應(yīng)高度重視數(shù)字新基建引發(fā)的電力需求增加問題
陳新華
一、引言
數(shù)字技術(shù)是我們在本次疫情居家隔離期間最大的幫手，也是疫情后“新基建”的最大受益者。按照國家發(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，和以數(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，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、智慧能源基礎(chǔ)設(shè)施等。
數(shù)字技術(shù)消耗能源。當(dāng)您在家里用手機(jī)或電腦發(fā)微信或參加線上會議時，您家里的路由器或者身家邊上的移動通信基站會把您的信息傳輸?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，完成您的社交或會議功能。在這一場景中，除了您手機(jī)或電腦耗電之外，后面的路由器、移動基站、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。
由于這些消耗之前沒人做過系統(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)字新基建對電力需求的影響，并以2025年為時間節(jié)點(diǎn)，匡算可能新增的電力負(fù)荷，建議國家在“十四五”規(guī)劃制定過程中，對數(shù)字技術(shù)引起的能耗增加以及全國電力供應(yīng)的結(jié)構(gòu)性改變給予高度重視。
二、數(shù)字“新基建”能耗匡算
今天所有數(shù)字技術(shù)設(shè)備都由電力驅(qū)動，凸顯了安全、穩(wěn)定、不中斷電力供應(yīng)對于現(xiàn)代社會運(yùn)營的重要性，而新數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施中最大的耗電量將來自于5G基站、數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算服務(wù)器和端設(shè)備。
2.1 5G基站能耗：2025年或新增53GW（5300萬千瓦）
無線通信的基站是連接移動設(shè)備和固定線路的連接點(diǎn)。根據(jù)3GPP（由七家國際移動通信標(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)見下表。
表1:無線基站的分類
資料來源：《科技日報(bào)》，2020年3月25日，打造高質(zhì)量5G 離不開這對“超強(qiáng)組合”
我們通常所說的4G或5G基站指的是宏基站。通過宏基站和微、皮、飛基站的組合可實(shí)現(xiàn)一個城區(qū)的全域覆蓋。
無線通信從1G到5G發(fā)展，所用的頻段越來越高，導(dǎo)致信號傳輸?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—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2.5~2.6GHz和4.8~4.9GHz）不同而不同，一般在300~450米之間。據(jù)中國信息通信研究院副院長何桂立預(yù)測，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》[1]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，另外還有的150%用于電源系統(tǒng)和其他設(shè)備的功耗。根據(jù)其他相關(guān)文獻(xiàn)，對于5G基站來說，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)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會的數(shù)據(jù)，目前主要運(yùn)營商的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2.5~3.5倍。按照基站主設(shè)備能耗與空調(diào)等輔助能耗45：55的比例來說，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)能效峰會上發(fā)表了一份“5G通訊電力目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)白皮書”[2]，描述了5G基站建設(shè)對電力系統(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。3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。5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7萬多元）不僅是電信運(yùn)營商的不堪承受之重，對于城市配電網(wǎng)來說也是非常嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。5G基站建設(shè)前需要對現(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)營商和全國多個省市都出臺了5G專項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃。
按照中國信息通信研究院的統(tǒng)計(jì)，截至今年4月，我國已開通5G基站達(dá)到25萬個，5G套餐用戶突破7300萬，且基站建設(shè)按照每周新增1萬座左右的速度增長。賽迪研究院2020年6月發(fā)布的研究報(bào)告[3]估計(jì)，到2020年底，全國的5G基站將到達(dá)63萬座。隨著“新基建”的推進(jìn)，基站的數(shù)量在未來幾年肯定會大幅增長。
按照國信證券的統(tǒng)計(jì)[4]，目前全國有544萬座4G基站。因5G基站覆蓋的距離要比4G短，按照保守的一個4G基站需要1.2個5G基站來計(jì)算，替代全國現(xiàn)有的4G基站需要650萬座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來算，假設(shè)5G在全國范圍5年內(nèi)通過改造來代替三分之二的4G基站，相當(dāng)于改造433萬座基站，這就需要新增電力負(fù)荷21.65GW（2165萬千瓦）。
4G移動通信的應(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)，同時也給自動駕駛、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基站將會布局在工業(yè)、交通等應(yīng)用場景，相應(yīng)的電力需求及配網(wǎng)設(shè)施投資也會增加。如果按照與民生領(lǐng)域1：0.5來算的話，即在全國工業(yè)、交通等物聯(lián)、車聯(lián)領(lǐng)域5年內(nèi)新布局218萬座5G基站，每個基站功耗7kW，新增的電力需要15.26GW左右（1526萬千瓦）。
中國國際經(jīng)濟(jì)交流中心副理事長黃奇帆[5]2020年6月21日在《瞭望》新聞周刊發(fā)表的文章稱，到2025年，我國將會有500～600萬座5G基站。這一數(shù)字與我們上述假設(shè)2025年基站總數(shù)（651萬座）相差無幾。
以上2025年5G基站對于電力負(fù)荷的增加（21.65+15.26=36.91GW）（3691萬千瓦）是基于今天5G基站的平均7kW來測算的。如果按照華為白皮書所說的，3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基站的總功耗會更高。在上述白皮書中，華為預(yù)測到2026年，中國的電信運(yùn)營商將有475萬座5G宏基站和950萬座小微基站在用毫米波技術(shù)運(yùn)營。按照這個預(yù)測，如果到2025年，如果有400萬座宏基站并且都使用毫米波技術(shù)，每座耗電15kW，總負(fù)荷就會達(dá)到60GW（6000萬千瓦），遠(yuǎn)高于以上37GW（3700萬千瓦）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。家庭級的飛基站的能耗可以納入端設(shè)備（見下）籠統(tǒng)估算。如果只考慮微基站，2025年建成800萬座微基站，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（800萬千瓦）。企業(yè)級皮基站的數(shù)量要比微基站更多，如果在2025年前新建1000萬座，每座耗電800W，那么又要增加8GW（800萬千瓦）。
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（5300萬千瓦）以上。
準(zhǔn)確估算5G對電力需求影響涉及到兩個核心參數(shù)：5G基站的單站功耗和5G在全國推廣的速度。單站功耗在短時間內(nèi)很難大幅度下降反而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：5年內(nèi)能否完成對4G三分之二的替代？5G的應(yīng)用能否創(chuàng)造足夠大的價值使得它在工業(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。反過來看，5G基站的高能耗帶來的高成本也許成為其大規(guī)模推廣的主要制約因素。
2.2 數(shù)據(jù)中心能耗：2025年或新增78GW（7800萬千瓦）
相比于5G基站，數(shù)據(jù)中心的能耗更大，對電力系統(tǒng)的影響也更大。
數(shù)據(jù)中心是集中儲存和處理數(shù)據(jù)的地方，小的是一個房間，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。一個數(shù)據(jù)中心可以有幾千個甚至幾萬個機(jī)架，通過管理軟件進(jìn)行組合。機(jī)架里面裝的是由無數(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，消耗電力后產(chǎn)生的熱量通過附帶的金屬片散發(fā)。為了使服務(wù)器在穩(wěn)定的溫度和濕度（18~27°C，濕度在60％以下）環(huán)境下運(yùn)營，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，目前全球的大型數(shù)據(jù)中心需要的電力供應(yīng)都在100MW（10萬千瓦）以上。
因?yàn)閿?shù)據(jù)中心在驅(qū)動服務(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重要指標(biāo)就是其總能耗與真正用于驅(qū)動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。按照中國信息通信研究院的數(shù)據(jù)，2013年以前，全國對外服務(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)合國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局印發(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）要求到2022年，全國新建大型、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（Association For Computer Operations Management，AFCOM）對機(jī)架密度的分類，低密度機(jī)架每臺耗電在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。截止2018年底，我國大小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心總量已超過40萬個。據(jù)國網(wǎng)能源研究院[6]的統(tǒng)計(jì)，2018年，全國大型及以上數(shù)據(jù)中心的總機(jī)架數(shù)已達(dá)204萬個，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、802萬個。國網(wǎng)能源研究院估計(jì)，2018年，全國數(shù)據(jù)中心的耗電總量達(dá)到1609億kWh，超過上海市當(dāng)年全社會用電量（1567億kWh），占全國用電量比重的2.35%。中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會秘書長呂天文在2019年的一次會議上透露，目前中國數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)八年以12%以上的速度增長，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），那就得出全國數(shù)據(jù)中心在2020年有357萬個標(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（2850萬千瓦）。
我國自2015年以來，數(shù)據(jù)處理量每年以95% 的速度增長，與全球數(shù)據(jù)量每隔11個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)量將會從2016年的16ZB（1ZB=10的18次方比特）上升至163ZB，2021年中國人均移動數(shù)據(jù)流量要比2015年增長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，越來越多的設(shè)備如移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)探測器、監(jiān)控?cái)z像頭、汽車以及服裝等都會連接到互聯(lián)網(wǎng)上，各種類型的數(shù)據(jù)正在以更快的速度指數(shù)級地增長，而這些海量數(shù)據(jù)也將會推動數(shù)據(jù)中心向超大規(guī)模發(fā)展。中國的數(shù)據(jù)中心除了滿足本國需求之外，還可以為其他國家提供服務(wù)。
估算未來數(shù)據(jù)中心能耗總量也面臨著5G基站同樣的問題：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)，中國數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)量將會以每年30%的速度增長。按照這個速度，2025年的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架總數(shù)將達(dá)到1325萬個，比目前的357萬個機(jī)架要增加968萬個。假設(shè)單架功率保持在8kW不變，1325萬個機(jī)架需要的電力支撐就是106GW（1.06億千瓦），比目前的28.5GW（2850萬千瓦）凈增加77.5GW（7750萬千瓦）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)能耗會降低，PUE數(shù)值也會進(jìn)一步下降。
國際能源署在2017年出版的《數(shù)字化與能源》報(bào)告[7]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%。美國作為全球最大的數(shù)據(jù)中心市場，2014年數(shù)據(jù)中心的耗電量占全國總量的1.8%。IEA預(yù)計(jì)，得益于服務(wù)器、存儲器和網(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年會在2014年基礎(chǔ)上增加3倍，數(shù)據(jù)中心的耗電總量只會增長3%，到200TWh。在其2年后發(fā)布的《能源效率2019》報(bào)告[8]中，國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5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》[9]。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)中心的耗電量僅增加了6%。
毫無疑問，技術(shù)還會進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心單位數(shù)據(jù)處理的能源效率還會提高，但在數(shù)據(jù)處理量快速上升時如何把新增電力需求控制在合理水平？這是一個重大問題，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，需要同時消耗提供0.8個單元來提供制冷等的輔助服務(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、電價較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)（如廣西、內(nèi)蒙）建立數(shù)據(jù)中心，此舉雖然降低了PUE，但減少了原來規(guī)劃準(zhǔn)備輸出到東部沿海省份的電量，因此改變?nèi)珖碾娏Σ季帧?
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)。比特幣的挖礦機(jī)，比如說，就是通過建立自己的數(shù)據(jù)中心，消耗大量的電力來運(yùn)營特制的芯片，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%。
2.3 邊緣計(jì)算服務(wù)器：或增加39GW（3900萬千瓦）
邊緣計(jì)算是指將計(jì)算與存儲資源從傳統(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，在用戶端即時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)更低的數(shù)據(jù)交互時延、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量，從而為用戶提供低延時、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)場景需要海量數(shù)據(jù)接入和超低的網(wǎng)絡(luò)時延，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)算與存儲資源的最優(yōu)化利用。
邊緣計(jì)算要么將存儲與計(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)用場景中。我在挪威國家石油公司中國區(qū)工作期間，有一個親身的經(jīng)歷。當(dāng)時我們在北京有一個十幾人的研發(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房間來安裝一個服務(wù)器，這就是邊緣計(jì)算的一個案例。這個邊緣計(jì)算服務(wù)器是一個耗能大戶，每年的電費(fèi)在25萬元左右。類似這樣的邊緣計(jì)算服務(wù)器數(shù)量無法統(tǒng)計(jì)，但總的趨勢是，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2020~2025期間新建大型數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)的一半的話，那就需要在全國各地的應(yīng)用場景建設(shè)484萬個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，每個機(jī)架8kW，就是38.7GW（3870萬千瓦）。
2.4 端設(shè)備：或增加17GW（1700萬千瓦）
除了邊緣計(jì)算服務(wù)器之外，越來越多的計(jì)算與數(shù)據(jù)存儲功能會被整合到終端設(shè)備上，這些帶有智能與互聯(lián)功能的設(shè)備叫端設(shè)備。
國際能源署估計(jì)，2015年，全球有155億臺終端數(shù)字設(shè)備在運(yùn)營，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22kWh。這些端設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)增加到2018年的180億臺，年均增長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》[10]分析和預(yù)測，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)字與整體連網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量相比相形見絀：到2023年，連網(wǎng)設(shè)備數(shù)量為293億臺，而2018年為184億臺。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200億個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這個數(shù)量在2020年會達(dá)到500億。
結(jié)合兩者的預(yù)測，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%不成問題，也就是50億。假設(shè)這50億中，有一半是今后5年新增的，就是25億個新的互聯(lián)終端設(shè)備要在5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、無線路由器、監(jiān)控設(shè)備，到工廠、道路、機(jī)場、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，它們無法統(tǒng)計(jì)，所需要的功耗也不一樣。假設(shè)每個設(shè)備按照全球平均每年耗電20kWh來算，25億個設(shè)備就是500億kWh（50TWh），如果每天8小時時間運(yùn)營就需要17GW（1700萬千瓦）電力來支撐。這些互聯(lián)的設(shè)備很大一部分都接到電源上，平時處于待機(jī)模式。每個設(shè)備待機(jī)耗電1瓦來算，就是2.5GW（250萬千瓦），全年就是22TWh（220億千瓦時）的耗電量。國際能源署在2017年的報(bào)告【3】中預(yù)測，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)將無端浪費(fèi)740TWh（7400億千瓦時）的電力，這一總量相當(dāng)于法國和英國兩國的全年電力消費(fèi)總量。萬物互聯(lián)帶來的量大面廣的待機(jī)能耗問題很值得關(guān)注并尋找解決方案。
三、結(jié)論與國家“十四五”規(guī)劃建議
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)一步推動數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長，帶動數(shù)據(jù)傳輸、存儲、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)度如果沒能得到有效控制，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的低碳效果就會大打折扣。
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187 GW（1.87億千瓦）新增電力裝機(jī)容量來支持，5G基站（53GW，5300萬千瓦）、數(shù)據(jù)中心（78GW，7800萬千瓦）和分布式邊緣計(jì)算服務(wù)器（39GW，3900萬千瓦）和端設(shè)備（17GW，1700萬千瓦）是主要耗能大戶。
表2:新基建增加的2025年電力負(fù)荷
數(shù)據(jù)來源：作者匡算
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的價值，是否具備足夠的經(jīng)濟(jì)推動力來達(dá)到文中假設(shè)的基站數(shù)量還存在不確定性?；诮窈髱啄陻?shù)據(jù)的爆發(fā)性指數(shù)級增長，其應(yīng)用或許超出我們今天線性思維的想象，對數(shù)據(jù)存儲和處理的需求肯定會大幅度增加，數(shù)據(jù)中心規(guī)模每年30%的增長率應(yīng)該還是一個比較保守的假設(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，但幅度不會像前幾年這么大。服務(wù)器的能耗取決于芯片技術(shù)，未來幾年短時間內(nèi)下降的幅度不會太大。
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。
您可能會說，5年之內(nèi)增加187GW（1.87億千瓦），對于中國目前2000GW（20億千瓦）裝機(jī)規(guī)模來說不到10%，沒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（1.7億千瓦）需要全年8760小時連續(xù)運(yùn)營，消耗的電量就是1489TWh（1.489萬億千瓦時），加上17GW（1700萬千瓦）端設(shè)備消耗的50TWh（500億千瓦時），就是1539TWh（1.539萬億千瓦時），是2019年全國耗電量（7225TWh，7.225萬億千瓦時）的21.3%。如果2019~2025期間，電力消費(fèi)按照年3%的速度增長，2025年數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施占在全國的耗電量的比例將是17.8%。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，這一比例還會快速上升。
二是這些數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的布局問題。大量數(shù)字技術(shù)應(yīng)用場景將在城市發(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)中心布局西移對目前中國西電東送格局的影響。需要評估數(shù)據(jù)中心在廣西、云南、內(nèi)蒙等地的布局對現(xiàn)有或計(jì)劃的西電東送項(xiàng)目的影響。
為此，建議國家在“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。具體來說，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)帶來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；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，鼓勵分布式光伏與無線基站綜合開發(fā)，挖掘利用數(shù)據(jù)中心余熱為社會供熱的潛力，并把余熱利用納入數(shù)據(jù)中心的PUE能效考核指標(biāo)。挖掘數(shù)據(jù)中心余熱利用的潛力，并采取措施大幅減少互聯(lián)設(shè)備的待機(jī)能耗。數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的能耗強(qiáng)度如果沒能得到有效控制，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的低碳效果就會大打折扣。
此外，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施在全社會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)增長的風(fēng)向標(biāo)這一問題值得研究。
（完）
感謝陶雄強(qiáng)博士和劉文強(qiáng)博士對本文的數(shù)據(jù)支持，以及王廣輝先生和吳吟先生對初稿的評議。
參考資料：
【1】何家愛、劉曉村，基站節(jié)能減排措施探討，《信息技術(shù)與信息化》，2018 年第 10 期。
【2】Huawei Group， 5G Telecom Power Target Network White Paper， October 2019.
【3】賽迪研究院，《中國“新基建”發(fā)展研究報(bào)告》，2020年6月
【4】國信證券經(jīng)濟(jì)研究所，5G最新研究，2019年5月。
【5】黃奇帆，新基建：萬億級投資打造“數(shù)字智能生命體”，《瞭望》新聞周刊，2020年6月21日。
【6】國網(wǎng)能源研究院唐偉等，數(shù)據(jù)中心——新基建中的電力大客戶，中國電力，2020年5月6日。
【7】International Energy Agency， Digitalisation and Energy， 2017.
【8】International Energy Agency， Energy Efficiency Report， 2019.
【9】Eric Masanet et al， Recalibrating global data center energy—use estimates， Science， 28 February 2020.
【10】Cisco Annual Internet Report （2018–2023） White Paper， 9 March 2020.
（本文來源于北京國際能源專家俱樂部）
