随着“双碳”目标的提出,我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,争取2060年前实现碳中和,充分展现了我国应对气候变化的坚定决心,同时给我国经济结构和经济社会运转方式带来了深刻变革。伴随着数字经济的发展,作为数字经济重要的底层支撑的数据中心,也在近几年迎来发展的黄金时期,保持平均每年30%左右的增速。
　　
　　与此同时,数据中心产业高能耗引发国家、电力、地方政府关注,数据中心持续发展如何顺应碳排放的目标,推动数据中心绿色可持续发展,成为数据中心投资、建设、运维者面临的新课题。本文从数据中心有没有双碳路线图和目标、数据中心PUE空间、数据中心的碳排放主战场以及ESG对数据中心双碳的贡献四个层面进行分析和探讨,个人观点,仅供参考。
　　
　　一、数据中心双碳路线图或目标
　　
　　1、理性看待数据中心的需求增长的趋势
　　
　　21世纪是信息化时代,信息化、大数据、AI和数字化的全面转型和升级,不断增长的服务器依赖数据中心的基础的支撑,同时也推动数字经济的发展,从2020年国家的统计数据,数据中心创造的经济价值占GDP的36%,因此数字经济将继续推动数据中心的发展。那么数据中心的增长量和趋势在哪里,目前主要还是从经济、科技和新技术的发展宏观预测,实际上应该看到数据中心承载的服务器,数据中心的增长量和趋势应该看服务器销量和在线运行服务器的存量。图1和图2分别给出了从2014年至2020年全球和我国服务器的年销量数据。
　　

   
　　从全球和我国服务器的销量可以看到服务器的年增长量在10%左右,还应该看到服务器的使用周期平均为5年,每年会有10%的服务器进入淘汰而更新换代,从CDCC对在线服务器的10年预测数据,2021年在线运行的服务器数量在1290万台左右。
　　
　　按照每个机柜安装8台服务器计算,加上存储和网络设备,实际需要的机柜数量在200万架左右。从不完全的统计数据,自2016年以来,中国数据中心机架数量逐年稳步提高,在2018年突破200万架,随后增长速度放缓,在2019年达到227万架,在2020年达到239万架。
　　
　　随着5G落地和新基建的指导意见下,2020年到2023年全国各省在建(建成、在建和规划)数据中心机架数超过300万架,出现了大量的闲置和区域供需的不平衡,不仅占用了大量的土地资源、能源(电力和水)指标,数据中心的高能耗影响的地区经济发展以及十四五的规划。从2021年开始各地开始叫停和谨慎审批数据中心的建设项目。
　　
　　因此应该看到数据中心的增长应取决于服务器的增长,应该理性的做好数据中心建设的区域规划和发展,不能遍地开花和大炼钢铁,数据中心过度和过快的超前建设不利于双碳的进程和目标的实现。
　　
　　2、数据中心碳达峰和碳中和路线图
　　
　　“碳达峰”“碳中和”与数据中心又有什么关系呢?“3060”的双碳目标对数据中心有路线图和目标吗?过去十年间,我国数据中心整体用电量以每年超过10%的速度递增,数据中心是未来为数不多能源消耗占社会总用电量比例持续增长的行业。
　　
　　如何看待数据中心的碳达峰,随着数字经济的发展,也推动数据中心的发展和增长。因此从数据中心的整体行业(大环境)碳达峰还没有目标和路线图;但对数据中心的个体情况来说,数据中心碳达峰取决于上架率和用电负荷达到80%需要的时间,达到80%的数据中心电耗和水耗基本上进入恒定运行状态,实际上已经碳达峰。
　　
　　如果看待数据中心的碳中和,更多的是衡量数据中心的运维的能耗是否达到设计指标,在运行中进一步做好节能降耗措施,降低数据中心能耗。
　　
　　因此,数据中心行业从运维的角度积极践行碳中和,对于我国实现2060年的目标意义重大。
　　
　　二、数据中心的PUE值还有多大的空间
　　
　　1、国家对数据中心能效的监管和指导意见
　　
　　数据中心是一个高耗能的行业。国家从十二五开始将数据中心的节能降耗提出明确的指导意见和要求,从十二五的PUE=1.5,到十四五PUE=1.3,部分省市也出台了相应的PUE值的限令,2021年国家又对数据中心的能效进行了划分,出台了1.2～1.5能效等级国家标准(见图3),将进一步严控数据中心的能效。
　　
　　2、目前数据中心能效的现状
　　
　　从市场研究机构IDC调研,对所调研的数据中心的PUE值的情况给出了《2019中国企业绿色计算与可持续发展研究报告》,将PUE值的现状分为4个区间(表1)
　　
　　从统计分析的数据看,虽然PUE值小于1.5的企业从3.7%上升到12.9%。但依然有85%的受访企业数据中心的PUE值在1.5-2.0之间,可见离国家调控的指标还相距很大。
　　
　　实际的情况,目前全国超大型数据中心平均PUE值为1.46;大型数据中心平均PUE值为1.5;规划在建数据中心平均设计PUE值为1.35左右。可见实现数据中心的PUE值的目标还任重道远。下面再看一组绿色数据中心调研统计的数据(表2):
　　
　　目前能将PUE值做到1.3以下的数据中心,采用的技术主要有:首先是充分利用自然冷源(寒冷的气候、地表水和山洞),加上风墙、蒸发冷、热管、液冷、市电直供+HVDC技术,另外美国微软和中国的海兰信建造海底的数据中心,数据中心的节能的可以说是上天入地,百花齐放(见图4)。
　　
　　3、数据中心的PUE值还有多大的空间
　　
　　目前数据中心的节能减排降低PUE值主要还是依赖于空调系统提高能效和充分利用自然冷源,实际上电源系统的损耗占到PUE=1.X中X的10%,因此电源的损耗直接影响到PUE值发展空间。另一方面还需要看到,目前数据中心节能和降低PUE值努力是通过产品+投资+空间+运维成本的投入换取的:
　　
　　(1)以最早的传统的风冷直膨空调对比:制冷系统的投资超过1倍以上;
　　
　　(2)早期的数据中心机房与基础设施对空间的占比,从1:0.5增加到目前大于1:1;
　　
　　(3)运维的成本增加了3倍;
　　
　　(4)投资回报率超过8年;
　　
　　(5)还需要看到为数据中心配套服务与碳排放挂钩,如上游制造业、运输、运维耗材等产生的碳排放。
　　
　　应该看到节能技术是受条件所限制,不可能完全被复制和普适的推广,比如地表水、山洞、南方的气候条件、服务器产品对液冷技术支持等等。
　　
　　因此数据中心PUE=1.X的X在现有的技术条件下已经遇到瓶颈,X的空间已经很小。另一方面需要关注节能与投资、牺牲空间、运维成本的平衡。
　　
　　三、数据中心碳中和主战场在哪里
　　
　　在双碳的目标驱动下,当电力容量、电价与标准吨煤挂钩,当数据中心的电力容量与耗能限定时,而PUE=1.X中的X已经达到极限时,数据中心的节能和碳中和何去何从?
　　
　　1、数据中心碳中和的主战场--上游的电力
　　
　　数据中心处于碳排放的下游,主要是电力的消耗,从国家的层面减少碳排放和碳中和的焦点是减少化石能源占比,从2021年我国发电量的结构来看,火电仍然占到71.13%。
　　
　　从某种意义上,数据中心的碳中和取决于所在地区的电网清洁能源与化石能源结构的占比,数据中心越靠近清洁能源发电厂的区域,得到的绿电越多,由绿电直供的数据中心容易实现了碳中和和“零”排放,同时PUE值与碳“零”排放不能完全划等号。
　　
　　2、数据中心碳中和的主战场--国家东数西算的战略
　　
　　2021年国家出台了东数西算的战略决策,我国的西部有大量自然冷源(寒冷的气候)、充足的火电,风、水、太阳能可再生的清洁能源以及土地资源条件,有利用于在西部建设数据中心,不用西电东输,缓解东部电力紧张的压力。同时在西部的内蒙、宁夏、甘肃、贵州已开发建成多个数据中心园区,数据中心的机架数已超过百万架,因此需要盘活存量(见图5)。
　　
　　3、数据中心碳中和的主战场̶数据中心基础设施
　　
　　从目前数据中心的现状依然有85%的受访企业数据中心的PUE值在1.5-2.0之间,因此老旧数据中心的节能改造、关停并转高能耗的中小型数据中心和废热的再利用是碳中和的主战场。
　　
　　对新建设计中心需要做好选址、绿色建筑+热回收、购买绿电、采用高效电力产品、精确按需制冷和精细化(AI)运维(见图6)。
　　
　　目前数据中心PUE值大部分都在追求降低空调的能耗和节能,但是应该看到电力(变压器、UPS、线缆)损耗占比达到10%,因此同样需要关注提高电力设备的能效和节能。
　　
　　比如UPS采用三电平技术的产品,可以将能效从两电平技术的产品的94%提高到96%,采用UPS的ECO(交流直供)技术可以将UPS的能效提高到98%。
　　
　　变压器的损耗同样影响到数据中心的PUE值,2020年国家颁布的变压器能效的新标准(GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》),进一步降低空载和负载的损耗(见表3表4)。
　　
　　因此选用新型节能的硅钢变压器和非晶合金的变压器有助于推动数据中心的碳中和。
　　
　　4、数据中心碳中和主战场̶IT设备
　　
　　目前对数据中心能效考核指标是PUE值,更多的是关注为IT设备服务的基础设施的节能降耗。实际上数据中心能耗的主体是IT设备(服务器、网络和存储),然而IT设备的浪费能耗远大于基础设施的耗能,据不完全统计,IT设备的浪费的电力耗能占总耗能的30%以上,主要表现在以下几个方面:
　　
　　(1)服务器在低效率状态下运行,平均使用效率只有30%;有些环境长期处于空载运行(如备份的设备);
　　
　　(2)服务器的堆积，对于一个应用系统包括了生产、开发、测试、灾备等多个相互独立的环境，这就是数据中心越建越大，设备越来越多的原因之一;
　　
　　(3)许多的企业八小时之外和节假日超过80%的服务器处于空转运行;
　　
　　(4)在大数据的今天,许多一次性(或周期性)的数据长期占据的在线存储的空间;
　　
　　(5)大量的数据重复录入,占用在线的存储;
　　
　　(6)有些关闭的系统僵尸服务器仍然没有没有关电下架。
　　
　　因此在双碳的目标下,不仅要考核上架率、PUE、WUE、CAPEX和OPEX,要将算效/kW或算力/碳排放挂钩,即考核数据中心的处理能力、效率与能耗的关系,因此在基础设施的节能空间狭小和投资加大的状况下,数据中心碳中和主战场应该从“(1)”做起,“(1)”是PUE值的主体。
　　
　　近年来国家已经关注到数据中心服务器的处理效率,在2021年工业和信息化部印发了《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》的通知【工信部通信〔2021〕76号】和国家四部委印发《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》的通知【发改高技〔2021〕709号】将提高数据中心的算力纳入绿色数据中心考核的范畴。提出了数据中心算力与功率的比值,给出了考核办法,数据中心的算效计算公式:
　　
　　CE=CP/PCIT
　　
　　CP--数据中心的计算能力,用单精度浮点数(FP32)表示
　　
　　PC--为数据中心IT设备的整体功率,单位为kW需要有西瓜与芝麻思维,IT服务器的耗能与基础设施的耗能是千万级比百万级关系。提高IT算力应该从:应用设计和系统的角度上提高服务器的处理效率和如何处理好服务器的空转和闲置着手。当数据中心的能效考核的指标采用:
　　
　　将真正实现数据中心总体能耗的下降,全方位的推动数据中心实现碳中和的目标。
　　
　　四、ESG对数据中心双碳的贡献
　　
　　ESG是环境(Environmental)、社会(Social)和公司治理(Governance)的缩写。这三方面之下细化的各种指标体系,用来规范和监督公司自身行为,是责任投资(PRI)对于企业或资产的考量标准。
　　
　　ESG在中国,最大的政策背景就是“碳中和”与“共同富裕”。事实上,为了还青山绿水的环境(E),重视减少碳排放本身也是社会责任的一种,纳入企业管理和治理(S)的范畴,更需要企业管理理念、治理结构等根本性的改革,因此ESG中的三个维度是相辅相成的,数据中心也不例外。十四五规划已经为未来五年绿色化转型与发展定调,随着针对绿色发展的法律与政策的健全,低碳绿色主题的可投资性也会增强,在我国绿色数据中心的“E”相关的投资和建设将进一步发展。
　　
　　国家提出“双碳”的宏伟目标的路线图,引导数据中心的建设者、运营者和投资方主动将节能减排和碳中和作为企业应尽的责任和对社会担当，因此ESG将进一步推动和加快双碳进程。
　　
　　在国外投资公司和数据中心运营方已经将ESG作为投资数据中心的综合指标；运行的数据中心需要每年编制ESG的报告。在国内部分头部数据中心(万国、秦淮等)已经在规划自己的碳中和路线图，编制ESG的报告。
　　
　　数据中心的节能和实现碳中和是数据中心贯穿全生命周期永恒的主题,是数据中心人的责任和使命,永远在路上!
　　
　　作者简介
　　
　　杨晓平,国家互联网数据中心技术创新产业联盟专家技术委员会副主任委员。高级工程师,原中国银行数据中心(上海)安全处处长,江苏银行资深技术经理。NIIS、CDCC、CCDC、IDC、GDCT、ITRAA等团体专家技术委员会委员,从事IT领域工作40多年,熟悉IT架构、超大型、大型和中小型数据中心建设与运维;检测和认证;掌握数据中心的动态与发展;参加多部数据中心标准的编审。
　　
　　编辑：Harris