中国数据中心能耗及能效水平研究

据统计中国数据中心规模呈快速增长趋势，数据中心能耗也随之快速增加。2009年，我国数据中心总耗电量约364亿kwh，占当年全国总电耗的1%.未来几年，我国数据中心仍将快速发展，如果维持当前的低能效水平，到2015年，仅全国的数据中心就将消耗掉三峡电站1年的发电量。

随着各行各业网络化、信息化的不断推进，我国数据中心的数量和服务量快速增长，其电耗和成本问题日益凸显。数据中心节能已不仅仅是企业节能、降低成本的需要，还是国家开展节能减排工作的重要方面。有效开展数据中心节能工作，必须全面深入地了解我国数据中心能耗①及能效的整体状况，但目前国内尚缺乏系统的研究结果，本文在此方面进行了探索。

1.数据中心概述

数据中心是一个聚集了大量服务器、存储设备、网络设备等IT设备的场所，是实现数据信息的集中处理、存储，传输、交换、管理等业务的服务平台。从物理层次看，数据中心主要由IT设备、配电系统和空调系统3部分构成。IT设备用于数据处理（服务器）、数据存储（存储设备）以及通信（网络设备），是实现数据中心功能的核心部分。配电和空调系统，用以保障IT设备系统的正常运行。配电系统用于直流、交流转换，并确保为IT设备提供可靠、高质量的电源。空调系统保证IT设备在正常的温度和湿度下工作。

数据中心的发展大致经历了几个阶段。早期，计算机领域巨大的计算机房是数据中心的雏形。20世纪90年代，客户端／服务器的计算模式逐步普及，服务器开始被单独放置，数据中心开始流行。本世纪初，随着互联网的发展，互联网数据中心（InternetDataCenter，IDC）快速兴起，所能提供的服务不断升级。近年来，气候变暖、能源紧张等问题，使数据中心面临着降低能耗、节约成本的严峻挑战，数据中心节能受到前所未有的关注，“绿色数据中心”的概念应运而生，并将成为数据中心新的发展方向。

2.我国数据中心现状及发展趋势

2.1数据中心市场现状

近年来，国内各行业业务处理对信息技术的依赖不断增加，国内数据中心市场逐年扩大，投资规模快速增长。2007—2009年，我国数据中心市场总体的投资规模从525亿元，增长到712亿元，年均增速16.5％。数据中心投资主要包括硬件、软件和服务３部分。其中服务器、存储、机房产品等硬件设备投资额所占比重最高，2009年为65％；软件和服务的投资额所占比重较小，2009年分别为13％和22％，但这２部分近年来增长速度较硬件部分更快，市场发展更为活跃。从区域分布来看，华北、华东、华南是我国经济最发达、信息化应用水平最高的地区，同样也是数据中心投资的热点地区。2009年，这3个地区数据中心投资总额占全国的80.6％。就行业分布而言，金融、电信所占市场份额最高，因为它们信息化程度高，对数据中心服务量需求大，对服务水平需求高，2009年这２个行业的数据中心投资额占全国的52.5％。

2.2.服务器销售和应用现状

服务器是数据中心的核心部分，在数据中心硬件设备投资中所占比重最高。2009年，全国服务器投资额达223.1亿元，占硬件设备投资的48％。服务器也是数据中心中能耗最高的部分，掌握服务器的应用状况，有助于分析我国数据中心的总能耗。服务器可分为X86和Non——X86类，其性能、价格和功率都与其CPU数目密切相关。CPU数目越多，服务器性能越强，价格和功率越高。2009年，我国２类服务器按照CPU数日划分的产品销售结构如表1所示。X86服务器中，２路CPU的服务器市场份额最高，销量和销售额均占70％以上；Non—X86服务器中，8路以下CPU的服务器市场份额最高，销量占75％，销售额占45％。可见，低端服务器是当前市场的主流。

从对我国服务器应用情况的调研显示：我国71％的企业拥有的服务器台数不超过50台，其中25％的企业拥有的服务器台数不超过5台；70％的服务器用户拥有自己的机房；其中只有12％的用户拥有比较完善的大规模数据中心；有37％的用户选择将服务器全部部署在自建小机房中；有22％的用户将部分服务器部署在自建小机房，部分托管在ＩＤＣ；选择将自有服务器全部托管在IDC的用户不到20％；完全从IDC租用服务器的用户仅占7％。由此可见，我国企业以自建数据中心为主，且大多数企业的数据中心规模很小，放置的服务器数目很少。这种小规模的数据中心通常被称为服务器设备间或机房。

2.3.数据中心市场发展趋势

我国正处在信息化建设投入的快速增长期，随着“两化融合”、十一大产业振兴规划、三网融合等政策措施的推进，电信、金融、能源等重点行业对数据中心的需求旺盛。同时，信息技术不断演进，也为数据中心市场增长不断注入活力。服务器方面，我国目前入均保有量仅为美、日等发达国家的1／20，全球平均水平的1／３。可见，未来我国数据中心和服务器仍有很大的发展空间。据预测，未来３年我国数据中心市场的投资规模将以年均16.3％的速度持续快速增长，2012年投资总额达到1120亿元；服务器的销售量将以年均１０％左右的速度增长，2012年达到101万台，销售额达到323亿元。数据中心规模的继续扩大，也必然带来数据中心能耗的持续上涨。

3.我国数据中心能耗及能效水平分析

3.1.数据中心能耗构成及能效指标

数据中心能耗是指数据中心中各种用能设备消耗的能源总和，不仅包括服务器、交换机等IT设备的能耗，还包括空调、配电等辅助系统的能耗。据了解，在目前数据中心能效水平状况下，数据中心能耗的构成大致如图ｌ所示。IT设备是能耗最高的部分，约占数据中心总能耗的50％左右，其中服务器能耗占40％左右，存储设备和网络通信设备能耗各占５％左右；空调系统能耗在数据中心总能耗中排第二位，占40％左右；配电系统能耗约占数据中心总能耗的10％左右。

关于数据中心能效，IT行业的专家们提出了多个评价指标，其中比较有影响的是绿色网格组织（Green Grid）提出的２个能效指标：一是电能利用效率尸晒（Power Usage Effectiveness）；二是数据中心基础设施效率DCiE（Data Center Infrastructure Effectiveness）。它们的计算式如公式1和公式2所示。

PUE为数据中心总能耗与IT设备总能耗之比，当提供同样的服务、IT设备系统能耗相同时，总能耗越低的数据中心，PUE值越低，能效越高。DCiE是PUE的倒数。

3.2.我国数据中心能效水平现状

目前业内所提的数据中心能效通常指的是尸晒值，对PUE的计算式做进一步推导可以得到公式3.能够看出PUE实际上与IT设备系统的效率没有关系，只与空调和配电系统的效率有关，这二者能耗之和与IT设备能耗比值越小，PUE值越小，数据中心能效越高。由于空调系统能耗远高于配电系统能耗，因此其能效对PU值起到关键作用。空调设备（冷水机组、房间空调器等）本身有一个表征能效的指标，既COP（coefficient Of Performance），它等于空调设备提供的冷（热）量与消耗的能量之比。提供相同的冷（热）量，消耗的能量越少，COP越高，空调能效越高。对于空调系统而言，除了空调设备（冷水机组、房间空调器等）之外，还包括风机、盘管等输配设备，它们也消耗大量的能量，空调系统能效可以用综合COP来表征，即整个空调系统提供的冷（热）量与其消耗的能量之比。在数据中心里，空调系统的作用主要是带走数据中心内部的发热量，而这些发热量绝大部分来自IT设备，IT设备消耗的电力最终绝大部分转换成热量散发到房间中。因此数据中心空调系统的综合COP大致相当于IT设备系统能耗与空调系统能耗之比。根据目前数据中心能耗构成可以分析出，数据中心空调系统的综合COP大约为1.25，而普通建筑空调系统的综合COP大约为2.0—2.5.可见，目前数据中心中空调系统效率非常低，由此也导致数据中心整体能效水平偏低。据了解，高效的数据中心，PUE通常低于1.6，有的甚至低至1.3.美国当前数据中心的平均能效大约为2.0.大型的数据中心往往更注重节能，采用高效的设备，运用节能技术，并配以较完善的管理、维护措施，通常能效水平较高。而小型数据中心，特别是规模很小的服务器设备间和机房，在设备、管理、运维、节能技术水平方面往往比较落后，能效水平通常较低。服务器应用现状显示，当前我国这类小机房所占比重较大，使得我国数据中心整体能效水平偏低。有研究表明，目前我国各类数据中心的PUE大多在2.0—2.5范围内，平均水平约为2.2.

3.3.我国数据中心能耗现状

对于我国数据中心总能耗，目前尚没有全面、细致的研究。本研究借鉴美国一项研究成果对此进行分析。2007年，美国环保署（Environmental Protection Agency，EPA）向美国国会提交了一份报告，描述了美国2000年之后数据中心能耗的增长情况，并预测了未来能耗的展趋势。研究报告采取自下而上的方式估算了数据中心能耗，计算的基础数据均来自公开的材料。报告中，依据服务器的单台价格，将其分为入门级（低端）、中端和高端３类；依据数据中心规模和IT设备特征，将其从小到大分为服务器设备间、服务器机房、小型数据中心、中型数据中心和企业级数据中心5类。根据工业部门估计的出货单和存货周转，报告首先估算了2000—2006年美国各级别服务器的安装量及其在各类数据中心中的分布。又结合每类服务器单台的平均年耗电量，报告计算得出2000—2006年美国全国服务器总电耗。参考相关文献的研究结果，报告进而估算了各年份存储装置和网络设备的用电量。将服务器、存储设备、网络设备能耗相加即得到美国全国数据中心IT设备的总消耗量。再根据美国数据中心能效的平均水平，便可根据公式1计算出2000～2006年美国全国数据中心总电耗。

上述测箅方法所需的计算数据，我国没有现成的结果。本研究经过多方收集资料和分析，获得了部分基础数据，对于难以获得支撑数据的部分采取了简化估算方法。

根据前述2009年服务器产品结构数据，将1——2路的X86服务器作为低端服务器，4路及其以上的X86服务器和８路以下的Non——X86服务器作为中端服务器，８路及其以上的Non——X86服务器作为高端服务器，可得到2009年我国各级别服务器的销售量。服务器的使用年限大约为5年，所以各级别服务器保有量可按照当年销售量的５倍简单估算，结果详见表２。由于我国缺少不同级别服务器平均年耗电量的数据，本文参考近几年美国各类级别服务器平均年耗电量及增长趋势数据进行了推算。由服务器保有量乘以年耗电量即可得到我国服务器全年总耗电量。因为缺乏数据中心存储设备和网络设备保有量和平均功率的数据，难以直接测算这２部分的能耗，本文按照服务器能耗占IT设备能耗的80％估算IT设备总能耗。又根据公式１，取我国数据中心平均PUE为2.2，可计算出2009年我国数据中心总能耗，计算结果如表２。2009年我国服务器保有量约为366万台，服务器总耗电量约132亿kwh，数据中心总耗电量约364亿kwh，约占当年全国电力消耗总量的1%.

如前所述，未来几年，各行各业对数据中心的需求仍将快速增长，服务器的保有量将继续增加。同时，业务量的增加和业务需求的提高，也将使单台服务器的年均耗电量持续上涨。如果维持当前较低的能效水平，2015年我国数据中心能耗将达到1000亿kwh左右，相当于三峡电站1年的发电量。

4.结论

在网络化、信患化快速发展的阶段，中国数据中心规模呈快速增长趋势，数据中心能耗也随之快速增加。2009年，我国数据中心总耗电量约364亿kwh，占当年全国总电耗的1%.未来几年，我国数据中心仍将快速发展，如果维持当前的低能效水平，到2015年，仅全国的数据中心就将消耗掉三峡电站1年的发电量。因此，加强数据中心节能、提高数据中心能效是必要和紧迫的。我国数据中心能效具有较大提升空间，数据中心具有较大节能潜力，应成为未来节能减排工作的重要努力方向。