“云端”碳中和，
我们在路上。
2021 年 11 月，COP26 在苏格兰格拉斯哥举行，COP26 即第 26 届联合国气候变化大会，从 1995 年起，该会议每年召开以评估应对气候变化的进展。气候变化这一国际议题热度不减，碳排从何而来？你可能不知道，当你点开这篇文章时，碳排已经偷偷开始了……
性能提升的
黑色童话
摩尔定律，
魔法还是诅咒？
而这还得从世界半导体巨头英特尔说起。英特尔，是一家设计、生产大规模集成电路的公司，为全球个人及企业客户提供微芯片及相关服务。2003 年，该公司的创始人之一戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律：
“集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。” [1]
简单来说，就是每隔两年，计算机的运行速度就会翻一番。
芯片的晶体管数量呈爆发式增长
想要探索数据细节？点击图表上方图示按钮即可筛选具体图表; 曲线为晶体管数量在时间维度的局部平滑估计，每一个点代表一款CPU型号和对应的发布年份、晶体管数量，点击看看它的数据吧。
数据来源：Transitor Count - WiKi 1970 - 2021
而作为计算机性能的重要衡量标准——CPU 晶体管数量——其增长在 2006 年以前基本保持稳定，随后迅速增加，特别是在 2018-2021 年出现井喷式增长。
计算机的性能也随之提升。
然而，递增增长的不只有晶体管数量，还有全球计算机的数量。
一方面，计算机性能在不断提升，另一方面，互联网主机的数量在急速增加，其实这还不一定是皆大欢喜的事情。
运算越来越快，功耗却难以驾驭
颜色代表样本范围，折线反应当年的平均值，滑动划片即可查看指定年份的数据。
数据来源：CPU DB - 斯坦福大学 1971 - 2014
据数据 1971 年到 2012 年，芯片最大设计功率总体呈现上涨趋势，2006 年以前时钟频率急速增加，这一年达到短暂的高峰，随后保持较为稳定的状态，计算速度确实是快了，电表转得也不慢，从功耗来看仍处于较高水平。
互联网赖以运作的运算性能确实在不断提升，但功耗也逐渐“放飞自我”。
性能的进步固然能提高工作效率，但不该以失控的功耗作为代价。
#2 有计算的地方，
就有碳排
那么性耗比遭遇瓶颈，和碳排有关吗？回答这个问题前，我们先搞懂什么是性耗比。顾名思义，性耗比就是性能与耗能的比值。性耗比越低，意味着计算机达到同一性能需要消耗的能源越多，而消耗能源就在间接产生碳排。
没有电，计算器都不能帮你算数。而某种意义上，计算机所消耗的电量和二氧化碳排放直接挂钩。
而计算集中的地方，就埋藏着排碳“黑手”。
云计算中心就是其中之一。
所谓的云计算中心，是与云计算伴生的一项基于超级计算机系统对外提供计算资源、存储资源等服务的机构或单位，以高性能计算机为基础面向各界提供高性能计算服务。
云计算中心的一大特点就是——高性能。
高性能的云计算中心到底要消耗多少电量？
结构不断优化，但面对需求总体功耗仍不见少
面积代表耗能大小，不同颜色代表三种类型的数据中心，点击看看它的数据吧。
单位：TWh
数据来源：Statista 2015 - 2021
(注：2020与2021年数据为预测值)
据 Science 的一项研究，全球的计算中心设备（包括服务器、存储设备、网络设备）已经从 2010 年的 92 TWh 增长到 2018 年的 130 TWh。据估计，2020 年全球数据中心的电力使用量在 196TWh 到 400TWh 之间，这意味着数据中心将消耗全球电力需求的 1-2%[2]。然而，能源利用的效率增长与之相比却相差甚远。
不过，计算中心化并不是计算的主要趋势，相反，计算在逐步分散化，那是不是意味着碳排可以减少？
可惜并不是这样。
区块链是去中心化的典型，以其最大的应用之一比特币来说，自诞生而来，就仿佛红颜祸水般在全球掀起一场“挖币热”，虚拟的价值背后，则是更多的能耗与碳排。
比特币怎么又和碳排扯上关系了？先别晕，在搞清楚这个问题前，我们需要了解它的运作机制。
我们知道比特币本质上是一个去中心化的分布式账本数据库[3]。
在这场“游戏”中，谁先计算出随机哈希函数，谁就可以获得比特币和交易手续费作为奖励，这就是我们常说的“挖矿”。而这其中就需要计算机不停地计算，矿机的算力越强，挖矿速度越快，成功的概率也就越高。
数据显示，从 2009 年到 2012 年，芯片挖矿速度呈现指数式上升，而功率也相应地呈现倍数的增长，仅仅三年，就从 65W 增加到 1400W。
| 芯片 | 投入矿机的年份 | 代表产品 | 挖矿速度（KH/S） | 功率（W） |
|---|---|---|---|---|
| CPU | 2009 | Intel i7-6700 | 0.65 | 65 |
| GPU | 2010 | GTX 1060 6G | 0.75\times10^3 | 180 |
| FPGA | 2011 | Spartan 6 | 1.35\times10^6 | 1323 |
| ASIC | 2012 | 蚂蚁 S9 | 1.30\times10^10 | 1400 |
2009 - 2012 年挖矿功率
数据来源：minershashrates 2021
功率不断提升的“矿机”需要什么支撑？还是电。
数据显示，截止到 2021 年 11 月 4 日，比特币的网络电力需求，其理论区间在 4.78GW 到 12.08GW 之间，年消费电量达到 105.87TWh。[4]
比特币在无限制增长，能耗也是
横坐标为时间，纵坐标为耗电量，左纵坐标为逐月耗电量，右纵坐标为累积耗电量。滑动时间轴划片即可查看指定年份数据。
单位：TWh
数据来源：剑桥大学比特币数据库 2010 - 2021
既然比特币消耗了这么多能源，那能产生什么相应的效益吗？答案是，不能。
每台挖矿的计算机都在算题，但最终胜出者只有一位。这也意味着庞大的算力大部分时候做的是无用功，而时至今日，挖矿的热度依旧未减。日前国家已经发布一系列的政策限制此类活动的进行，挖矿违法已经是板上钉钉。
然而除了比特币，还有更多……
利益面前，环境被放在次要地位。为了逐利，“矿工”多选择廉价的火电。巨量的电力被空耗，环境却要为此背锅。
解铃还须
系铃人
数字碳中和，
得从源头下手
云计算、大数据已经成为不可逆转的趋势。而这类的数字经济又带来巨大的电力消耗、二氧化碳排放压力却丞待解决。
在数字碳中和路上，我们又该何去何从？
苹果近年来在芯片上的努力，让我们看到了使用不同架构所带来的可能，曾经一度陷入瓶颈的状态，或许将迎来新的突破。
数据显示，除数据缺失的 2019 年，2016 至 2021 年的苹果 A 系列处理器核心数量从 3 增长到 10，晶体管基极从 1,3GHz 增长至 3,2GHz[5]，处理器的架构逐年在优化。
架构的优化之外最值得关注的是性耗比的提高。今年苹果新发布的ARM架构的芯片更是将性耗比拉到了新的高度。这让我们看到了新的希望。
芯片制程突破，性耗比的魔咒将被打破
圆点越高，性耗比越高；圆圈越小，制程越先进。即刻点击探索详细数据。
数据来源：公开数据整理 1970 - 2021
性耗比计算方式：安兔兔性能跑分，以最高值做标准化处理；芯片TDP，以最高值做标准化处理；两者相比得到结果。
除了优化芯片架构，计算中心也是减排的一个切口。
为了衡量计算中心的能耗效率，一个新的指标运应而生，即 PUE（Power Usage Effectiveness），电源使用效率。
PUE = 数据中心总能耗/IT 设备能耗，其中数据中心总能耗包括 IT 设备能耗和制冷、配电等系统的能耗，其值大于 1，越接近 1 表明非 IT 设备耗能越少，即能效水平越好。
通常情况下，当一个数据中心开始稳定运行后，电力成本可以占整个数据中心日常运维支出成本的 50%-60%。对于数据中心来说，最理想的状态就是只有 IT 设备消耗电能，空调照明这些配套设备尽可能少的消耗电能。
传统计算中心的能源利用利率较低
点击图表上方图示按钮即可筛选具体图表，点击圆环图查看具体比例；其中不同颜色代表云计算中心各个环节的能耗量比例。
单位：%
数据来源：Fraction of U.S. data center electricity use in 2014, by end use. Source: Shehabi 2016.
数据显示，传统计算中心的能耗中，冷却及电力供应系统占到了总耗电能的43%，可见，数据中心的能源消耗巨大。因此，我国一线城市普遍将数据中心作为“高耗能产业”对待。
当然，数据中心的耗能是不是就毫无办法了？并不是，许多企业在减排提效方面正在不懈努力，比如 Google。
美国总务管理局 (GSA) 的一项案例研究表明，如果改为使用 Google Apps，企业可将办公室计算成本、能源消耗量和碳排放量减少 65-90%。同时数据显示，过去 12 个月 (TTM) Google 的 PUE 为 1.10，这个数据囊括了 Google 所有的大规模数据中心（达到稳定运维状态之后）、所有季节以及所有间接能耗来源。
因此，Goolge 的云平台让对应的计算中心减少了能源的消耗及碳排。
我国作为数字碳排大国，在数字减碳上也作出了自己的贡献。2020 年中国电子学会发布《中国绿色数据中心发展报告》，公布了我国目前数据中心的建设情况。
2019 年中国各类大中小微型数据中心大约有 7.4 万个，大约能占全球数据中心总量的 23%。预计到 2025 年，中国被创建、采集或是复制的数据总量将增长到 48.6ZB，在全球数据总量中占比达到 27.8%。
中国数据中心规模的快速增长的同时，也致力于推动数据中心的节能减排，开展了绿色数据中心建设工作。
数据显示，2015 年国家绿色数据中心试点工作中的数据中心年平均 PUE 为 2.2，与世界先进水平有较大差距。2018 年，降至 1.8 左右，2019 年进一步降低到 1.7 左右。我国在绿色数据中心上的减碳步伐在逐渐加快。
建设绿色计算中心，中国正在路上
每个柱状图代表不同规模数据中心的 PUE 水平，点击图表即可查看数据。
数据来源：《中国绿色数据中心发展报告》 2020
但是，从 2019 年统计的 203 个数据中各机柜规模等级的平均 PUE 数据来看，中国的数据中心能效水平仍有较大的提升空间，我们还在路上。
| 通信领域 | 互联网领域 | 公共机构领域 |
|---|---|---|
| 武清数据中心 | 中经云亦庄数据中心 | 中国科学院计算机网络信息中心信息化大厦 |
| 中国联通四川天府信息数据中心 | 腾讯天津滨海数据中心 | 丽水市公安局数据中心 |
| 中国移动（重庆）数据中心 | 阿里巴巴张北云计算庙滩数据中心 | 宁波市行政中心信息化集中机房 |
| 中国（西部）云计算中心 | 环首都·太行山能源信息技术产业基地 | 能源领域 |
| 中国移动长三角（苏州）数据中心 | 乌兰察布华为云服务数据中心 | 中国石油数据中心（吉林） |
| 中国联通哈尔滨云数据中心 | 绿色海量云存储基地 | 金融领域 |
| 北京联通黄村 IDC 机房 | 数讯 IDXIII 蓝光数据中心 | 平安深圳观澜数据中心 |
| 中原数据基地 DC1 数据中心 | 京东云华东数据中心 | 中国邮政储蓄银行总行合肥数据中心 |
| 中国电信云计算内蒙古信息园 A6 数据中心 | 雅安大数据产业园 | 广发银行股份有限公司南海生产机房 |
| 中国电信上海公司漕盈数据中心 1 号楼 | 重庆腾讯云计算数据中心 | 中国人寿保险股份有限公司上海数据中心 |
| 中国电信云计算重庆基地水土数据中心 | 百旺信云数据中心一期 | 汉口银行光谷数据中心 |
数据来源：《中国绿色数据中心发展报告》 2020
*表中为部分数据，点击上面的链接即可下载完整名单。
2020 年底，国家工信部公布了 2020 年的绿色数据中心名单，其中不乏我们熟悉的名字，如移动、联通、阿里、腾讯等，60 家绿色数据中心的建设只是一个开始。
2021 年 8 月，工信部印发《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023 年）》，明确大力推动绿色数据中心创建、运维和改造。工信部明确提出，我国要用 3 年时间基本形成新型数据中心发展格局。其中，到 2021 年底，新建大型及以上数据中心 PUE 要降低到 1.35 以下。
结语
参考文献
[1] Kanellos, Michael. Moore's Law to roll on for another decade . CNET. 2003-02-11
[2] Masanet, E., Shehabi, A., Lei, N., Smith, S., & Koomey, J. (2020). Recalibrating global data center energy-use estimates. Science, 367(6481), 984-986. https://doi.org/doi:10.1126/science.aba3758
[3] Hui DOU,Yong QI. An online electricity cost budgeting algorithm for maximizing green energy usage across data centers[J]. Frontiers of Computer Science,2017,11(4)
[4] 澎湃美数课. 马斯克翻脸比特币，因为它不太环保. 2021-5-14.
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