【科技参考】数据中心激增带来四方面创新需求
科情智库
2023年1月，麦肯锡公司发表《投资于不断增长的数据中心经济》报告，指出由于数据在经济中的角色越来越重要，数据中心建设和运营需求激增。未来数据中心价值链将在无碳能源供应、冷却和能源效率技术、预制模块化和边缘计算等方面产生较高的创新需求。
数据中心行业价值链存在大量创新需求和投资机会。数据中心是企业信息技术（IT）运营的核心所在。它是大多数业务关键型系统的存储库，负责存储和处理大多数业务数据，并将其分发给用户。保持数据中心的安全性和可靠性，对于保护企业的运营连续性（即不间断开展业务的能力）至关重要。全球对数据中心的市场需求将激增。以美国市场为例，目前美国数据中心市场约占全球市场的40%，预计到2030年美国数据中心需求每年将增长10%，以功耗衡量的需求（反映数据中心可容纳的服务器数量）将从2022年的17吉瓦增长到2030年的35吉瓦。 数据中心的快速发展将带来脱碳压力、计算能力等方面的创新需求，主要体现在以下4个方面。
一
无碳能源供应的需求
数据中心消耗大量能源。一个超大规模数据中心的用电量相当于8万户家庭的用电量。在全球碳排放目标压力下，全球数据中心都面临可持续发展的巨大压力，将提高能源使用效率作为发展首位。例如，2020年苹果、谷歌和Meta（脸书母公司）等大公司已宣布其公司运营实现了碳中和，并且承诺到2030年将只使用无碳能源。各国监管机构和政府都在对新建的数据中心实施可持续性能源标准。无疑，未来数据中心的运营只有依靠技术创新才能确保无碳能源供应。
为实现无碳能源目标，一些数据中心正在与可再生能源供应商签署绿电购电协议（PPA），但有时会遇到绿电供应波动导致价格飙升的问题。因此，有些超大规模企业开始为可再生能源工厂的建设提供资金。例如，在英国，亚马逊购买了Scottish Power风电场全部50兆瓦的输出。
然而，对于数据中心使用可再生能源还存在以下两个关键问题。
一是能源间歇性问题。太阳能仅能在白天产生，风能取决于天气。因此，通常需要使用化石燃料供应来补充可再生 PPA电力，但PPA购电协议只能确保用电量的40%~70%实现脱碳，这又出现了碳排放问题。因此，目前出现了一种新兴的解决方案，即“24/7”PPA（“全天候绿电”购电协议），与市场主导的PPA 相比，该协议可实现更精确地匹配可再生能源的供需，实质是将与无碳供应和非常重要的存储可再生能源相结合来供应电量。目前仍有两个因素阻碍“24/7”PPA的广泛采用，包括相对较高的成本和尚且缺乏的标准。
二是备用电源问题。目前，许多数据中心在停电期间使用的还是碳排放很高的柴油发电机，有的数据中心使用锂离子电池作为无碳备用解决方案，但长期使用起来很昂贵。解决以上关键问题将为创新投资提供需求和机会。
二
冷却和能源效率的技术改进需求
数据中心设备通常由数千台服务器组成。高效冷却是数据中心盈利能力的关键驱动力，因为过热而停机的成本会很高。冷却约占数据中心能耗的40%。
虽然冷却技术在过去10年得到了一些改进，大多数大型数据中心用排式或旋转式加热器的冷却设计取代了旧的空调系统，但全球变暖带来的升温挑战对数据中心以及算力的快速发展提出了更好性能的迫切需求。例如，谷歌和甲骨文在欧洲2022年夏天的热浪中差点停机。更高性能的计算能力以及芯片设计使功率密度（机架中的设备的能耗）进一步增大，平均功率密度在过去6到7年中翻了一番以上，并且还在继续上升。在特定的高性能环境下，单个机架的密度可高达20到30千瓦，这对冷却系统要求更高。同时，电源使用效率（数据中心计算设备功率相对于其总能耗）发展明显滞后。虽然2007年之后电源使用效率水平曾出现过一次大幅提升，但2013年之后几乎停滞不前。
为应对这些挑战，企业正在开发和部署冷却与能源效率技术，包括浸入式冷却、人工智能和机器学习、余热使用等。然而，要在研发和大规模部署方面取得进展，不但需要大量投资，还需要有效的跨价值链协作。例如，将服务器浸没在冷却剂中的全浸入式冷却要求改变芯片封装、服务器形状、建筑布局、材料和设计以及机电系统等。
三
建造预制模块化数据中心的需求
到2030年，全球数据中心建设费用预计将达到490亿美元。对新数据中心不断增长的需求为预制模块化(PFM)数据中心建造创造了创新投资机会。仅2022年，超大规模企业就投入了约 90亿美元用于建设预制模块化数据中心，预计2030年前这一数字每年将增长4%以上。预制模块化数据中心的优点是不仅可以缩短施工时间，还可以降低成本并提高安全性、质量和可持续性。例如，一家公司最近在欧洲建造了一座45兆瓦的设施，不但成本降低了20%，建造时间也从17个月缩短至11个月。
四
边缘计算数据中心的需求
边缘计算即在设备端附近产生的计算。目前，边缘计算的市场规模不断扩大，源于以下3个原因：一是需要以极低延迟获得实时洞察力的应用程序（例如自动驾驶）必须在靠近数据源的地方进行；二是大量数据传入和传出公共云成本过高；三是有些数据隐私和驻留条例要求某些类型的数据必须存储在其原点附近。预计到2025年全球企业和服务提供商在边缘解决方案的硬件、软件和服务方面的支出将达到2740亿美元。边缘计算涉及以下创新投资机会：如何在边缘部署和构建边缘计算技术堆栈的组件（硬件、连接、平台和软件）；如何与人工智能功能融合；如何部署和管理平台等。目前，有很多大型边缘计算提供商（例如超大规模提供商、电信公司和大型系统集成商）正在收购或投资相关初创企业。例如，2022年4月，谷歌云收购了边缘计算管理初创企业MobiledgeX，以为边缘计算资产开发标准编排层。
编译：中国科学技术信息研究所 黄宁燕
审校：中国科学技术信息研究所 张丽娟
来源：《科技参考》2023年第12期
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