AI算力狂飆帶來能源困局？清華大學(xué)李震深剖數(shù)據(jù)中心能源資源管理

3月20日消息（苡臻）當(dāng)前，AI浪潮洶涌，隨著DeepSeek等AI大模型的迅速普及與用戶量激增，算力需求正呈現(xiàn)指數(shù)級增長。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2024年，中國智能算力規(guī)模達(dá)725.3百億億次/秒（EFLOPS），同比增長74.1%，增幅是同期通用算力增幅（20.6%）的3倍以上。

同時，算力正成為耗電大戶。據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心的用電量已占全球總用電量的1.5%至2%，大致相當(dāng)于整個英國的用電量，到2030年，這一比例預(yù)計將上升至4%。在這場算力狂飆的背后，數(shù)據(jù)中心該如何實現(xiàn)能源資源的高效利用與可持續(xù)發(fā)展？

近日，在以“攜手同行，共筑綠色未來”為主題的“算電協(xié)同綠色發(fā)展及應(yīng)用跨行業(yè)生態(tài)論壇”期間，清華大學(xué)長聘教授、博士生導(dǎo)師李震接受C114等媒體采訪，圍繞“數(shù)據(jù)中心能源資源管理的挑戰(zhàn)與對策”，從五個方面深度剖析數(shù)據(jù)中心低碳轉(zhuǎn)型的突圍密碼。

算力狂飆下的低碳電力供應(yīng)

近年來，大語言模型、自動駕駛、語音助手、圖像識別等實時應(yīng)用廣泛普及，數(shù)據(jù)中心算力需求及能耗需求均呈爆發(fā)式增長，平衡算力需求與能耗壓力是當(dāng)前亟待解決的問題。

那么，該如何降低數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電耗？李震表示，要提高算效來降低電耗。一方面，可以就近接入風(fēng)光電，利用自身UPS儲能調(diào)峰。另一方面，可通過預(yù)測任務(wù)需求和資源使用情況，動態(tài)調(diào)整資源分配，將任務(wù)分配到最合適的服務(wù)器上。當(dāng)任務(wù)較少時，也可以通過關(guān)閉或休眠閑置服務(wù)器，以提高算效。

不僅如此，數(shù)據(jù)中心進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)，實現(xiàn)柔性用電也是低碳電力供應(yīng)的重要一環(huán)。

具體而言，基于數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的實時性，可通過調(diào)整業(yè)務(wù)時間來調(diào)節(jié)負(fù)荷實現(xiàn)柔性用電；也可通過調(diào)整服務(wù)器負(fù)載的并行規(guī)模和時間分布，實現(xiàn)電力靈活性響應(yīng)；利用算力網(wǎng)的任務(wù)可調(diào)度性，實現(xiàn)電力與算力的空間上的供需平衡；利用數(shù)據(jù)中心的UPS建立儲能系統(tǒng)，動態(tài)地將儲能電池分為備電與靈活調(diào)度兩部分，這既能保證供電可靠性，還可以通過峰谷電價差實現(xiàn)套利；此外，還可推進(jìn)鋰電池在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，研究電池可調(diào)度容量刻畫與電池充放電策略。

根據(jù)不同發(fā)熱密度選擇冷卻方式

冷卻技術(shù)是數(shù)據(jù)中心的“溫控命脈”，其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運行與能源利用效率。

李震指出，目前數(shù)據(jù)中心主要有七個高效冷卻方向，包括優(yōu)化氣流組織、充分利用自然冷源、縮短氣流輸運距離、調(diào)整運行控制策略、高功率機(jī)柜、研發(fā)新型液冷介質(zhì)、構(gòu)建新型散熱末端方式。

冷卻系統(tǒng)在保障運行安全與能效指標(biāo)之間的權(quán)衡至關(guān)重要。數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)應(yīng)起好輔助設(shè)施的作用，提高自身能效，爭取能夠應(yīng)對服務(wù)器負(fù)載的各種變化情況，在保證服務(wù)器運行安全的條件下提高自身能效。在這種情況下，既不能過度犧牲服務(wù)器性能，也不能過分依賴算力調(diào)度。

對于冷卻方式的采取，李震則認(rèn)為，“核心是要根據(jù)不同的發(fā)熱密度來選，并不是液冷一定就適合。”傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率為3-5kW，隨著AI算力的發(fā)展，機(jī)柜功率進(jìn)一步提升至15-30kW，目前市面上投入使用的機(jī)柜最高功率密度為35kW。行業(yè)預(yù)測到2030年，單機(jī)柜功率可突破50kW。“液冷技術(shù)是高密度機(jī)柜冷卻的主要解決方案，但風(fēng)冷技術(shù)也可以滿足50kW的冷卻需求。”此外，在自然冷源利用方式上，有空氣干冷冷卻、直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻、利用水庫水、利用海水這五種選擇。

李震強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心對冷卻能力的需求與冷源自身的特性存在時間與空間上的不協(xié)調(diào)。為此，在空間布局上，可以將算力資源調(diào)度部署到多個數(shù)據(jù)中心或邊緣計算節(jié)點；在時間調(diào)節(jié)上，通過水蓄冷等蓄冷技術(shù)來提高冷卻系統(tǒng)自身柔性。

另外，提高已有冷卻系統(tǒng)的運行效率也不容忽視。“云計算和AI數(shù)據(jù)中心的負(fù)載需求不斷變化，如果冷卻系統(tǒng)不能精準(zhǔn)地根據(jù)負(fù)載變化調(diào)整冷卻策略，可能會導(dǎo)致冷卻過?；虿蛔?。”應(yīng)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等方法實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)能耗預(yù)測，通過遺傳算法等方法獲取系統(tǒng)最優(yōu)運行參數(shù)，從而精準(zhǔn)熱控制系統(tǒng)運行，提高能效。

減少數(shù)據(jù)中心水資源消耗與浪費

目前，數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)廣泛依賴水資源進(jìn)行散熱，傳統(tǒng)冷卻塔系統(tǒng)的用水量占數(shù)據(jù)中心總用水量的75%以上。

李震表示，數(shù)據(jù)中心應(yīng)重視節(jié)水設(shè)備和技術(shù)，如采用節(jié)水式冷卻塔，節(jié)水噴頭等。在水資源匱乏地區(qū)，可考慮使用氟系統(tǒng)或干冷冷系統(tǒng)，減少對水資源的依賴。

同時，還要減少數(shù)據(jù)中心水資源浪費。可以實時監(jiān)控水資源使用情況，及時發(fā)現(xiàn)并解決浪費問題；通過安裝廢水處理設(shè)備，對冷卻水進(jìn)行凈化處理后再次用于冷卻；在降雨較多的地區(qū)，利用雨水收集系統(tǒng)為冷卻系統(tǒng)提供補充水源；采用高效水處理技術(shù)，延長冷卻水的使用周期，減少補充水的需求。

挖掘數(shù)據(jù)中心余熱價值

據(jù)估計，我國2021年數(shù)據(jù)中心可回收的余熱量共計2.3億GW，余熱溫度大多在17℃-50℃之間。

李震表示，目前電直熱和電熱泵等電氣化供熱得到高度重視，電動熱泵將低品位熱量提升溫度后加以利用，其能源利用效率高。未來的低碳供熱模式將以余熱利用為主，而數(shù)據(jù)中心恰好擁有豐富的余熱資源。

那么，數(shù)據(jù)中心應(yīng)如何進(jìn)行余熱回收？他指出，大型數(shù)據(jù)中心夏季余熱回收后可用于跨季節(jié)儲熱，中小型數(shù)據(jù)中心可用于生活熱水供熱。冬季可回收余熱主要用于供暖及生活熱水供應(yīng)。“余熱回收利用大多適用于冬季的北方。”

“但是余熱回收利用最大的問題不是技術(shù)，而是機(jī)制。”數(shù)據(jù)中心的余熱回收如何進(jìn)行責(zé)任分?jǐn)偅?/p>

他認(rèn)為，回收數(shù)據(jù)中心余熱用于冬季供暖的需求來源于熱用戶，能耗及費用理論上應(yīng)由熱用戶承擔(dān)。以熱用戶為分析對象，利用數(shù)據(jù)中心余熱會是一種比較經(jīng)濟(jì)的方案。

同時，數(shù)據(jù)中心也可以直接提供余熱，與熱用戶共同分?jǐn)傎M用，或根據(jù)余熱利用率抵扣電耗，以減少余熱回收環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)的影響。

能效應(yīng)算 電 碳 冷 水等多維度評估

在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，能效評估始終是行業(yè)關(guān)注的焦點。長期以來，PUE（電能利用效率），在這一評估體系中占據(jù)主導(dǎo)地位。PUE 數(shù)值越趨近于1，表明能效水平越好。

李震則表示，數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)能效指標(biāo)PUE不夠全面，在推進(jìn)數(shù)據(jù)中心低碳高效發(fā)展可能會導(dǎo)致PUE的降低。

在對數(shù)據(jù)中心能效進(jìn)行評估時，評估體系應(yīng)以PUE為主，同時結(jié)合CUE碳效、WUE水效、CE算效比、可再生能源利用率、上架率等指標(biāo)，全面衡量能源利用效率。“不能一刀切，僅用一個指標(biāo)衡量是不對的，需全面考量。”

與此同時，他認(rèn)為，在雙碳背景下，數(shù)據(jù)中心應(yīng)從三方面探索發(fā)展路徑：

一是提高能效，降低需求電量。提高服務(wù)器算效，提高單位電力能夠產(chǎn)出的效益；同時提高冷卻系統(tǒng)等設(shè)施的能效，保證冷卻效果的同時降低能耗。二是提高綠電比例?？山Y(jié)合儲能儲熱蓄冷等技術(shù)提高系統(tǒng)柔性，同時推進(jìn)算電協(xié)同，結(jié)合算力調(diào)度與分布式可再生能源構(gòu)建新能源微電網(wǎng)。三是構(gòu)建資源全周期利用體系。將回收數(shù)據(jù)中心余熱，變“廢熱”為“負(fù)碳”，并且降低數(shù)據(jù)中心水資源消耗，構(gòu)建水資源循環(huán)利用體系，提高水效。

采訪最后，他總結(jié)道，面對數(shù)據(jù)中心千差萬別的狀況，在低碳電力、冷卻系統(tǒng)、水資源、余熱以及能效評估這五個關(guān)鍵領(lǐng)域，應(yīng)具體情況具體分析，靈活調(diào)配資源，適配不同場景，突破機(jī)制阻礙，構(gòu)建全面體系，讓數(shù)據(jù)中心在算力持續(xù)爆發(fā)式增長浪潮中實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

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