数据中心每周 7 天、每天 24 小时使用大量电力和水来运行和冷却服务器机架。根据国际能源署的数据，数据中心占全球电力消耗的 1-1.5%，预计 未来几年这一比例只会增加。
随着人工智能 (AI) 需求的不断增长，全球数据中心正向更小、更密集、部件更热的服务器发展。电力需求的激增导致数据中心基础设施设计亟待调整。
人工智能支出飙升
预计到 2029 年，全球人工智能基础设施市场（包括数据中心、网络和其他支持人工智能应用的硬件）的支出将达到 4230 亿美元，未来六年的复合年增长率为 44%。与此同时，可持续发展的压力也在不断增加。
根据Uptime Institute 2022 年全球数据中心调查，“大多数运营商预计很快就会出现碳排放报告要求——但许多运营商还没有做好准备。”
世界各国政府都在加大力度，扩大可持续发展计划，以减轻电网压力，并寻找更好地管理水资源的方法。过去十年，成果令人鼓舞。
能源使用效率
电源使用效率 (PUE)是过去 15 年来衡量能源效率的主要指标之一，也是最近有所改善的关键指标。自 2018 年以来，PUE 一直保持相对平稳，当时测量的最大数据中心的平均值为 1.58。然而，在 2022 年，这一数字为 1.55，这意味着，总体而言，数据中心在冷却、配电和辅助设施功能上消耗的能源是 IT 的 55%。费率越低，电力、水和相关可持续性费用的支出就越低。
研究公司 Omdia 开展的《2022 年数据 中心热管理和可持续性最终用户调查》显示，超大规模数据中心拥有最佳的 PUE 指标。84% 的受访者表示他们的 PUE 低于 1.5，44% 的受访者表示低于 1.25。报告指出，大多数受访者表示，到 2025 年，他们的 PUE 将保持不变。然而，17% 的受访者表示 PUE 高于 1.5，表明还有提高能源效率的空间。
报告的其他亮点包括可持续性是调查受访者的三大选择标准之一。45% 的受访者表示，他们的数据中心使用可再生能源，占其总电力预算的不到 25%。
ESG 计划
可持续性不仅仅是减少对环境负面影响的合规做法，它还可以为组织带来经济效益。根据 Gartner 的《 解锁可持续 IT 基础设施的商业效益》 报告，“[基础设施和运营] 对可持续性战略的贡献往往侧重于环境影响，但可持续性也可以对非环境因素产生重大积极影响，例如品牌、创新、弹性和吸引人才。”
因此，董事会应该抓住公司环境、可持续性和治理 (ESG) 合规带来的财务机会，而不是将其视为另一项不可避免的合规费用，而没有可辨别的投资回报 (ROI)。
Gartner 预测，到 2027 年，75% 的组织将实施数据中心基础设施可持续发展计划。报告的作者指出：“可持续数据中心和云服务的环境效益显而易见，但它们带来的业务效益却常常被忽视。”报告指出，可持续 IT 只是可持续发展计划为企业创造价值的方式之一。
为了提高数据中心的弹性，Gartner 建议企业通过长期购电协议扩大可再生能源的使用，以控制成本，在可行的情况下自行发电，并尽可能地重复使用和重新部署设备，以最大限度地提高资源的价值。
数据中心可持续发展资源
对于希望降低电力和水消耗的数据中心运营商来说，有大量资源可供参考，包括美国能源部的EnergyStar 计划及其附录、国际能源署的《数据中心和数据传输网络》、InformationWeek的文章《数据中心如何减少用水量并提高效率？》、数据中心知识网站的《应避免的 5 个数据中心冷却错误》，以及大量的研究报告、供应商赞助的白皮书和在线技术文档。
这些资源可以帮助设计新的数据中心，以确保在施工开始前适当平衡热量、水和其他水替代资源。
GPU 密度的上升导致对电力和冷却的需求更高。
正确确定数据中心的规模
为数据中心设计电力基础设施的 Meade Engineering 公司首席运营官乔纳森·米德 (Jonathan Meade) 表示，过去几年来，数据中心的需求发生了巨大变化。“从电力角度来看，总体容量需求大幅增加。无论是建设数据中心还是使用数据中心内组件的客户，都需要更多的电力，这本质上意味着更多的资源。
电力需求增加的主要原因是服务器密度更高，消耗的能量也更多。他以前建造的服务器机柜需要 5 千瓦的电力，而“这已经是这些服务器能够承受的全部热量了”。如今，这些装有更密集硬件的机柜需要 20 到 30 千瓦的电力。
有趣的是，与传统商业应用的中央处理器 (CPU) 相比，用于 AI 应用的具有高功率图形处理器(GPU) 的更密集的服务器降低了冷却要求。如今，由于服务器技术的进步，过去需要 5 千瓦功率的服务器机架现在可以以 20-34 千瓦的功率运行，并且使用相同的冷却量。这就是创新真正推动的地方。
然而，尽管更强大的处理器取得了一些进展，每个处理器需要的冷却更少，但数据中心整体 GPU 密度的大幅增加意味着对电力和冷却的需求更高。
据专门从事房地产和投资管理的专业服务公司 JLL 称，建造数据中心“平均功率基础建筑”的成本（不包括计算资源）在 每平方英尺 125 至 200 美元之间。随着人工智能应用推高服务器硬件成本并需要更多电力和冷却，与数据中心建设成本相关的“平均”定义也将上升。
如今，数据中心运营商在建设新设施时面临的一个关键挑战是试图确定建设所需的能源量，避免规划不足或过度。如果设施中引入的电力太少，它可能无法为所有服务器提供适当的电力，更不用说为冷却操作供电了。但过度建设容量会浪费电力并推高成本。
清洁能源
德国巴登-符腾堡州 IONOS 数据中心建设主管 Uwe Erlenwein 同意 Gartner 的观点，即安装发电设施或部署可再生能源发电基础设施可以大大降低长期电力成本。这在注重清洁和可再生能源的欧洲尤其如此。由于数据中心需要大量电力，因此最好将数据中心建在靠近清洁能源的地方，例如太阳能、风能或水能。
电力创新
远距离传输电力当然可行，但电力在传输过程中会损失，因此将电力传输到离电源较近的地方更节能、更经济。例如，IONOS 正在建设自己的风力发电场，为一些新数据中心提供电力。
15年前，所有能源都来自传统的不可再生能源，包括煤炭、天然气和其他化石燃料。如今，这些清洁能源的组合正在为欧洲数据中心提供更高水平的电力。
数据中心建设也取得了进展 。光伏系统利用太阳能电池板将阳光转化为电能，过去几年被认为存在火灾风险，但现在却在数据中心中很受欢迎。埃伦韦恩说，他的公司最近在法国数据中心附近建成了一座 1.6 兆瓦的太阳能发电厂，以便在电网需求激增时提供电力。
核动力数据中心
大型数据中心常用的一种能源在公众心目中的形象有时并不那么正面：核能。然而，国际能源署认为核能是一种安全、清洁的能源。小型反应堆在世界各地都有使用，通常用于潜艇和大型海军舰艇。
世界核能协会估计，目前有 160 多艘核动力船舶在运行，其能源由 200 多座小型核反应堆产生。根据美国能源信息署的数据 ，目前美国约有 18.2% 的数据中心使用核能。
由于电网压力越来越大，无论是水力发电还是核能发电，都将出现自发电现象，曾管理过罗克韦尔自动化和微软的数据中心运营，预计未来五年数据中心使用核能发电的比例将有所增加，这只是“一种理想化的想法。这些人必须这样做才能确保达到这种可靠性水平。”
替代能源
如果公共电网不可靠，那么自发电（公共电网作为备用）可能成为大规模电力需求的首选。公共电网是当今的主要电力来源，使用 植物油 或天然气的柴油发电机是次要电力来源。他说，这一切都是为了降低成本。找到最有效的方式来运行你的发电厂，并在给定的关键负载下尽可能少地使用电力。
欧洲使用氢气作为动力源，使用不易爆炸的丙烷作为冷却源，但这些技术在美国不太常见，因为人们担心一旦出现问题，后果不堪设想。改用丙烷是因为其全球变暖潜能值低，而且化学制冷剂的使用也减少了。欧洲的趋势是使用大气中已经存在的天然制冷剂。
数据中心所需的替代电源是电池。当前的技术是锂离子，但与其他稀土材料一样，锂离子是一种有限的资源。我们需要新的电池技术。CyberDef是一家专门从事合规、政策、流程和程序的网络安全咨询公司。他表示，电动汽车和其他需要大而重的锂离子电池的新电动技术消耗了大量的世界资源。因此，需要一种新的电池技术来满足未来高使用率的应用。
在技术和国防领域也有着丰富的数据中心管理经验。在 IBM 工作了 22 年，包括运营其数据中心。在此之前，曾负责美国政府供应商麦克唐纳道格拉斯公司的数据中心。
改造旧数据中心是一种新兴趋势，尽管成本高昂。增加使用可再生能源的能力（尤其是美国西南部产生的太阳能）可以显著提高可用电力。如果我们有合适的收集器，能够将其存储在合适的电池中，并且我们能够高效地利用它，那么一切都会改变，建议在亚利桑那州建造太阳能电池板，那里干旱、地势平坦，自然灾害风险较低。
较新的非水冷技术将大有裨益。仅使用蒸发冷却和推动空气来冷却数据中心就会浪费大量原本可以饮用的水。
数据中心冷却趋势
如果说发电是可持续发展这枚硬币的“正面”，那么冷却就是“反面”。数据中心用于冷却的水资源消耗量巨大，用于冷却服务器组件的空气流量也很大。
空气冷却
Omdia 最近的一项调查报告显示，空气处理机组 ( AHU ) 和冷水机组是调查受访者首选的热管理系统，其中直接膨胀被选为主要的散热方法，其次是蒸发法。
此外，调查显示，液体冷却“在数据中心的应用尚处于早期阶段”。93% 使用液体冷却的数据中心 IT 负载不到 15%，以千伏安或 kVA 为单位。（kVA 是设备以 100% 效率运行时的视在功率的度量单位，而不是千瓦 [kW]，后者是转换为实际或工作功率的功率度量单位。）
有趣的是，1964 年推出的 IBM System/360 Model 91 处理器主机采用水冷。1977 年推出的 Digital Equipment Corp. 的 VAX 11/780 也采用水冷。这两种系统在数据中心流行了二十多年。
液体冷却的潜力
当今的液体冷却技术通常不涉及实际的水，而是涉及其他非导电液体，例如矿物油。
当每台机架的功耗达到 50 到 100 千瓦时，空气流动速度就无法足够快，无法冷却机柜。我们需要一种新的方法来冷却数据中心服务器。
液体冷却可能很快就会成为人工智能超密集环境的冷却方法，这将取代我们长期以来在该领域使用的传统空气流动和处理系统，当这些系统消失时，你的冷冻水回路、冷却塔和蒸发冷却都将消失。然后，你就可以运行耗水量非常低的数据中心，因为你基本上是将服务器浸入矿物油中。
液体冷却至关重要，因为没有其他方法可以消除密集得多的处理器机架的热量。话虽如此，这可能是“人工智能的意外后果，它在某种程度上产生了所有这些新的资源消耗。它可能会终结数据中心使用水和传统水基冷却系统。”
挑战传统观念
缺乏挑战数据中心冷却传统思维可能会阻碍该行业的发展。然而，微软等公司提供了令人信服的案例研究，说明为什么偏离常规可以带来意想不到的好处。
传统上，数据中心的温度由美国采暖、制冷与空调工程师学会 ( ASHRAE ) 确定，该学会确定了服务器组件的最佳工作温度。你让数据大厅保持非常低的温度，并希望设备保持良好状态。大约在 2007 年或 2008 年，微软和其他公司开展了一项研究，结果表明，在这些温度下运行数据中心的成本超过了硬件的购买价格。
在与英特尔和其他在数据中心使用其产品的芯片供应商会面后，微软确定 ASHRAE 工作温度模型低于要求。通过将数据大厅的环境温度提高 12 华氏度，数据中心能够显著降低其冷却成本。
另一个突破传统思维——字面意义上——是要求惠普和戴尔使用一个集装箱，在其中安装 2000 台服务器，然后直接运送到微软数据中心。这样做可以减少大量的纸板浪费。部署速度更快，可持续性更强，它给了我们一个带有硬壁的箱子，便于移动并提高效率。我们的 PUE 达到了 1.1。
虽然数据中心会出于规划目的寻找尖端技术，但他们倾向于使用成熟的生产服务器技术。他们往往不愿信任合同要求非常高正常运行时间的服务器的尖端技术。新技术失败并导致大规模诉讼的可能性根本不值得冒这个险。这不是一个我们愿意接受创新理念的行业他，我们不愿意随意尝试。”
许多即将退役的燃煤发电厂并没有立即被取代。他建议，受退役电厂影响的数据中心可能会用可再生能源来替代损失的电力。
数据中心客户必须支付的额外电力成本并不总是首要考虑因素。如果您需要在纽约市为延迟敏感型应用程序提供服务，那么纽约市的数据中心就是您需要的地方。
数据中心可持续运营的未来
尽管能够将更多的计算能力装入更小的服务器中，但人工智能的需求以及基于 GPU 的服务器（而不是基于 CPU 的服务器）产生的更多热量将继续对冷却和电源系统提出更高的要求。再加上数据中心资源从企业场所向云端的迁移越来越多，我们可以预见数据中心的需求将继续保持旺盛。
未来，数据中心可能会被设计成能够为每个机架输送更多电力，并能够采用改进的芯片冷却技术，使用水替代物。规模较小的离网数据中心可能由类似潜艇的小型核电站供电，这种数据中心可能会遍布全国，因为当地的电网能力低于数据中心的需求。
着眼于可持续发展以改善和保护环境、人工智能应用的显著进步以及企业对云计算的依赖，数据中心运营的未来确实是光明的。
