數(shù)據(jù)中心充滿了計算和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是收集、存儲和處理數(shù)據(jù)的中心。隨著信息世界越來越依賴數(shù)據(jù)密集型技術(shù)，數(shù)據(jù)中心的能源使用也日益受到關(guān)注。
如果全世界正在使用越來越多的數(shù)據(jù)，那么它肯定會越來越消耗能源，但一項迄今為止最全面的分析顯示，事實(shí)并非如此。
論文頁面截圖（來源：Science 官網(wǎng)）
今天凌晨，Science 雜志發(fā)表了美國西北大學(xué)和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的最新研究成果，為了能夠較為科學(xué)準(zhǔn)確地探究數(shù)據(jù)中心能源使用情況，研究人員開發(fā)了迄今為止最詳細(xì)的全球數(shù)據(jù)中心能源使用模型。
通過該模型研究人員發(fā)現(xiàn)，過去十年全球數(shù)據(jù)中心的能耗使用比人們想象中的要少很多，盡管對數(shù)據(jù)的需求在迅速增加，但在過去十年中數(shù)據(jù)中心的大量能效提升使能源使用保持了大致平穩(wěn)的水平。
全球數(shù)據(jù)中心能耗趨勢（來源：Science）
同時，研究人員也表示，研究結(jié)果并不意味著 IT 行業(yè)和政策制定者可以高枕無憂，該團(tuán)隊希望通過該模型的發(fā)布，來激發(fā)大家對數(shù)據(jù)中心能源消耗問題的更多研究。研究人員還基于他們的研究成果，提出了三種特定類型政策建議，以幫助減少未來數(shù)據(jù)中心能源使用的增長。
永無止境的數(shù)據(jù)中心能耗
數(shù)據(jù)中心的核心功能在于實(shí)現(xiàn)信息集中存儲、傳輸、交換。它的基本單位是服務(wù)器，若干服務(wù)器又組成一個機(jī)架，需求不同，數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)量各異。與傳統(tǒng)能耗單元不同，數(shù)據(jù)中心 24 小時「連軸轉(zhuǎn)」，晝夜不停地運(yùn)行。
由于其強(qiáng)大算力，數(shù)據(jù)中心已成為現(xiàn)代計算基礎(chǔ)架構(gòu)不可或缺的一部分，越來越多的企業(yè)開始向數(shù)據(jù)中心尋求托管服務(wù)和云計算解決方案。
與水泥、冶金等傳統(tǒng)高耗能行業(yè)逐步進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期、能耗難以再現(xiàn)飛躍形成鮮明對比的是，數(shù)據(jù)中心作為新興產(chǎn)業(yè)，其用電量隨著業(yè)務(wù)擴(kuò)容而加速增長的趨勢非常明顯，預(yù)計數(shù)據(jù)中心的數(shù)量將在未來兩到五年內(nèi)顯著增長。
數(shù)據(jù)中心內(nèi)部
隨著如此多新數(shù)據(jù)中心的面世，雖然在可持續(xù)能源解決方案方面有了創(chuàng)新性的發(fā)展，但現(xiàn)有情況是無論小型還是大型數(shù)據(jù)中心都消耗了大量電力，有必要考慮數(shù)據(jù)中心能耗的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)。
調(diào)查顯示，僅 2017 年美國的數(shù)據(jù)中心就消耗了超過 900 億千瓦時的電量，需要 34 家大型燃煤電廠發(fā)電，才能滿足美國這些數(shù)據(jù)中心的電力需求。
在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心的功耗總計約 416 太瓦，約占地球發(fā)電總量的 3％。通過對比發(fā)現(xiàn)，全球數(shù)據(jù)中心的能耗比英國這個擁有 6500 萬人口的工業(yè)化國家的能耗高 40％。
數(shù)據(jù)中心目前已經(jīng)消耗了大量的能源，并且隨著每年建造更多設(shè)施，這種情況只會在未來繼續(xù)增加。由于全球 80％的能源仍由化石燃料產(chǎn)生，因此不斷增長的電力需求可能會成為一個問題。
降耗手段極為有限
在數(shù)據(jù)中心能耗不斷增加的背景上，中國近年來專門推出了一項衡量數(shù)據(jù)中心能效水平的評價指標(biāo)——電能使用效率值（PUE）。該指標(biāo)由數(shù)據(jù)中心設(shè)備總能耗除以信息設(shè)備能耗得出，基準(zhǔn)值為 2，數(shù)值越接近 1，意味著能源利用效率越高。
2019 年 2 月，工信部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局出臺《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要求到 2022 年，「數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的 PUE 達(dá)到 1.4 以下」。
但對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的改造并非易事。對數(shù)據(jù)中心而言，信息設(shè)備能耗屬于無法壓減的能耗，因?yàn)樵缭谫徺I服務(wù)器時就已確定基礎(chǔ)能耗，只有通過更先進(jìn)的制造工藝才能實(shí)現(xiàn)節(jié)電。現(xiàn)有措施更適用于冷卻等輔助環(huán)節(jié)的降耗，核心設(shè)備的降耗手段極為有限。
也正由于現(xiàn)有措施未能觸及核心問題，節(jié)能降耗的實(shí)際效果相當(dāng)有限。根據(jù)《中國能源報》的相關(guān)報道，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會信息通信專業(yè)委員會副主任委員曲海峰認(rèn)為：「數(shù)據(jù)中心運(yùn)營周期動輒 8—10 年，能耗管理不是一朝一夕的事?！?
而目前，對于能耗的事前評估、事中監(jiān)測及事后審計，尚無專門的主管部門負(fù)責(zé)，審核機(jī)制也是一片空白；哪怕是「最懂能耗」的能源行業(yè)，目前也未真正參與進(jìn)來，對數(shù)據(jù)中心特性、運(yùn)營并不夠了解，「更多還只是站在行業(yè)外看問題」。
因此建立相應(yīng)的模型研究能耗問題變得尤為重要。詳細(xì)并全面的模型提供有關(guān)數(shù)據(jù)中心能源使用及其驅(qū)動因素的更細(xì)致入微的視圖，能夠使研究人員提出戰(zhàn)略性政策建議，以便將來更好地管理能源使用。
數(shù)據(jù)中心能耗的未來
倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家 Arman Shehabi 表示：「考慮到數(shù)據(jù)中心是快速發(fā)展的能源密集型行業(yè)，我們確實(shí)需要對其進(jìn)行嚴(yán)格的分析。較為不詳細(xì)的分析預(yù)測了數(shù)據(jù)中心能源使用的快速增長，但是沒有充分考慮行業(yè)所取得的歷史效率進(jìn)步。當(dāng)我們把缺失的部分包括在內(nèi)時，我們的數(shù)字生活方式就會出現(xiàn)不同的景象?！?
為了描繪出更完整的圖景，研究人員整合了來自眾多來源的新數(shù)據(jù)，包括有關(guān)數(shù)據(jù)中心設(shè)備庫存、效率趨勢和市場結(jié)構(gòu)的信息。生成的模型可以詳細(xì)分析數(shù)據(jù)中心設(shè)備（例如服務(wù)器，存儲設(shè)備和冷卻系統(tǒng)）和數(shù)據(jù)中心的類型（包括云和超大規(guī)模中心）以及按世界區(qū)域使用的能源。
在計算需求翻倍的情況下，歷史能源使用量和預(yù)計能源使用量（來源Science）
研究人員得出的結(jié)論是，數(shù)據(jù)中心近年來取得的效率提升，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在全球經(jīng)濟(jì)其他主要部門觀察到的效率提升。
不過，領(lǐng)導(dǎo)這項研究的 Eric Masanet 表示：「盡管數(shù)據(jù)中心在效率方面的歷史性進(jìn)步令人矚目，但我們的研究結(jié)果并不意味著 IT 行業(yè)和政策制定者可以高枕無憂。我們認(rèn)為仍然有足夠的剩余效率潛力可以持續(xù)數(shù)年，但不斷增長的數(shù)據(jù)需求意味著每個人——包括政策制定者、數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商、設(shè)備制造商和數(shù)據(jù)消費(fèi)者——必須加緊努力減緩未來十年能源使用量可能出現(xiàn)的大幅上升?！?
Masanet 還表示：「我們希望為數(shù)據(jù)中心行業(yè)、政策制定者和公眾提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)中心能耗信息。但是現(xiàn)實(shí)是，需要做更多的工作來更好地監(jiān)控能源使用情況，這就是為什么我們公開提供我們的模型和數(shù)據(jù)集的原因。」
服務(wù)器
通過發(fā)布該模型，該團(tuán)隊希望能激發(fā)對該領(lǐng)域的更多研究。研究人員還將他們的研究成果轉(zhuǎn)化為三種特定類型的政策，這些政策可以幫助減輕未來能源使用的增長，敦促政策制定者立即采取行動：
通過加強(qiáng) IT 能源標(biāo)準(zhǔn)，提供財政激勵措施和傳播最佳能效實(shí)踐，來延長當(dāng)前能效趨勢的壽命；
增加對下一代計算、存儲和散熱技術(shù)的研發(fā)投資，以減少未來的能源使用，同時鼓勵可再生能源的使用，以減少碳排放；
投資于數(shù)據(jù)收集、建模和監(jiān)控活動，以消除盲點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)中心能源政策決策。
論文地址：
https://science.sciencemag.org/content/367/6481/984
參考資料：
https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-02/nu-dcu022420.php
http://www.cnenergynews.cn/sylb/tj/201907/t20190724_756206.html
