數(shù)據(jù)中心能耗之困

在數(shù)字經(jīng)濟時代，算力成為一種新的生產(chǎn)力，廣泛融合到經(jīng)濟與社會的方方面面，為各行各業(yè)的數(shù)字化轉型提供基礎動力。作為算力的物理承載，數(shù)據(jù)中心成為數(shù)字經(jīng)濟的關鍵基礎設施。受國家政策引導及社會需求驅動，我國數(shù)據(jù)中心規(guī)?？焖僭鲩L。按照標準機架2.5kW統(tǒng)計，截止2021年年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模達到520萬架，近五年年均復合增速超過30%。同時，數(shù)據(jù)中心行業(yè)成為重要的經(jīng)濟增長點。2021年，我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)市場規(guī)達到1500億元，年均復合增長約30%。

近年我國數(shù)據(jù)中心規(guī)模及增長率

（數(shù)據(jù)來源：工信部）

數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展的同時，也面臨著能耗、土地、水資源等多方面挑戰(zhàn)。

01、數(shù)據(jù)中心具有高能耗特征

由于需要大量電力維持服務器、存儲設備、冷卻系統(tǒng)等基礎設施運行，數(shù)據(jù)中心能耗較高。據(jù)測算，電力成本占數(shù)據(jù)中心運營總成本的60%-70%。2021年，全國數(shù)據(jù)中心能源消耗達2166億干瓦時，較2020年增加44%，占全社會用電量的2.6%。因此，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排成為我國實現(xiàn)雙碳目標的重要任務。

02、土地資源成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展瓶頸

在過去很長一段時間，為了滿足不斷增長的用戶數(shù)據(jù)需求，數(shù)據(jù)中心主要是通過增加空間，擴大機架和服務器規(guī)模來提供更多算力，但是這也會導致數(shù)據(jù)中心運營成本的增加和數(shù)據(jù)中心場地空間的浪費。雖然國家通過東數(shù)西算等政策措施，引導部分數(shù)據(jù)中心向西部發(fā)展，但是為滿足數(shù)據(jù)時延等技術要求，沿海發(fā)達地區(qū)又不得不維持相當規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。當前，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)日益緊張的土地資源使得以擴大服務器規(guī)模來提升算力規(guī)模的數(shù)據(jù)中心建設模式面臨挑戰(zhàn)。

03、數(shù)據(jù)中心運行對水資源的需求高

數(shù)據(jù)中心的設備十分精密，通常采用的水冷卻，必須使用淡水。據(jù)統(tǒng)計，一座數(shù)據(jù)中心每天消耗數(shù)以百萬加侖(1加侖約合3.8升)的水，用來冷卻因運轉而發(fā)熱的設備。如此大的體量，對于水資源相對匱乏的我國來說，在水資源利用率上是一項嚴重挑戰(zhàn)。

腦洞大開向海底進軍

為解決數(shù)據(jù)中心發(fā)展面臨的能耗及資源挑戰(zhàn)，業(yè)界持續(xù)進行探索。這其中，國際IT巨頭微軟大開腦洞，將服務器放在密封艙中，安置到海底，利用海水的流速、體量給服務器進行散熱，取得了驚人的效果。

2013年微軟的一名工程師提出了一個想法:能否將數(shù)據(jù)中心放到水下?這個看似瘋狂的想法，引起了微軟研究院特殊項目主管Norm Whitaker的關注。Norm隨即組建團隊研究這一想法的可行性，并于2014年底啟動了“Natick“項目，開始探索海底數(shù)據(jù)中心。

2015年“Natick“項目在微軟內(nèi)部受到高層重視并被迅速推進。微軟為一期試驗研制了一個高3米、直徑2米的圓柱形海底數(shù)據(jù)艙，用于放置服務器。為了提高服務器的穩(wěn)定性，微軟還將這個密封數(shù)據(jù)艙注入了加壓氮氣。同年8月，全球首個海底數(shù)據(jù)中心被運送到加州海域，開始了為期4個月的水下測試。測試結果顯示，數(shù)據(jù)中心能夠在海底環(huán)境平穩(wěn)運行。

為了進一步改進海底數(shù)據(jù)中心，微軟邀請法國Naval集團及海洋科技公司Green Marine參與設計部署與維護工作。2018年8月該計劃進入第二期試驗。微軟在蘇格蘭北部海域布放了一個長12.2米、直徑2.8米的數(shù)據(jù)艙。艙里裝的是一個云計算單元，IT電量240KW，共12個機架、864個服務器。項目團隊之所以選址于此，部分原因是這里的電網(wǎng)100%由風能、太陽能，以及其他實驗性綠色能源進行電能供給。2020年9月第二期數(shù)據(jù)艙回收后，測試結果很成功，864個服務器只有8個出了故障。相比陸地同等規(guī)模的云計算單元，故障率僅為陸地的八分之一。

微軟海底數(shù)據(jù)中心入水測試

? 微軟通過實踐證明，服務器在海底密閉惰性氣體環(huán)境中工作，可靠性是陸地機房的8倍?，F(xiàn)在企業(yè)級業(yè)務的可靠性要求越來越高，為了將可靠性提高一個量級，傳統(tǒng)上最直接的辦法就是增加一倍的投入，建立并行的雙中心，以百分百的兄余換取可靠性。而海底數(shù)據(jù)中心不增加建設規(guī)模就能提高8倍可靠性，不得不讓人贊嘆微軟的創(chuàng)意。

據(jù)悉，“Natick“項目三期已經(jīng)開始。第三期規(guī)模更大，微軟將12個數(shù)據(jù)艙整合在同一結構架上。整個系統(tǒng)的功率大約為2.8MW，相當于一個標準微軟Azure云節(jié)點。微軟提出，未來海底數(shù)據(jù)中心可以100%使用風能、太陽能、潮汐能等清潔能源，達到零碳排放，并且支持5年內(nèi)免維護，實現(xiàn)“熄燈“式數(shù)據(jù)中心。

微軟為什么會如此快速地推進這個看似瘋狂的計劃?簡單來說有三點原因:綠色低碳、靠近用戶以及更低故障。依靠低溫洋流和巨大體量，海洋對于數(shù)據(jù)中心散熱來說，無疑是一個浩瀚的天然冷庫。這意味著可以大大降低數(shù)據(jù)中心的能耗。隨著全球數(shù)字服務從通用云計算轉向”云計算+邊緣計算”，數(shù)據(jù)中心將部署在更加靠近客戶的區(qū)域。全球的發(fā)達城市多為沿海城市。這些沿海城市聚集了全球超過半數(shù)的人口及網(wǎng)絡需求。這些網(wǎng)絡需求都依賴于數(shù)據(jù)中心的支撐。微軟正在為數(shù)據(jù)中心探索更加可持續(xù)的運行方式。未來海底數(shù)據(jù)中心很少需要使用替換零件，而這一變化將直接減少制造業(yè)中的碳排放以及資源浪費。在一個恒溫、恒濕、恒壓的無氧環(huán)境中，海底數(shù)據(jù)中心僅需每五年維護一次，在此期間只需將個別出現(xiàn)故障的服務器隔離停用即可，大大降低數(shù)據(jù)中心的維護和管理成本。這對于微軟乃至全球數(shù)字經(jīng)濟的轉型都具有深遠意義。

中國海底數(shù)據(jù)中心異軍突起

微軟的“Natick“項目受到業(yè)內(nèi)廣泛關注。而在國內(nèi)，海蘭信則是在海底數(shù)據(jù)中心領域最早吃螃蟹的海洋科技公司。在IDC領域，相較于阿里、騰訊等互聯(lián)網(wǎng)巨頭，知道海蘭信的人并不多。不過憑借多項“國內(nèi)首創(chuàng)”的成績，海蘭信是名副其實的專精特新"小巨人"，例如我國首臺具有自主知識產(chǎn)權的船舶通信VDR設備，中國船級社CCS全球首例認證，乃至中國首個海底數(shù)據(jù)中心解決方案等。

憑借二十多年專注于海洋科技的研發(fā)，海蘭信消化吸收國際先進技術，進軍海底數(shù)據(jù)中心領域。2020年11月，海蘭信在珠海完成了第一次小試樣機測試，測試期間樣機的密封、壓力、冷卻、電力、耐腐蝕等各項系統(tǒng)均運作正常，沒有故障情形發(fā)生。

經(jīng)過三個月的實際測試，單艙能耗PUE值僅為1.076。在測試海域溫度遠高于微軟項目的情況下，達到了同等技術指標。PUE是衡量數(shù)據(jù)中心能耗的重要指標。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的PUE大約為1.5。國家要求提高數(shù)據(jù)中心能效，新建的數(shù)據(jù)中心PUE不得高于1.3。海底數(shù)據(jù)中心的低能耗可見一斑。

由第三方環(huán)評機構給出的環(huán)評報告顯示，我國海底數(shù)據(jù)中心僅僅對水流下方3米內(nèi)產(chǎn)生小于0.2度的溫升，對海洋環(huán)境友好，

2021年5-8月，海蘭信聯(lián)合海南電信在海南澄邁進行了第二次測試，將運營商IT業(yè)務引入大海。實驗結果證明，海南數(shù)據(jù)艙內(nèi)運行的IT服務器網(wǎng)絡效能屬于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心最高級別，可以承載對延時性、互通量要求最高的業(yè)務。

海蘭信海底數(shù)據(jù)中心示意圖

海底數(shù)據(jù)中心評測報告

測試項目成功后，海蘭信趁熱打鐵，在海南啟動了國內(nèi)首個海底數(shù)據(jù)中心示范項目。海南作為熱帶島嶼，其區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)中心發(fā)展長期存在能源短缺、淡水和土地有限、高溫高濕氣候環(huán)境臺風高發(fā)的問題，同時未來自貿(mào)島對數(shù)據(jù)中心的需求難于估量。在海南島這類熱帶沿海地區(qū)，海底數(shù)據(jù)中心獨特的價值特征將更加凸顯。

海南海底數(shù)據(jù)中心項目計劃分三期進行。第一期示范工程項目(2022)計劃建設并布放海底數(shù)據(jù)中心5-6個艙，海底分電站1個，建設岸站基地1座(包含動力中心、運營中心、測試中心及科研配套園區(qū)等設施)，鋪設光電復合海纜2條。預計投資規(guī)模6.5個億;

第二期為規(guī)?；_發(fā)項目(2023-2024)，將完成合計50個艙及岸站整體的建設，預計投資規(guī)模達到28個億;

第三期為商業(yè)化推廣開發(fā)項目(2025-);將完成合計100個艙的建設，海底數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈形成，預計投資規(guī)模達到56個億。

海底數(shù)據(jù)中心示范項目產(chǎn)業(yè)化應用穩(wěn)步推進。該項目一期客戶包括海南電信、商湯科技、光環(huán)新網(wǎng)和ATLAS(新加坡)公司，分別代表電信運營商、人工智能、第三方數(shù)據(jù)中心運營商.WEB3.0等不同應用場景。二期計劃引入更多頭部互聯(lián)網(wǎng)和超算客戶。長期來看，海南自貿(mào)島封關后，海南將迎來大量的離岸數(shù)據(jù)中心需求。海底數(shù)據(jù)中心將助力海南自貿(mào)島和"智慧海南"建設。未來海底數(shù)據(jù)中心有望不斷拓展，向珠三角、長三角、福建、山東等沿海發(fā)達地區(qū)延伸，為“東數(shù)西算"提供補充，逐步建立起以海底數(shù)據(jù)中心為核心的綜合性海洋新技術產(chǎn)業(yè)園。

不止于綠色低碳

依靠海水自然冷源及密封艙內(nèi)恒溫、恒濕、恒壓等特點，海底數(shù)據(jù)中心在省電、省地、省水、低時延、高算力、高安全、高可靠、快速部署等方面擁有一系列優(yōu)勢，符合數(shù)據(jù)中心綠色低碳的發(fā)展趨勢，符合超算、人工智能等對高算力的需求，符合“熄燈"式數(shù)據(jù)中心的技術取向，將有力促進數(shù)字經(jīng)濟及海洋經(jīng)濟的創(chuàng)新發(fā)展。

海底數(shù)據(jù)中心將為國家綠色低碳發(fā)展做出海洋領域新貢獻。單艙PUE低至1.076，能耗較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心低30%，對比中等規(guī)模的典型數(shù)據(jù)中心(25000kw)每年可減少碳排放超過6萬噸。配套岸站占地極少，可節(jié)約大量土地資源;沒有冷卻塔，較典型規(guī)模數(shù)據(jù)中心年省水60萬立產(chǎn)米。此外，利用海底數(shù)據(jù)中心與海上風電場、潮汐能電廠等距離近的優(yōu)勢，輔助儲能技術，推動

海底數(shù)據(jù)中心與清潔能源聯(lián)合開發(fā)，可逐步實現(xiàn)“碳中和”的最終目標。海底數(shù)據(jù)中心可促進海洋經(jīng)濟的立體創(chuàng)新。在布放海底數(shù)據(jù)中心的海域，還可以發(fā)展海上新能源、海洋觀測、海洋旅游等，形成大型海上產(chǎn)業(yè)體系數(shù)字化孿生，共同構筑海上物聯(lián)網(wǎng)。例如，海底數(shù)據(jù)中心與海上風電場在選址考察、施工安裝、基礎設施、項目運營等多方面具有通用性，甚至海上風電機的支柱本身就可以作為海底數(shù)據(jù)中心的艙室。如果能夠聯(lián)合開發(fā)，將大大降低兩者的綜合成本，實現(xiàn)一舉多得。

海底數(shù)據(jù)中心將為沿海地區(qū)居民提供更好的數(shù)字經(jīng)濟服務。全球人口的一半生活在距離海洋200公里以內(nèi)區(qū)域，沿海部署海底數(shù)據(jù)中心，在地理距離上更靠近用戶，時延更低。海底數(shù)據(jù)中心的服務器可靠性高，適合成為內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡中的節(jié)點，豐富節(jié)點性質，適宜超算中心的高算力分布式節(jié)點需求，有利于保證整個網(wǎng)絡的高效率、穩(wěn)定性和完整性。

多產(chǎn)業(yè)協(xié)同助力海洋強國

海底數(shù)據(jù)中心將為“一帶一路”發(fā)展提供重要支撐。東南亞國家如新加坡常年天氣炎熱且潮濕，對傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)高度依賴導致能耗嚴重，且國土面積狹小，已經(jīng)無法支撐數(shù)據(jù)中心的未來發(fā)展。沿著一帶一路海域投資建設海底數(shù)據(jù)中心，將不僅有利于助力亞太區(qū)數(shù)字經(jīng)濟轉型、推進全球信息數(shù)據(jù)高速互聯(lián)，還可為國家“一帶一路“倡議實施提供高水平方案支撐

寫在最后

海底數(shù)據(jù)中心符合我國雙碳發(fā)展目標和新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展戰(zhàn)略。國家發(fā)改委、工信部等部門先后出臺了《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求 推動數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發(fā)展實施方案》、《十四五工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》等政策，鼓勵探索利用河湖、海洋等優(yōu)勢資源建設全時自然冷數(shù)據(jù)中心，充分發(fā)揮氣候水文和地形地貌等自然條件天然優(yōu)勢，因地制宜促進數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗。海南、廣東、山東等地的海洋經(jīng)濟發(fā)展十四五規(guī)劃，也不同程度提出要促進海底數(shù)據(jù)中心研發(fā)及建設。這些政策為海底數(shù)據(jù)中心發(fā)展指明了方向。

韓國科學技術院設計的海底實驗室及數(shù)據(jù)中心