預(yù)計(jì)到2025年中國(guó)將新增電力負(fù)荷187GW，相當(dāng)于目前全國(guó)裝機(jī)容量的9.4%和2019年電力消費(fèi)總量的21.3%。大量布置在城區(qū)的5G基站、邊緣計(jì)算服務(wù)器、電動(dòng)汽車的充電樁，將對(duì)現(xiàn)有的城市配電網(wǎng)帶來(lái)巨大沖擊。西部地區(qū)大量建設(shè)大型數(shù)據(jù)中心將增加當(dāng)?shù)仉娏οM(fèi)，減少外輸電量，改變“西電東輸”格局。數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的能耗強(qiáng)度如果沒(méi)能得到有效控制，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的低碳效果就會(huì)大打折扣。
數(shù)字技術(shù)是我們?cè)诒敬我咔榫蛹腋綦x期間最大的幫手，也是疫情后“新基建”的最大受益者。按照國(guó)家發(fā)改委的表述，“新基建”主要涉及數(shù)字技術(shù)，包括信息基礎(chǔ)設(shè)施和融合基礎(chǔ)設(shè)施。信息基礎(chǔ)設(shè)施包括以5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等為代表的新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，以及以數(shù)據(jù)中心、智能計(jì)算中心為代表的算力基礎(chǔ)設(shè)施等。融合基礎(chǔ)設(shè)施主要是指深度應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，支撐傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型升級(jí)，進(jìn)而形成的融合基礎(chǔ)設(shè)施，如智能交通基礎(chǔ)設(shè)施、智慧能源(4.220, 0.00, 0.00%)基礎(chǔ)設(shè)施等。
數(shù)字技術(shù)消耗能源。當(dāng)您用手機(jī)或電腦發(fā)微信或參加線上會(huì)議時(shí)，您家里的路由器或者身邊的移動(dòng)通信基站會(huì)把您的信息傳輸?shù)椒?wù)商的數(shù)據(jù)中心，在那里計(jì)算處理后再回到您的手機(jī)或電腦上，完成您的社交或會(huì)議功能。在這一場(chǎng)景中，除了您手機(jī)或電腦耗電之外，后面的路由器、移動(dòng)基站、數(shù)據(jù)中心都在耗電，并且消耗的電量要比您手機(jī)或電腦大得多。
今天所有數(shù)字技術(shù)設(shè)備都由電力驅(qū)動(dòng)，凸顯了安全、穩(wěn)定、不中斷的電力供應(yīng)對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)運(yùn)營(yíng)的重要性，而新數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施中最大的耗電量將來(lái)自于5G基站、數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算服務(wù)器和端設(shè)備。
由于這些消耗之前沒(méi)人做過(guò)系統(tǒng)的分析且在傳統(tǒng)能源工作者關(guān)注的范圍之外，大家普遍認(rèn)為數(shù)字新基建耗能不高。本文分析數(shù)字新基建對(duì)電力需求的影響，并以2025年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，匡算可能新增的電力負(fù)荷，建議國(guó)家在“十四五”規(guī)劃制定過(guò)程中，對(duì)數(shù)字技術(shù)引起的能耗增加以及全國(guó)電力供應(yīng)的結(jié)構(gòu)性改變給予高度重視。
5G基站能耗：2025年或新增53GW
無(wú)線通信的基站是連接移動(dòng)設(shè)備和固定線路的連接點(diǎn)。根據(jù)3GPP(由七家國(guó)際移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織組成的“第三代伙伴計(jì)劃”，The 3rd Generation of Partnership Project)組織的規(guī)則，無(wú)線基站分為四類，分別是宏基站、微基站、皮基站和飛基站。它們的具體參數(shù)見表。
我們通常所說(shuō)的4G或5G基站指的是宏基站。通過(guò)宏基站和微、皮、飛基站的組合可實(shí)現(xiàn)一個(gè)城區(qū)的全域覆蓋。
無(wú)線通信從1G到5G發(fā)展，所用的頻段越來(lái)越高，導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)木嚯x逐步縮短，基站覆蓋面積變小，因而需要部署更多的基站。4G基站在城區(qū)的覆蓋半徑是1000米-3000米，而5G基站覆蓋半徑按照其采用的頻段(電信3.4-3.5GHz;聯(lián)通3.5-3.6GHz;移動(dòng)2.5-2.6GHz和4.8-4.9GHz)不同而不同，一般在300米-450米之間。據(jù)中國(guó)信息通信研究院副院長(zhǎng)何桂立預(yù)測(cè)，5G宏基站數(shù)量約為4G基站數(shù)量的2倍以上才能覆蓋4G的范圍。
根據(jù)何家愛、劉曉村《基站節(jié)能減排措施探討》的統(tǒng)計(jì)，基站(指的是宏基站，下同)功耗由主設(shè)備(45%)和空調(diào)系統(tǒng)(40%)為主，另外的15%用于電源系統(tǒng)和其他設(shè)備功耗。根據(jù)其他相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)于5G基站來(lái)說(shuō)，站點(diǎn)的通信設(shè)備能耗和其他輔助能耗比例平均在50∶50左右。5G網(wǎng)絡(luò)由于高帶寬、高流量、高發(fā)射功率，其單站能耗比4G要大幅增加。據(jù)中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，目前主要運(yùn)營(yíng)商的5G基站主設(shè)備空載功耗約2.2-2.3kW，滿載功耗約3.7-3.9kW，是4G單站的2.5倍-3.5倍。按照基站主設(shè)備能耗與空調(diào)等輔助能耗45∶55的比例來(lái)說(shuō)，5G基站單站滿載功耗在8.2-8.7kW，而4G基站總能耗則在2-2.5kW之間。
華為在去年10月的全球電信業(yè)能效峰會(huì)上發(fā)表了一份“5G通訊電力目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)白皮書”，描述了5G基站建設(shè)對(duì)電力系統(tǒng)的需求。白皮書顯示，今天的一座5G基站平均耗電6kW，滿載功耗8kW。三年后，隨著大功率多發(fā)射器多接收器天線(Massive MIMO)的普及和移動(dòng)邊緣計(jì)算的嵌入，基站的功耗要提高到平均10.4kW，滿載功率達(dá)到13.7kW。五年后，隨著毫米波(mm Wave)和其他新技術(shù)的應(yīng)用，基站的能耗將上升到平均13.4kW，滿載功率到18.9kW。
基于其高功率需求，大規(guī)模5G基站建設(shè)所引起的耗電賬單(一座功耗10kW的基站每年電費(fèi)就要7萬(wàn)多元)不僅是電信運(yùn)營(yíng)商的不堪承受之重，對(duì)于城市配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)也是非常嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。5G基站建設(shè)前需要對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)及其配套設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)容。
作為“新基建”的核心內(nèi)容之一，三大電信運(yùn)營(yíng)商和全國(guó)多個(gè)省市都出臺(tái)了5G專項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃。
按照中國(guó)信息通信研究院的統(tǒng)計(jì)，截至今年4月，中國(guó)已開通5G基站達(dá)到25萬(wàn)個(gè)，5G套餐用戶突破7300萬(wàn)，且基站建設(shè)按照每周新增1萬(wàn)座左右的速度增長(zhǎng)。賽迪研究院2020年6月發(fā)布的研究報(bào)告估計(jì)，到2020年底，全國(guó)的5G基站將到達(dá)63萬(wàn)座。隨著“新基建”的推進(jìn)，基站的數(shù)量在未來(lái)幾年肯定會(huì)大幅增長(zhǎng)。
按照國(guó)信證券(14.450, 0.00, 0.00%)的統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)有544萬(wàn)座4G基站。因5G基站覆蓋的距離要比4G短，按照保守的一個(gè)4G基站需要1.2個(gè)5G基站來(lái)計(jì)算，替代全國(guó)現(xiàn)有的4G基站需要650萬(wàn)座5G基站。如果每座5G基站的平均總功耗是7kW(不是滿載功率)，相比4G新增的電力需求按照5kW來(lái)算，假設(shè)5G在全國(guó)范圍五年內(nèi)通過(guò)改造來(lái)代替三分之二的4G基站，相當(dāng)于改造433萬(wàn)座基站，這就需要新增電力負(fù)荷21.65GW。
4G移動(dòng)通信的應(yīng)用主要在民生服務(wù)(如手機(jī))領(lǐng)域，而5G的廣連接、高傳速和低延時(shí)功能不僅使民生服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用得到大幅度提升，結(jié)合4K/8K高保真電視、VR/AR(虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))、全息視頻等技術(shù)，5G將進(jìn)一步加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)在文娛新聞、智慧教育、遠(yuǎn)程辦公、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的體驗(yàn)，同時(shí)也給自動(dòng)駕駛、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用提供了可能，而基于4G改造的5G基站將無(wú)法滿足這些特定環(huán)境下大數(shù)據(jù)高速傳輸需求。
如果商業(yè)模式成熟，更多的5G基站將會(huì)布局在工業(yè)、交通等應(yīng)用場(chǎng)景，相應(yīng)的電力需求及配網(wǎng)設(shè)施投資也會(huì)增加。如果按照與民生領(lǐng)域1∶0.5來(lái)算的話，即在全國(guó)工業(yè)、交通等物聯(lián)、車聯(lián)領(lǐng)域五年內(nèi)新布局218萬(wàn)座5G基站，每個(gè)基站功耗7kW，新增的電力需要15.26GW左右。
以上2025年5G基站對(duì)于電力負(fù)荷的增加(21.65+15.26=36.91GW)是基于今天5G基站的平均7kW來(lái)測(cè)算的。如果按照華為白皮書所說(shuō)的，三年后5G基站的功耗幾乎翻倍，達(dá)到平均10.4kW，滿載功率達(dá)到13.7kW，那么2025年5G基站的總功耗會(huì)更高。在上述白皮書中，華為預(yù)測(cè)到2026年，中國(guó)的電信運(yùn)營(yíng)商將有475萬(wàn)座5G宏基站和950萬(wàn)座小微基站在用毫米波技術(shù)運(yùn)營(yíng)。按照這個(gè)預(yù)測(cè)，如果到2025年，有400萬(wàn)座宏基站并且都使用毫米波技術(shù)，每座耗電15kW，總負(fù)荷就會(huì)達(dá)到60GW，遠(yuǎn)高于以上37GW的保守估算。
除了以上分析的宏基站耗能情況外，比宏基站數(shù)量多出幾倍的微基站、皮基站和飛基站的能耗也值得重視。宏基站適用于廣域覆蓋，微基站偏向局域覆蓋，皮基站相當(dāng)于企業(yè)級(jí)WiFi，而飛基站則與家庭路由器相當(dāng)。微基站主機(jī)功耗1kW，加上空調(diào)的輔助設(shè)施就是2kW每座。皮基站一般安裝在室內(nèi)不需要獨(dú)立空調(diào)，每座功耗在800W左右。家庭級(jí)的飛基站的能耗可以納入端設(shè)備。
籠統(tǒng)估算，如果只考慮微基站，2025年建成800萬(wàn)座微基站，每座功耗2kW，相比現(xiàn)有的4G微基站增加1kW負(fù)荷的話，就需要增加負(fù)荷8GW。企業(yè)級(jí)皮基站的數(shù)量要比微基站更多，如果在2025年前新建1000萬(wàn)座，每座耗電800W，那么又要增加8GW。
綜合以上分析，粗略估計(jì)2025年5G基站(包括宏、微、皮基站)的電力負(fù)荷增加53GW以上。
準(zhǔn)確估算5G對(duì)電力需求影響涉及到兩個(gè)核心參數(shù)：5G基站的單站功耗和5G在全國(guó)推廣的速度。單站功耗在短時(shí)間內(nèi)很難大幅度下降，反而會(huì)隨著性能的提升而大幅度提高，關(guān)鍵就要看基站的推廣速度：五年內(nèi)能否完成對(duì)4G三分之二的替代?5G應(yīng)用能否創(chuàng)造足夠大的價(jià)值，使得它在工業(yè)物聯(lián)、交通與車聯(lián)等領(lǐng)域大規(guī)模推廣?這是決定5G基站新增電力需求估算的主要不確定因素。反過(guò)來(lái)看，5G基站的高能耗帶來(lái)的高成本也許成為其大規(guī)模推廣的主要制約因素。
數(shù)據(jù)中心能耗：2025年或新增78GW
相比5G基站，數(shù)據(jù)中心的能耗更大，對(duì)電力系統(tǒng)的影響也更大。
數(shù)據(jù)中心是集中儲(chǔ)存和處理數(shù)據(jù)的地方，小的是一個(gè)房間，大的可以是一棟大樓或幾棟大樓。數(shù)據(jù)中心由成排的機(jī)架(或機(jī)柜)組成，機(jī)架大小不一，大的與集裝箱一樣，以方便運(yùn)輸與安裝。一個(gè)數(shù)據(jù)中心可以有幾千個(gè)甚至幾萬(wàn)個(gè)機(jī)架，通過(guò)管理軟件進(jìn)行組合。機(jī)架里面裝的是由無(wú)數(shù)芯片組成的服務(wù)器(server)，這些服務(wù)器就如我們平常用的電腦，由電力驅(qū)動(dòng)，消耗電力后產(chǎn)生的熱量通過(guò)附帶的金屬片散發(fā)。
為了使服務(wù)器在穩(wěn)定的溫度和濕度(18℃-27℃，濕度在60%以下)環(huán)境下運(yùn)營(yíng)，需要將服務(wù)器產(chǎn)生的熱量排到室外，這就需要額外的電力來(lái)給數(shù)據(jù)中心制冷。此外，數(shù)據(jù)中心需要非?？煽康碾娏?yīng)，都帶有自己的備用電源。數(shù)據(jù)中心的能耗很高，目前全球大型數(shù)據(jù)中心需要的電力供應(yīng)都在100MW以上。
因?yàn)閿?shù)據(jù)中心在驅(qū)動(dòng)服務(wù)器等硬盤設(shè)施所需的電力之外還需要輔助設(shè)施來(lái)降溫并提供不間斷電源保障，衡量數(shù)據(jù)中心能源效率的一個(gè)重要指標(biāo)就是其總能耗與真正用于驅(qū)動(dòng)IT設(shè)施的能耗之間的比例，即電能使用效率值(Power Usage Effectiveness，PUE)，PUE越低，證明它需要的輔助能耗越少。按照中國(guó)信息通信研究院的數(shù)據(jù)，2013年以前，全國(guó)對(duì)外服務(wù)型數(shù)據(jù)中心平均PUE在2.5左右，而到2019年底，這些數(shù)據(jù)中心的平均PUE已經(jīng)接近1.6。工業(yè)和信息化部聯(lián)合國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國(guó)家能源局印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》(工信部聯(lián)節(jié)〔2019〕24號(hào))要求到2022年，全國(guó)新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率值達(dá)到1.4以下。
數(shù)據(jù)中心的電力消費(fèi)主要發(fā)生在機(jī)架上，而機(jī)架又可以按照其安裝的服務(wù)器性能來(lái)劃分，高密度機(jī)架安裝更多計(jì)算能力更強(qiáng)的服務(wù)器，所需要的電力供應(yīng)也更大。根據(jù)全球數(shù)據(jù)中心經(jīng)理人協(xié)會(huì)(Association For Computer Operations Management，AFCOM)對(duì)機(jī)架密度的分類，低密度機(jī)架每臺(tái)耗電在4kW以下，中密度為5-8kW，高密度為9-15kW，超高密度為16kW以上。隨著新興技術(shù)的快速發(fā)展，特別是高性能計(jì)算設(shè)備和GPU(Graphic Processing Unit)服務(wù)器的使用，單機(jī)機(jī)架的功耗將朝著20-30kW甚至更高規(guī)模發(fā)展。
數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。截至2018年底，中國(guó)大小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心總量已超過(guò)40萬(wàn)個(gè)。據(jù)國(guó)網(wǎng)能源研究院的統(tǒng)計(jì)，2018年，全國(guó)大型及以上數(shù)據(jù)中心的總機(jī)架數(shù)已達(dá)204萬(wàn)個(gè)，預(yù)計(jì)到2020年、2025年這些數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)量分別達(dá)到498萬(wàn)、802萬(wàn)個(gè)。國(guó)網(wǎng)能源研究院估計(jì)，2018年，全國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電總量達(dá)到1609億kWh，超過(guò)上海市當(dāng)年全社會(huì)用電量(1567億kWh)，占全國(guó)用電量比重的2.35%。中國(guó)電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會(huì)秘書長(zhǎng)呂天文在2019年的一次會(huì)議上透露，目前中國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)八年以12%以上的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年總耗電量將達(dá)到2962億kWh。
結(jié)合這兩組數(shù)據(jù)，如果我們?nèi)?500億kWh作為比較保守的2020年全國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量，并取8kW為數(shù)據(jù)中心的機(jī)架平均密度(標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架)，那就得出全國(guó)數(shù)據(jù)中心在2020年有357萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架在運(yùn)行，需要的電力容量(包括制冷等非IT部分)支撐是28.5GW。
中國(guó)自2015年以來(lái)，數(shù)據(jù)處理量每年以95%的速度增長(zhǎng)，與全球數(shù)據(jù)量每隔11個(gè)月翻番的速度可以相比。有專家預(yù)計(jì)，2025年全球數(shù)據(jù)量將會(huì)從2016年的16ZB(1ZB=10的18次方比特)上升至163ZB，2021年中國(guó)人均移動(dòng)數(shù)據(jù)流量要比2015年增長(zhǎng)18倍。
隨著5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備如移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)探測(cè)器、監(jiān)控?cái)z像頭、汽車以及服裝等都會(huì)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，各種類型的數(shù)據(jù)正在以更快的速度指數(shù)級(jí)地增長(zhǎng)，而這些海量數(shù)據(jù)(27.250, 0.00, 0.00%)也將會(huì)推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向超大規(guī)模發(fā)展。中國(guó)的數(shù)據(jù)中心除了滿足本國(guó)需求之外，還可以為其他國(guó)家提供服務(wù)。
估算未來(lái)數(shù)據(jù)中心能耗總量也面臨著5G基站同樣的問(wèn)題：機(jī)架數(shù)量的增加與單架能效提高之間如何平衡?
一方面，按照保守估計(jì)，中國(guó)數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)量將會(huì)以每年30%的速度增長(zhǎng)。按照這個(gè)速度，2025年的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架總數(shù)將達(dá)到1325萬(wàn)個(gè)，比目前的357萬(wàn)個(gè)機(jī)架要增加968萬(wàn)個(gè)。假設(shè)單架功率保持在8kW不變，1325萬(wàn)個(gè)機(jī)架需要的電力支撐就是106GW，比目前的28.5GW凈增加77.5GW的電力負(fù)荷需求。
另一方面，隨著技術(shù)進(jìn)步和數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)調(diào)整，單機(jī)能耗會(huì)降低，PUE數(shù)值也會(huì)進(jìn)一步下降。
國(guó)際能源署在2017年出版的《數(shù)字化與能源》報(bào)告中估計(jì)，2014年全球數(shù)據(jù)中心的電力消費(fèi)總量為194TWh，占全球電力消費(fèi)的1%。美國(guó)作為全球最大的數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)，2014年數(shù)據(jù)中心的耗電量占全國(guó)總量的1.8%。IEA預(yù)計(jì)，得益于服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)開關(guān)等設(shè)施的能效提高和數(shù)據(jù)中心向超大型和云中心的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變，盡管數(shù)據(jù)中心工作負(fù)荷到2020年會(huì)在2014年基礎(chǔ)上增加3倍，數(shù)據(jù)中心的耗電總量只會(huì)增長(zhǎng)3%，到200TWh。在其兩年后發(fā)布的《能源效率2019》報(bào)告中，國(guó)際能源署更新了這一數(shù)字，估計(jì)全球數(shù)據(jù)中心和傳輸網(wǎng)絡(luò)在2018年一共消費(fèi)了460TWh電力，其中網(wǎng)絡(luò)傳輸250TWh，數(shù)據(jù)中心210TWh。
2020年2月，《Science》雜志刊登了美國(guó)五位學(xué)者的一篇論文《重新校準(zhǔn)全球數(shù)據(jù)中心能耗估算》。作者指出，得益于數(shù)據(jù)中心從較小分散的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心集約化轉(zhuǎn)變、全球服務(wù)器效率以及虛擬化程度的提高、制冷和供配電等基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的不斷改進(jìn)，與2010年相比，2018年全球數(shù)據(jù)中心計(jì)算實(shí)例(Compute Instances)增加了550%，而同期全球數(shù)據(jù)中心的耗電量?jī)H增加了6%。
毫無(wú)疑問(wèn)，技術(shù)還會(huì)進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心單位數(shù)據(jù)處理的能源效率還會(huì)提高，但在數(shù)據(jù)處理量快速上升時(shí)如何把新增電力需求控制在合理水平?這是一個(gè)重大問(wèn)題，需要繼續(xù)深入研究。
按照工信部賽迪研究院的數(shù)據(jù)，全國(guó)目前有48%的數(shù)據(jù)中心PUE值在1.8以上，即為了提供1單元的計(jì)算電力，需要同時(shí)消耗0.8個(gè)單元來(lái)提供制冷等輔助服務(wù)。值得注意的是，為了降低數(shù)據(jù)中心的PUE值，擁有龐大服務(wù)器群的云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛在電力資源豐富、氣候涼爽的偏遠(yuǎn)地區(qū)(如廣西、內(nèi)蒙古)建立數(shù)據(jù)中心，此舉雖然降低了PUE，但減少了原來(lái)規(guī)劃輸出到東部沿海省份的電量。
數(shù)據(jù)中心不是數(shù)字技術(shù)唯一消耗電力的環(huán)節(jié)。比如說(shuō)，比特幣的挖礦機(jī)，就是通過(guò)建立自己的數(shù)據(jù)中心，消耗大量的電力來(lái)運(yùn)營(yíng)特制的芯片，以此獲取比特幣。這些“挖礦”者也選擇電費(fèi)較低，且氣候涼爽的地區(qū)建立計(jì)算中心，進(jìn)一步減少這些地區(qū)的電力出口能力。按照國(guó)際能源署的統(tǒng)計(jì)，2019年，全球的比特幣挖礦機(jī)消耗了50-70TWh的電力，占全球電力總量的0.2%-0.3%。
邊緣計(jì)算服務(wù)器：或增加39GW
邊緣計(jì)算是指將計(jì)算與存儲(chǔ)資源從傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心向用戶側(cè)遷移，拉近用戶和計(jì)算中心的物理距離，在用戶端即時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)更低的數(shù)據(jù)交互時(shí)延、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量，從而為用戶提供低延時(shí)、高穩(wěn)定性的IT解決方案。
隨著5G、AI和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，很多業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要海量數(shù)據(jù)接入和超低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，集中式的計(jì)算處理模式將面臨難解的瓶頸和壓力，需要更多的邊緣計(jì)算能力來(lái)完成，形成新的“云計(jì)算+邊緣計(jì)算”數(shù)據(jù)處理模式，在邊緣計(jì)算、云計(jì)算以及網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)同，實(shí)現(xiàn)計(jì)算與存儲(chǔ)資源的最優(yōu)化利用。
邊緣計(jì)算要么將存儲(chǔ)與計(jì)算能力放到端設(shè)備(如手機(jī))，要么將服務(wù)器安裝在應(yīng)用場(chǎng)景中。我在挪威國(guó)家石油公司中國(guó)區(qū)工作期間，有一個(gè)親身的經(jīng)歷。當(dāng)時(shí)我們?cè)诒本┯幸粋€(gè)十幾人的研發(fā)中心，需要較為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。北京中心雖然與公司在挪威和美國(guó)的其他數(shù)據(jù)中心有高速網(wǎng)絡(luò)相連，但速度和可靠性不足以支撐本地的需求，因此在我們辦公室同一樓層的租用空間里專門留出一個(gè)房間來(lái)安裝一個(gè)服務(wù)器，這就是邊緣計(jì)算的一個(gè)案例。這個(gè)邊緣計(jì)算服務(wù)器是一個(gè)耗能大戶，每年的電費(fèi)在25萬(wàn)元左右。類似這樣的邊緣計(jì)算服務(wù)器數(shù)量無(wú)法統(tǒng)計(jì)，但總的趨勢(shì)是，隨著5G、車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)布局的展開，大量的邊緣計(jì)算中心將布局在應(yīng)用場(chǎng)景端。
5G應(yīng)用、車聯(lián)、工業(yè)物聯(lián)和其他城市設(shè)施物聯(lián)的數(shù)據(jù)將越來(lái)越多地由數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算服務(wù)器處理，而不是傳輸?shù)酱笮偷闹醒霐?shù)據(jù)中心。長(zhǎng)期看，邊緣計(jì)算的比例要高于集中式計(jì)算中心的處理量。邊緣計(jì)算所用的處理器和機(jī)架與大型數(shù)據(jù)中心的基本相同，因此可以設(shè)定邊緣計(jì)算與集中計(jì)算的比例來(lái)推算邊緣計(jì)算所需要的機(jī)架數(shù)量。2025年，如果邊緣計(jì)算量所需要的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)是2020年-2025年期間新建大型數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)的一半的話，那就需要在全國(guó)各地的應(yīng)用場(chǎng)景建設(shè)484萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架8kW，就是38.7GW。
端設(shè)備：或增加17GW
除了邊緣計(jì)算服務(wù)器之外，越來(lái)越多的計(jì)算與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能會(huì)被整合到終端設(shè)備上，這些帶有智能與互聯(lián)功能的設(shè)備叫端設(shè)備。
國(guó)際能源署估計(jì)，2015年，全球有155億臺(tái)終端數(shù)字設(shè)備在運(yùn)營(yíng)，包括智能表計(jì)、視頻監(jiān)控、電視機(jī)、機(jī)頂盒、路由器、音響，手機(jī)、電腦、平板電腦，等等。它們一共消耗了340TWh的電力，平均每臺(tái)22kWh。這些端設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)增加到2018年的180億臺(tái)，年均增長(zhǎng)8%。
根據(jù)思科今年3月發(fā)布的《2018-2023年度互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告》分析和預(yù)測(cè)，到2023年，互聯(lián)網(wǎng)總用戶將達(dá)到53億(占全球人口的66%)，高于2018年的39億(占全球人口的51%)。但這一數(shù)字與整體聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量相比相形見絀：到2023年，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量為293億臺(tái)，而2018年為184億臺(tái)。思科的這一數(shù)據(jù)可能還低估了一些物聯(lián)設(shè)施。按照咨詢公司Strategy Analytics的估計(jì)，在2016年，全球已經(jīng)有近200億個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這個(gè)數(shù)量在2020年會(huì)達(dá)到500億。
結(jié)合兩者的預(yù)測(cè)，在2025年，全球聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備應(yīng)該在500億左右。鑒于中國(guó)經(jīng)濟(jì)規(guī)模和在數(shù)字化領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，在全球智能設(shè)備份額中占10%不成問(wèn)題，也就是50億。假設(shè)這50億中，有一半是今后五年新增的，就是25億個(gè)新的互聯(lián)終端設(shè)備要在五年內(nèi)接到電網(wǎng)上。
這些設(shè)備量大面廣，種類繁多，從家里的電視、音響、手機(jī)、電腦、無(wú)線路由器、監(jiān)控設(shè)備，到工廠、道路、機(jī)場(chǎng)、車站、城市街道里的各種聯(lián)網(wǎng)的傳感設(shè)備、布置在室內(nèi)的5G飛基站等，它們無(wú)法統(tǒng)計(jì)，所需要的功耗也不一樣。假設(shè)每個(gè)設(shè)備按照全球平均每年耗電20kWh來(lái)算，25億個(gè)設(shè)備就是500億kWh(50TWh)，如果每天8小時(shí)時(shí)間運(yùn)營(yíng)就需要17GW電力來(lái)支撐。這些互聯(lián)的設(shè)備很大一部分都接到電源上，平時(shí)處于待機(jī)模式。每個(gè)設(shè)備待機(jī)耗電1瓦來(lái)算，就是2.5GW，全年就是22TWh的耗電量。
國(guó)際能源署在2017年的報(bào)告中預(yù)測(cè)，到2025年，包括電視和電腦在內(nèi)的全球互聯(lián)設(shè)備的待機(jī)狀態(tài)將無(wú)端浪費(fèi)740TWh的電力，這一總量相當(dāng)于法國(guó)和英國(guó)兩國(guó)的全年電力消費(fèi)總量。萬(wàn)物互聯(lián)帶來(lái)的量大面廣的待機(jī)能耗問(wèn)題很值得關(guān)注并尋找解決方案。
結(jié)論與建議
5G的大規(guī)模普及存在商業(yè)可行性方面的挑戰(zhàn)，基站的高能耗也可能成為其推廣的制約因素之一。即使如此，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必將進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長(zhǎng)，帶動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算、應(yīng)用環(huán)節(jié)和互聯(lián)設(shè)備的能耗大幅度上升。數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的能耗強(qiáng)度如果沒(méi)能得到有效控制，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的低碳效果就會(huì)大打折扣。
按照以上分析和粗略匡算，在不考慮能效大幅提升以及數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)性大調(diào)整的情況下，到2025年，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的“新基建”起碼需要187GW新增電力裝機(jī)容量來(lái)支持，5G基站(53GW)、數(shù)據(jù)中心(78GW)和分布式邊緣計(jì)算服務(wù)器(39GW)和端設(shè)備(17GW)是主要耗能大戶。
這一數(shù)字基于許多假設(shè)，比如5G的推廣速度、數(shù)據(jù)中心機(jī)架的增長(zhǎng)速度、機(jī)架的能耗及輔助電力需求，還有邊緣計(jì)算服務(wù)器的布局?jǐn)?shù)量，端設(shè)備的功耗水平等。核心不肯定因素主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
一方面是數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度。5G的推廣速度取決于它所帶來(lái)的價(jià)值，是否具備足夠的經(jīng)濟(jì)推動(dòng)力來(lái)達(dá)到文中假設(shè)的基站數(shù)量還存在不確定性。
基于今后幾年數(shù)據(jù)的爆發(fā)性指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其應(yīng)用或許超出我們今天線性思維的想象，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的需求肯定會(huì)大幅度增加，數(shù)據(jù)中心規(guī)模每年30%的增長(zhǎng)率應(yīng)該還是一個(gè)比較保守的假設(shè)。
另一方面，IT設(shè)施包括服務(wù)器的能效提高能在多大程度上減緩數(shù)據(jù)中心的電力需求。數(shù)據(jù)中心的PUE已經(jīng)從2013年的2.5降到了目前的1.6，今后還有下降的空間，但幅度不會(huì)像前幾年這么大。服務(wù)器的能耗取決于芯片技術(shù)，未來(lái)幾年短時(shí)間內(nèi)下降的幅度不會(huì)太大。
精準(zhǔn)估算數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的電力需求需要更加細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼{(diào)研。
您可能會(huì)說(shuō)，五年之內(nèi)增加187GW，對(duì)于中國(guó)目前2000GW裝機(jī)規(guī)模來(lái)說(shuō)不到10%，沒(méi)什么值得大驚小怪的，但有三點(diǎn)值得我們重視：
一是這些數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的不間斷運(yùn)營(yíng)所消耗電力的占比要高于其在裝機(jī)容量的占比。5G基站和數(shù)據(jù)中心的170GW需要全年8760小時(shí)連續(xù)運(yùn)營(yíng)，消耗的電量就是1489TWh，加上17GW端設(shè)備消耗的50TWh，就是1539TWh，是2019年全國(guó)耗電量(7225TWh)的21.3%。如果2019年-2025年期間，電力消費(fèi)按照年3%的速度增長(zhǎng)，2025年數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施占全國(guó)耗電量的比例將是17.8%。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，這一比例還會(huì)快速上升。
二是這些數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的布局問(wèn)題。大量數(shù)字技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景將在城市發(fā)生，需要安全、穩(wěn)定、高質(zhì)量且不間斷的電力供應(yīng)。加上充電基礎(chǔ)設(shè)施作為新基建組成部分的加速布局，城市電力系統(tǒng)面臨著擴(kuò)容改造的巨大壓力。
三是數(shù)據(jù)中心布局西移對(duì)目前中國(guó)“西電東送”格局的影響。需要評(píng)估數(shù)據(jù)中心在廣西、云南、內(nèi)蒙古等地的布局對(duì)現(xiàn)有或計(jì)劃的西電東送項(xiàng)目的影響。
為此，建議國(guó)家在“十四五”規(guī)劃中高度重視數(shù)字新基建引發(fā)的電力需求劇增以及電力布局改變的問(wèn)題，做好滿足電力增量需求、優(yōu)化電源布局的規(guī)劃工作。具體來(lái)說(shuō)，有以下幾點(diǎn)：
一是充分考慮到數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)電力增量的需求，結(jié)合疫情后其他領(lǐng)域的電力需求趨勢(shì)分析，科學(xué)合理地規(guī)劃建設(shè)新的電源，特別是清潔電源，以保證全國(guó)范圍內(nèi)的電力供應(yīng)保障。
二是將數(shù)據(jù)中心建設(shè)與分布式能源生產(chǎn)(風(fēng)、光、水、各類熱泵)同步考慮，盡可能減少對(duì)電網(wǎng)電量的需求。在數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密度高的東部沿海地區(qū)布局更多的電源，一方面滿足新增電力需求，另一方面以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)中心在西部建設(shè)(10.610, 0.00, 0.00%)帶來(lái)的西電東送電量的減少。
三是做好5G基站、邊緣計(jì)算中心和電動(dòng)汽車充電樁在城市布局所需要的配電網(wǎng)改造與建設(shè)規(guī)劃。5G基站的建設(shè)要與推廣應(yīng)用同步，鼓勵(lì)電信運(yùn)行商共建共享5G基站，減少重復(fù)布局。
四是繼續(xù)加大5G基站和數(shù)據(jù)中心的節(jié)能力度，鼓勵(lì)分布式光伏與無(wú)線基站綜合開發(fā)，挖掘利用數(shù)據(jù)中心余熱為社會(huì)供熱的潛力，并把余熱利用納入數(shù)據(jù)中心的PUE能效考核指標(biāo)。
此外，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施在全社會(huì)用電量比例的不斷上升也可能改變電力消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的線性關(guān)系。電力消費(fèi)能否繼續(xù)成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的風(fēng)向標(biāo)這一問(wèn)題值得研究。
評(píng)論