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、計算機場地、信息系統(tǒng)軟件和信息資源等組成的實體，屬于重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。其職責是進行數(shù)據(jù)信息的傳輸、整合以及分析等，為萬千行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)，可見其重要性。
楊杰也認為，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)濟價值，同時也為運行其上的各行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用貢獻了大量經(jīng)濟價值，具有“傳導(dǎo)溢出效應(yīng)”。根據(jù)國家信息中心測算，數(shù)據(jù)中心每消耗1噸標準煤，可直接貢獻產(chǎn)值1.1萬元，同時可帶動數(shù)字產(chǎn)業(yè)化增加值88.8萬元，并通過支撐各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，間接產(chǎn)生360.5萬元的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化增加值。
所以，越來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”工程啟動以來，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模進一步擴大，在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地啟動建設(shè)國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃了10個國家數(shù)據(jù)中心集群。
三大運營商也在各地加速落地數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，但能耗問題依然成為最大的難題。
清華AIR與英特爾組隊分享心法
3月6日，清華大學智能產(chǎn)業(yè)研究院（AIR）、英特爾公司基于“雙碳”的“綠色計算”暨數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化技術(shù)研討會在北京舉行。
清華大學智能產(chǎn)業(yè)研究院院長張亞勤談道，隨著AI（人工智能）發(fā)展，數(shù)據(jù)中心需要越來越強的算力，越來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的一個重要研究方向就是將行業(yè)產(chǎn)生的碳排放降下來，用AI讓計算、存儲、傳輸工具變得越來越高效、越來越綠色，對產(chǎn)業(yè)、對整個社會都是一個大的課題。
1、AI+IoT助力“碳中和”，新興數(shù)據(jù)驅(qū)動決策優(yōu)化方法潛力巨大
AIR助理研究員詹仙園發(fā)表以《面向綠色計算場景的數(shù)據(jù)驅(qū)動決策優(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勵下的離線策略優(yōu)化方面的最新算法研究成果，以及離線強化學習方法在火力發(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)化合作中的進展，最后基于AI+IoT（物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)在綠色計算方面的潛力進行了展望。
“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)價值，也對國家節(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，或者過分依賴仿真建模、業(yè)務(wù)知識和人類專家經(jīng)驗，瓶頸日益凸顯。這些問題導(dǎo)致傳統(tǒng)決策優(yōu)化方法在真實場景中不再適用。
未來決策優(yōu)化的思路包括代替人類專家經(jīng)驗、降低落地成本、研發(fā)可跨領(lǐng)域復(fù)用的算法等。以離線強化學習為代表的新興數(shù)據(jù)驅(qū)動決策優(yōu)化方法，在解決真實復(fù)雜系統(tǒng)決策優(yōu)化問題方面具有巨大的潛力。
清華大學智能產(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。因為這個系統(tǒng)本身非常復(fù)雜，同時又有很多的數(shù)據(jù)，只靠建仿真不太現(xiàn)實，所以采用了一套分層離線強化學習框架去解決問題，在上層會著重考慮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)度進行匹配，在滿足負載和溫度要求的情況下，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)本身的節(jié)能優(yōu)化。使用這樣的模型進行控制之后，數(shù)據(jù)中心溫場的變化相對平穩(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
英特爾中國綠色數(shù)據(jù)中心與可持續(xù)發(fā)展項目組經(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。
綠色計算涉及國際民生，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，推動打造更可持續(xù)的計算產(chǎn)業(yè)，包括通過可持續(xù)制造和供應(yīng)鏈合作伙伴關(guān)系減少英特爾的碳足跡；通過跨芯片、平臺和軟件，設(shè)計更可持續(xù)的產(chǎn)品，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展；在整個生態(tài)系統(tǒng)中協(xié)作、指定標準，構(gòu)建可擴展、可持續(xù)的解決方案。
2022年，為減少數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在使用過程中產(chǎn)生的碳排放，英特爾面向中國市場發(fā)布了“英特爾中國綠色數(shù)據(jù)中心技術(shù)框架1.0”（簡稱“綠菜單”），從XPU層、服務(wù)器層、機架基層和數(shù)據(jù)中心層，以及高能效與高功率密度、先進的散熱技術(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）進一步降到1.1以下，甚至是1.03。液冷分為浸沒式和冷板式，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)新實踐——冷板液冷系統(tǒng)設(shè)計參考》白皮書，希望通過標準化降低整個生態(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“綠色標準”
隨著我國數(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?，我國積極推進數(shù)據(jù)中心能效提升，先后創(chuàng)建3批次共153家國家綠色數(shù)據(jù)中心，綠色低碳轉(zhuǎn)型升級取得積極成效?！惫ば挪抗?jié)能與綜合利用司有關(guān)負責人介紹。
數(shù)據(jù)中心能效水平持續(xù)提升。2021年度國家綠色數(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，達到國際先進水平，有效帶動行業(yè)持續(xù)提升能效水平。目前，全國規(guī)劃在建的大型以上數(shù)據(jù)中心平均設(shè)計電能利用效率已降至1.3。
能源利用綠色轉(zhuǎn)型步伐加快。通過市場化綠色電力交易、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?shù)匕l(fā)配電企業(yè)、儲能電站和秦淮數(shù)據(jù)三方約定“基地直供電”模式，實現(xiàn)100%綠色電力應(yīng)用。在江蘇儀征，騰訊儀征東升云計算數(shù)據(jù)中心在機房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，總裝機容量約1.3萬千瓦，年均消納可再生能源電力超過1210萬千瓦時。
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。為進一步引導(dǎo)我國數(shù)據(jù)中心高效、低碳、集約、循環(huán)發(fā)展，近日，工信部會同國家發(fā)改委等部門啟動2022年度國家綠色數(shù)據(jù)中心推薦工作，擬在生產(chǎn)制造、電信、互聯(lián)網(wǎng)、公共機構(gòu)等數(shù)據(jù)中心重點應(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、管理完善、代表性強的國家綠色數(shù)據(jù)中心。
值得注意的是，此次國家綠色數(shù)據(jù)中心評價指標體系進行了較大調(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，為未來一段時間數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展提供了具體路徑。
在能源利用方面，進一步提高對電能利用效率評價基準的同時，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)中心的一個重要標志。
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價要求，還鼓勵利用智能化管控手段實現(xiàn)算力設(shè)施與數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施進行聯(lián)動節(jié)能。
在科學布局方面，鼓勵在風光資源富集、氣候適宜的地區(qū)布局建設(shè)，鼓勵在已批復(fù)國家樞紐節(jié)點內(nèi)建設(shè)，鼓勵集約建設(shè)。科學布局和集約發(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“十四五”期間，數(shù)據(jù)中心算力年均增幅將達27%，數(shù)據(jù)中心規(guī)模仍將保持較快增長，其能源利用規(guī)模也將相應(yīng)增加。
