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
來源：電子發(fā)燒友網(wǎng) 作者：周凱揚(yáng) 發(fā)布日期：2022-07-26 訪問次數(shù)：830
文章摘要： 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(gè)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。
每到廠商發(fā)布服務(wù)器硬件時(shí)
，都會(huì)用可觀的性能提升圖表來吸引客戶 ，然而事實(shí)是，無(wú)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A100 GPU功耗在250W到300W，而新公布的H100 GPU功耗已經(jīng)翻倍至700W。
在如此高的功耗下
，早在2017年，國(guó)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(shí)，也超過了三峽大壩的發(fā)電量。更可怕的是，這個(gè)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(huì)耗電量的1.5%到2%左右了。
每年近一半浪費(fèi)，中國(guó)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(gè)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(dòng)計(jì)劃（2021-2023）》，其中對(duì)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(guó)數(shù)據(jù)中心平均利用率爭(zhēng)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(dòng)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(zhēng)取降低到1.25以下。
可以看出早在這一計(jì)劃提出前
，我國(guó)的數(shù)據(jù)中心平均利用率是不及55%，這意味著在全中國(guó)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(dòng)計(jì)劃給出了改造升級(jí)“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(huì)在資源利用上都會(huì)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(huì)對(duì)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(shí)間變長(zhǎng)、搶購(gòu)商品崩潰或是視頻碼率降低等 。
但我們沒法對(duì)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(duì)于數(shù)據(jù)中心另一個(gè)昂貴的硬件資源 ，存儲(chǔ)，也會(huì)造成嚴(yán)重磨損。所以，如何在留有余地的同時(shí)，動(dòng)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(gè)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80 Plus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80 Plus Titanium，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(duì)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(duì)比/GaN Systems
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(wú)論是不少寬禁帶半導(dǎo)體廠商，比如英飛凌 、安森美 、GaN Systems，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(chǎng)景。與此同時(shí)，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(yíng)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。
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氮化鎵PSU與硅基PSU功率密度和能效對(duì)比/GaN Systems
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
既然氮化鎵能做到如此高的能效
結(jié)論
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