年耗電超過三峽大壩發(fā)電，數(shù)據(jù)中心節(jié)能提上議程

每到廠商發(fā)布服務(wù)器硬件時，都會用可觀的性能提升圖表來吸引客戶，然而事實(shí)是，無論是服務(wù)器CPU、GPU還是內(nèi)存，其功耗都是在大幅增加的。以英偉達(dá)的數(shù)據(jù)中心GPU為例，目前最普及的A100GPU功耗在250W到300W，而新公布的H100GPU功耗已經(jīng)翻倍至700W。

在如此高的功耗下，早在2017年，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的年度耗電量就已經(jīng)超過1000億千瓦時，也超過了三峽大壩的發(fā)電量。更可怕的是，這個數(shù)字還在一直攀升，目前數(shù)據(jù)中心用電量已經(jīng)占了全社會耗電量的1.5%到2%左右了。

每年近一半浪費(fèi)，中國開始數(shù)據(jù)中心改革

在數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)中，最重要的就是數(shù)據(jù)中心電能利用效率，也就是PUE。PUE代表了IT設(shè)備占總耗電的比值，這個指標(biāo)越接近1，也就意味著制冷、供配電等非IT設(shè)備的耗能占比越低。

2021年7月，工信部印發(fā)了《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計(jì)劃（2021-2023）》，其中對數(shù)據(jù)中心的能效和算力做了規(guī)劃，目標(biāo)是在2021年底全國數(shù)據(jù)中心平均利用率爭取提升到55%以上，總算力超過120EFLOPS，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.35以下。

而此次三年行動的最終目標(biāo)是將平均利用率提升到60%以上，總算力超過200EFLOPS，新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.3以下，更容易控制散熱功耗的嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)爭取降低到1.25以下。

可以看出早在這一計(jì)劃提出前，我國的數(shù)據(jù)中心平均利用率是不及55%，這意味著在全中國的數(shù)據(jù)中心運(yùn)維成本中，有45%是完全被浪費(fèi)掉了，如果能將整體利用率提升至目標(biāo)中說的60%，

但事實(shí)上，如果只是控制大型及以上數(shù)據(jù)中心的PUE，很難起到整體提高能效的作用，固然在全年耗電量中大型和超大型數(shù)據(jù)中心占了很大一部分，但這些項(xiàng)目通常都是經(jīng)過云服務(wù)企業(yè)、政府審批的，往往早在立項(xiàng)之初就考慮到了能效。但中小型數(shù)據(jù)中心的亂象才是最難解決的問題，雖然行動計(jì)劃給出了改造升級“老舊小散”數(shù)據(jù)中心的任務(wù)，但這類任務(wù)畢竟不比老舊建筑改造，需要考慮的因素也更加復(fù)雜。

還有一點(diǎn)需要關(guān)注，那就是數(shù)據(jù)中心的利用率的提升其實(shí)并沒有那么容易，尤其是某些云服務(wù)廠商的數(shù)據(jù)中心。云服務(wù)講究的是按需收費(fèi)，所以云服務(wù)廠商往往都會在資源利用上都會留有余地。固然我們可以利用大量共享硬件的實(shí)例提高利用率，但這難免會對云應(yīng)用的性能造成影響，顯現(xiàn)在我們的日常應(yīng)用上就是軟件響應(yīng)時間變長、搶購商品崩潰或是視頻碼率降低等。

但我們沒法對沒有利用上的服務(wù)器想關(guān)就關(guān)，且不說開關(guān)本身消耗的電能，這種頻繁操作對于數(shù)據(jù)中心另一個昂貴的硬件資源，存儲，也會造成嚴(yán)重磨損。所以，如何在留有余地的同時，動態(tài)調(diào)整能耗，并充分利用分布式計(jì)算，才是這些數(shù)據(jù)中心需要突破的。

氮化鎵拯救數(shù)據(jù)中心電源的效率

除了提高IT硬件本身的能效比之外，還有一種思路就是從數(shù)據(jù)中心的PSU電源上下手。PSU負(fù)責(zé)將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，但就是這樣一個電能轉(zhuǎn)換裝置，卻占據(jù)了近1/4的耗電量，僅次于CPU等IT器件。正因如此，不少PSU廠商開始在其產(chǎn)品中利用新的電源技術(shù)，比如寬禁帶材料氮化鎵。

目前PSU追求的都是80Plus這一推薦能效標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在額定負(fù)載的20%、50%和100%下，都要擁有80%以上的能效。而要想達(dá)到80PlusTitanium，這一標(biāo)準(zhǔn)PSU在不同負(fù)載下的能效要做到超過90%。傳統(tǒng)的硅超結(jié)MOSFET方案，固然也有做到90%以上的方案，但這每提升1%，對大型數(shù)據(jù)中心而言就意味著可觀的能耗減少，況且傳統(tǒng)硅基方案在低負(fù)載下的高效能存在挑戰(zhàn)，而不用說功率密度難以堆上去了。

氮化鎵PSU與硅基PSU功率密度和能效對比/GaNSystems

而在利用氮化鎵這一技術(shù)后，其功率密度可以輕松達(dá)到100W/in3，能效達(dá)到95%以上。這樣一來，數(shù)據(jù)中心可以在保證機(jī)架高度不變的情況下，用上更小的PSU電源模塊，多出來的空間可以加裝更多的DIMM內(nèi)存，甚至是CPU。

既然氮化鎵能做到如此高的能效，那么同為寬禁帶材料的碳化硅是否也能勝任呢？如果單從能效的角度來說，擁有更低導(dǎo)通電阻和更快開關(guān)速度的氮化鎵還是要更勝一籌，這也是為何無論是不少寬禁帶半導(dǎo)體廠商，比如英飛凌、安森美、GaNSystems，相繼在PSU上推出氮化鎵解決方案的原因。

結(jié)論

在數(shù)據(jù)中心提高能效的這條路上，除了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和提高PSU或UPS這些電源模塊的能效外，發(fā)展新型冷卻技術(shù)也是另一種高效的方法，尤其是在數(shù)據(jù)中心的計(jì)算密度越來越大的情況下，水下數(shù)據(jù)中心就是一種可以嘗試的應(yīng)用場景。與此同時，能源本身的管理也與數(shù)據(jù)中心息息相關(guān)，就拿智能電網(wǎng)技術(shù)來說，這一技術(shù)的發(fā)展可以進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本和能耗，但智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化本身，也需要靠數(shù)據(jù)中心的支持。