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临水入海 能耗大户数据中心的“水时代”

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发表于 2021-1-15 14:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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数据走上云端的时代,承载线上数据的空间载体——数据中心,成为各大巨头企业争相加码建设的新基建核心标的。7 C# Y8 D  A4 p+ m" H8 R: |0 k
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集中了成千上万的服务器机柜,数据中心是不折不扣的“能耗大户”。瑞典研究机构发布的“消费者总功耗预测"评估报告显示,到2025年,数据中心将占全球ICT(信息通信技术)行业33%的能耗份额,全行业4.5%的能耗份额。5 h% n9 M2 q7 U  g

$ X; W) @* r6 F( z, v 在5G、云计算等领域处于全球领先地位的中国,借助新基建的东风,数据中心呈现出爆发式增长,控制能耗更成为数据中心建设的核心要素,2021年以来,国家电网的紧水滩项目、海兰信的海底数据中心项目,都呈现出了临水而建的行业新特性——临湖、临河甚至建在海底、极地,数据中心正大跨步迈入“水时代”。- D( L! U& x1 T( _, Z" `# U

: z- X9 X( e$ M# q “水冷中心”6 \. Q* G* ^& Q
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2021年开年,数据中心行业的几项大规模投资都遵循了自然水冷的散热思路。2 x6 x5 z8 }" n: G8 B6 w+ B7 X
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1月8日,国家电网浙江省电力有限公司在浙江云和举办了紧水滩水冷式绿色数据中心项目开工仪式,总投资约15亿元。3 _& E& S* K% [% [9 y. Q9 W% F$ @

( H) [# u+ o7 p* R! x7 Y 北京海兰信数据科技股份有限公司也在1月10日宣布,将数据中心样机送入了“海底”并安全运营,通过罐体结构,内置电气设备、冷却系统,利用海水冷却系统管道将海水直接通过服务器机架背面的散热器,排回大海。; P- t2 C2 E: c2 Y
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这是一场针对PUE的变革。
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2 j3 z" z4 L( [0 A/ r+ j 所谓PUE,是指消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值,中国电子技术标准化研究院2019年编制的《绿色数据中心白皮书》显示,中国数据中心的平均PUE值在2.2至3.0之间。* |9 d9 a8 x6 g! O" {4 v' v$ M
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2019年初,工信部、机关事务管理局、国家能源局共同出台了《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》,要求到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型、超大型数据中心的PUE达到1.4以下。
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! J  m) A: b% g, G1 N7 D7 K6 E, U 工程师陈河曾相继参与过阿里巴巴、百度、快手等互联网巨头的数据中心散热技术规划设计工作,先后在中国移动、光环新网等国内数据中心头部企业任职。他介绍,降低PUE的最直接方式,就是改善散热方法,尤其是运用以水冷为代表的自然冷却方式,抽取深层低温水,实现机柜循环冷却,大幅度降低数据中心的能耗,“业内龙头企业做过测算,一个百万服务器量级的数据中心,每降低0.1的PUE,每年能节省1亿元以上的电力成本。”& U; Z; L0 Y- a# W: G+ b
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国网浙江电力相关负责人表示,浙江紧水滩水冷式绿色数据中心PUE低于1.15,与能效比为1.5的传统数据中心相比,在满负荷运转条件下,每年可节约电量1.52亿度,减少碳排放量超9亿吨。
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据介绍,海兰信海底数据中心的每个数据舱可以容纳14个机柜,每个机柜负载35kW,相比传统陆上IDC功率密度提高5至7倍,设计PUE值小于约1.076,罐体内为惰性气体,服务器故障率仅为陆上数据中心的1/8。8 Y$ c# G- b: _' U) F

9 y  `; v" p0 q1 n 能耗大户. A: @. w" N8 c% g7 g

& M1 j, X+ Y7 r% F “冬天程序员最喜欢呆的地方是哪里?当然是数据中心了,里面又暖和,机器的声音又好听。”这是数据中心工作人员爱说的段子,也是人力招聘时常开的玩笑。+ O* H" L% [$ o9 d
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由于传统散热方式的高能耗、低效率,国内目前已有的数据中心运营成本极高。例如,国网杭州供电公司发布的《5月份杭州电力视角看经济报告》显示,2020年1至5月,杭州全部53座数据中心总用电量达到5.97亿千瓦时,相当于杭州20万个家庭一整年的用电量。) v) Z! K% ]$ T( w

  P, b( E" K% t% x, D4 ]. X4 j 数以千计的高性能机柜集中在机房,消耗能量的同时也产生大量热量,散热技术在很大程度上决定了一个数据中心的能耗水平以及运营成本。# {4 g5 ^8 ^3 V. }" s( f# v  l
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陈河表示,随着数据中心服务器和机架技术的发展,如今的数据中心已经从早年以单个服务器为基础单位构建,升级到以数个刀片服务器并行的机柜为基础单位构建,其中,一些新型数据中心单机柜的功耗已经达到20kW,超过传统机柜功耗的10倍,这对散热方式提出了更高的要求。
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传统的数据中心机房通常使用空调制冷,“你可以把传统的数据中心想象成初中高中电脑机房,走进去的时候就是很闷热的,必须要开空调给机器降温,但是机柜产生的热量是远远高于普通个人电脑的,所以数据中心的空调也都是制冷效果更好的大功率空调。”
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空调制冷的劣势显著,机柜本身就消耗高额电量,大功率空调同样是耗电大户,腾讯、阿里、谷歌等互联网企业的调研报告中都提到,选用大功率空调作为主要散热方式的传统数据中心,散热耗电量占38%以上,部分数据中心散热耗电量甚至达到50%以上,超过了机柜设备的耗电量。
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/ M5 o; q8 B" _/ Y! J& Y 陈河直言,选择什么样的散热设计,与数据中心的选址以及后续运营策略是相互成就、相互影响的,甚至可以说是一个数据中心建设的重要“基石”。
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5 Y, H. L: _, h* Q+ m 近水中心先得电
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2 S8 ^+ R9 l1 M; b0 J2 X/ C  M- f- F 尽管在十三届全国人大三次会议上,数据中心以“新基建”的名义被写入了《2020年国务院政府工作报告》,由于低税收贡献、高能耗占用的特性,数据中心在城市的发展优先级中并不高。7 J) _8 |- Z( ^* m: X
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国内头部云计算企业的一位工程师表示,各互联网大厂的新建数据中心都不会在北上广深等一线城市,“(数据中心的)营收、利润其实是互联网公司的服务所产生的,自建自用的数据中心本身不产生任何收入和利润,那么也就无法向当地政府贡献税收,而且还是用电大户,占用了高额的电力指标,这对地方政府来说非常不划算,尤其是一线城市。”- u+ q0 U, J- P) B- X
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多位业内人士介绍,为了保障城市电力资源的合理调度,北上广深等一线城市,每年会要求数据中心企业提交用能指标,并根据规划批准用能指标,只有获得用能指标的企业才能进行数据中心的扩建或新建。
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& S$ S$ U4 R* Y+ V4 p 陈河表示,由于互联网企业总部多位于一二线城市,数据服务的交换节点也位于一二线城市,传统大型数据中心多位于一二线城市及周边,靠近数据交换节点,显著降低延迟。但由于用能指标稀缺、地价等综合因素考量,新型数据中心多位于水电、风能资源丰富的省、市、自治区如内蒙古、贵州等,更廉价丰富的电能取代延迟问题成为了重点考虑要素。
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在陈河等多位数据中心行业资深从业者看来,不仅是散热设计的不断优化,从用电成本开始着手规划,意味着新时代的数据中心,在成本计算上变得更精细了。* H8 N9 D- _- \5 R8 J- v" O) Q# e
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传统数据中心的成本可以分为建设成本与运营成本两部分。其中,建设成本包括设备购置费、土地费用、施工费用等,运营成本则主要是运行过程中的水费、电费、人工管理费用、财务费用等。
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根据多家互联网企业的调研报告,以20年为数据中心的完整生命周期计算,建设成本占总成本的20%,运营成本占总成本的80%,电力支出则占运营成本的80%。
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在电力资源丰富的临水地带建立数据中心,能够让成本更加合理均衡。据介绍,电力在输电、变电等各个环节中会产生不同程度的损耗,经过的环节、线路越多损耗越大,这也是电力本身的主要成本,而如果直接在电站周边设立数据中心,电力损耗小,电力成本也就更低。) u) U5 U3 X# y6 A' p

2 o1 I5 ^: K; Q/ _9 Y 例如,国网浙江电力相关负责人就表示,紧水滩水冷式绿色数据中心以紧水滩水电站6台水轮发电机组为应急电源,省去了常规柴油发电机等设备,显著降低投资成本和运营成本,同时采用势能回收、余热回收等综合节能技术,进一步降低了能耗水平。“临水、海底,甚至像Facebook数据中心建在北极圈,在各地政策的严格限定下,未来的新型数据中心一定是以风冷、水冷等自然冷却方式为主要散热方式,靠近风电、水电等绿色电力的地理位置展开建设。”陈河透露,目前国内互联网巨头在建的大型数据中心项目,已经基本抛弃传统空调制冷方式,并向水电风能丰富的省市靠拢。 6 T3 z7 ]; i9 N8 w6 P
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    发表于 2021-1-17 17:15 | 显示全部楼层
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