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如何在數據中心維度構建碳排放交易協議?

Web3 帶寬交易市場 Meson 提出數據中心碳交易協議,嘗試在數據中心維度實現市場調節資源的碳排放供給結構。

原文標題:《探索構建數據中心碳交易協議》
撰文:Meson Network

數據中心在現代數字經濟活動中具有舉足輕重的地位。伴隨數字經濟的蓬勃發展,數據中心的建設也進入了快車道。在數據中心大量建設並投入使用的過程中,人們發現由於摩爾定律的限制,數據傳輸的增加需要消耗越來越多的能源。同時全球正受到氣候變暖的威脅,每個國家都積極投入到減少碳排放的工作中,但數據中心日漸增長的能源消耗與控碳減排的目標形成了一對根本的矛盾。

我們通過考察和設計,嘗試提出 DCCC 作爲數據中心碳交易的媒介,Meson 成爲第一個支持該積分落地應用的平臺。Meson 作爲基於通證激勵以及去中心化的區塊鏈技術的帶寬統籌平臺,不僅可以有效的將存量閒置資源通過通證激勵利用起來,跨國境,跨區域,跨項目的統籌協調帶寬資源,同時還能鼓勵更多超大型數據中心的建設。這使得數據中心的建設既能滿足現代科技的發展,同時也迎合了各地節能減排的需求,在碳排放的硬約束下爲數字經濟的發展鋪下了堅實高效的地基。

碳排放與 IDC 背景

數據中心在數字經濟的重要性

數據中心可以被認爲是互聯網的「大腦」。它們的作用是處理、存儲和交流我們每天依賴的無數信息服務背後的數據,無論是流媒體視頻、電子郵件、社交媒體、在線協作還是科學計算。

數字服務是能源使用增加的主要原因。對數字服務的需求一直在穩步增長,隨之而來的是其基礎設施的發展。隨着基礎設施的增加,對更多能源的需求也在增加。

數據中心耗能情況

數據中心已經估計每年使用 200 太瓦時 (TWh)。這超過了包括伊朗在內的一些國家的國家能源消耗,但佔全球運輸用電量的一半,佔全球電力需求的 1%。數據中心對整體碳排放的貢獻約爲 0.3%

ICT 的碳足跡與航空業的燃料排放量持平。未來可能發生的事情很難預測。但最令人擔憂的模型之一預測,當今天出生的孩子長到十幾歲時,信息通信技術的用電量可能會超過全球總量的 20%,而數據中心使用的電量超過三分之一。

在過去的幾年中,已經發布了許多能源消耗報告。國際能源署 (IEA) 報告稱,2021 年工作負載和互聯網流量將翻一番,但由於效率提高,數據中心的能源需求將保持平穩。

然而,一些報道駁斥了這一說法。Uptime Institute Intelligence 表示,推動數據中心能源消耗的因素非常強大。有些數據甚至與 IEA 的數據相矛盾。例如,IEA 報告稱,2018 年全球數據中心能耗爲 197.8 TWh,2021 年略有下降。但歐盟資源效率協調行動(EURECA)項目表示,歐洲數據中心 在 2017 年消耗了 130 TWh,而綠色和平組織估計 2018 年中國數據中心的能耗爲 160 TWh,這意味着僅中國和歐洲就消耗了 290 TWh,遠高於 IEA 提供的數據。

在美國數據中心,收益遞減規律可能開始限制節能的影響。例如,在數據中心層面,熱 / 冷通道封閉、安裝盲板和提高設定點溫度等最佳實踐已經廣泛部署;這可以從 2011 年至 2014 年電源使用效率 (PUE) 的大幅下降中看出。 然而,自 2014 年以來,PUE 並沒有大幅下降,而在 2019 年,注意到受訪者向我們報告的年均 PUE 略有上升全球數據中心調查。同樣,對於 IT 硬件,摩爾定律已經放緩,更新的服務器無法保持過去看到的相同效率改進。

Uptime Institute 預計 IT 行業的強勁增長將在未來五年內持續下去,因爲人們已經充分了解需求模式,並且現有技術將被大規模採用。IT 能源消耗也將穩步上升,到 2020 年將增加多達 10%。

驅動數據中心耗能的因素

這種需求的增加是雲、託管和一些企業數據中心中更多基礎設施和更多能源消耗的重要驅動因素——儘管不是唯一的驅動因素。但一個新的因素尚未發揮作用:5G。

雖然 5G 的進一步成熟和普及還需要幾年時間,但 2020 年 5G 的推出大大加快數據增長趨勢,在智慧城市、物聯網等領域出現許多新型數字服務和交通,等等。與 4G 相比,帶寬增加將導致對更高分辨率內容和更豐富的媒體格式(例如虛擬現實)的需求在 2020 年末增加,此後隨着能源消耗的增加而急劇增加。

社交媒體提供了另一個不受控制的能源使用的例子。 Uptime Intelligence 的研究表明,每當葡萄牙足球明星克里斯蒂亞諾·羅納爾多(Cristiano Ronaldo)(在撰寫本文時在該平臺上擁有最多的追隨者)在 Instagram 上發佈圖片時,他超過 1.88 億的追隨者都會消耗超過 24 兆瓦時( MWh) 的能量來查看它。

流媒體佔全球流量的比例最大,並且在全球範圍內穩步上升,已成爲互聯網的耗能大戶。流式傳輸 2.5 小時的高清 (HD) 電影會消耗 1 千瓦時 (kWh) 的能量。但對於 4K (超高清)流媒體——在 2020 年開始成爲主流——這將接近 3 千瓦時,增加了三倍。

協議提出及設計

我們嘗試去思考數據中心本身對全球碳排放造成的影響,穿透到底層是兩方面。第一是數據中心的建設過程會產生碳排放,第二是對數據中心的日常使用會產生碳排放。

建設過程會涉及到原材料(如鋼材、水泥等)的生產、消耗人力、對當地土地植被自然資源的破環等方面,可以抽象成建築建設的碳排放,遵從各國各地標準。這邊着重討論對於數據中心的日常使用所產生的碳排放。

我們先來看下對於一個數據中心,其日常使用所消耗的資源構成。大體分成幾個部分,包括 IT 設備、冷卻系統、照明及其他附屬部分。

服務器的運行需要保持在一定溫度限制裏,做計算時會消耗大量的能量並釋放熱量,所以需要冷卻系統持續把熱量排出。對於數據中心能效指標,有統一參數叫 PUE:

PUE 是 Power Usage Effectiveness 的簡寫,是評價數據中心能源效率的指標,是數據中心消耗的所有能源與 IT 負載使用的能源之比,是 DCIE(data center infrastructure efficiency) 的反比。

PUE = 數據中心總設備能耗 /IT 設備能耗,PUE 是一個比值,基準是 2,越接近 1 表明能效水平越好。

PUE(PowerUsageEffectiveness,電源使用效率) 值已經成爲國際上比較通行的數據中心電力使用效率的衡量指標。PUE 值是指數據中心消耗的所有能源與 IT 負載消耗的能源之比。PUE 值越接近於 1,表示一個數據中心的綠色化程度越高。

對於冷卻系統,現在主流的大致有三種方案 :

關於數據中心不同冷卻系統的概覽

基於空氣的冷卻系統會向服務器機房供應冷空氣。服務器機架通常佈置在所謂的“冷”和“熱”通道中,以控制氣流並消除冷熱空氣混合。由於熱容量和傳熱係數低,空氣不是一種很好的傳熱介質,導致能耗高,服務器的緊湊程度受到限制,廢熱溫度相對較低。

基於液體的冷卻系統使用諸如水之類的液體來散熱。這可以通過在微通道中循環水並在與服務器組件直接接觸的冷板式熱交換器中交換熱量來實現。與空氣相比,水和液體通常具有明顯更好的傳熱性能。基於液體的冷卻系統使得更緊湊的數據中心成爲可能,並減少用於冷卻的能源使用和獲得更高的廢熱溫度。

兩相冷卻是一種新興的數據中心冷卻技術形式。液體冷卻劑在冷板式換熱器中蒸發,耗散的能量作爲以熱能方式儲存。這使得更大的熱通量和冷卻劑進行溫度調整,並使具有更高計算密度的系統成爲可能。

圍繞 PUE 這個核心能耗參數,我們希望可以鼓勵世界建造、使用和升級對環境更友好的數據中心,並限制能耗較差的節點。

由此,我們提出一套世界數據中心碳排放積分(DCCC)。對於 PUE 指標不達標的數據中心,需要購買一定數量 DCCC 來抵消其碳足跡,而對於 PUE 較優秀的節點,則可以向市場銷售其 DCCC。

第二個比較重要的參數是使用率。世界各地建完的數據中心,使用率差異較大。對於 PUE 較好而使用率不高的數據中心,可以把閒置資源接入一些資源共享的市場(如 MESON)來獲取 DCCC,通過出售 DCCC 獲取額外收益。對於 PUE 較差的數據中心,需要向市場購買 DCCC,也可以把閒置的資源拿去分享來抵扣 DCCC 差值。

除了上部分提到的兩個 PUE 和使用率,還有一個重要參數是供給數據中心的能源結構。在協議未來的發展過程中,我們也考慮把供電的能源結構引入作爲 DCCC 的參數。

DCCC 使用場景

MESON 會成爲第一個支持 DCCC 使用的市場。MESON 嘗試解決帶寬資源閒置的問題,並自下而上構建了一個帶寬聚合和交易的市場。

PUE 達標的節點可以貢獻資源在 MESON 網絡來獲取一定數量的 DCCC,PUE 未達標的節點通過貢獻資源到 MESON 網絡來獲取 DCCC 差額。

DCCC 會成爲在 MESON 裏交易資源的一個重要參數,對於 DCCC 缺少的節點,其在 MESON 裏交易的收益和排名會收到一定限制。而對於 DCCC 較好的節點,其在資源置換的市場可以獲得更大的優先權。我們希望給世界創造一個平臺,更希望這個平臺能給人類的可持續性做出貢獻,通過 DCCC 嘗試實現市場調節資源的供給結構。

歐美碳排放交易機制設計

歐盟:

歐盟碳交易市場是全球首個主要的碳排放權交易系統,2005 年啓動的強制性 EU-ETS 市場,是全球最大的碳交易市場。

  • 碳排放權配額:2005 年-2012 年,歐盟各國提交一份國家分配方案(NAP),經歐盟評估後實施,以免費發放爲主,拍賣爲輔。2013 年開始,由歐盟統一限制排放總量,以拍賣方式逐漸替代免費發放。
  • 碳定價:歐盟採用總量控制模式來調節價格。清潔發展機制(CDM)和聯合履行(JI)產生的碳信用可以轉變爲配額的供給。理論上,供給越多,價格越低。2018 年引入市場穩定儲備制度 (MSR),將往年結餘配額轉入下一年,並按一定比例減少下一年新拍賣配額,以此消化積攢的大量未使用配額。此外,政府還持續推進市場配額總量逐年收縮、配額折量延遲拍賣、提升超額排放懲罰力度等政策落實,這使得從 2016 年中到 2021 年 4 月,碳價從大約 4 歐元 / 噸暴漲到超過 44 歐元 / 噸,目前在 56 歐元 / 噸左右,創下歷史新高
  • 法律制度:歐盟現行的《碳排放權交易框架指令》中明確規定了監管主體、監管方式、報告時間與方式、覈查的具體步驟、以及對未遵守法定製度或未按時履約主體的處罰措施。

美國:

溫室氣體倡議 (RGGI)

  • 初始配額總量設置:由各州的配額總量加總確定,各成員州根據過去歷史碳排放情況設定各自初始配額總量。
  • 配額分配機制:區域溫室氣體倡議 (RGGI) 幾乎全部配額均以拍賣形式進行分配,一律採取統一價格、單輪密封投標和公開拍賣的形式。RGGI 配額拍賣在 World Energy Solutions 公司的拍賣平臺上進行,在紐約梅隆銀行進行結算。
  • 監測、報告與覈查(MRV)機制:RGGI 控排企業需安裝污染物排放連續監測系統,需按規定時間向相關部門提交相關數據報告,審查控排企業 CO2 排放數據。
  • 監督與管理機制:RGGI 碳市場的監管由 RGGI 公司、各成員州環保部門和第三方機構共同組成。

西部氣候倡議(WCI)

WCI 擴大了排放交易體系的行業覆蓋範圍,包括電力行業在內的主要排放源被納入加州碳市場。

初始配額總量設置:爲了不影響大型工業排放源的市場競爭力,初期配額髮放以免費爲主。隨着碳市場的深入進行,更高比例的配額將通過拍賣進行分配。拍賣的價格可以爲碳市場的價格設定提供參考。配額拍賣按季度進行。拍賣收益可以彌補用戶電價的增長和投資低碳項目和清潔能源的發展。

此外,加州碳市場爲電力行業的參與設計了比較特殊的機制。發電企業不能獲得免費配額,需要從一、二級市場購買,而輸電企業可以將獲得的免費配額全部出售。這樣做可以平抑電價,也促進了電力行業的清潔轉型和清潔能源的發展。從 2013 年到 2016 年間,加州州內主要的化石發電類型——天然氣發電裝機降低了 9.5%,發電量降低 18.2%;而非化石發電類型光伏裝機增長了 1.8 倍;光伏發電量增長了 3.6 倍。

需求側還是供給側買單

從資源這個維度來看碳排放,到底應該由資源的供給側來買單還是由資源的需求、使用側來買單。舉幾個例子:坐飛機,應該是由每位乘客爲產生的碳足跡買單,還是由提供該航線的航司來買單;電力,應該由發電廠爲碳排放買單還是由該電力的使用者買單;區塊鏈挖礦,應該是由運行 BTC 礦機的人買單還是由使用 BTC 網絡的人買單(Bitmex 購買碳積分)。我們認爲,兩端都要抓。對於需求側,以鼓勵自願爲主,對於供給側,需要一定強制約束。

總結

我們提出在數據中心維度建立碳排放交易的協議,引入 PUE、使用率、供電結構等指標並嘗試使用 DCCC 來做具體的衡量。協議本身還在早期,我們希望拋磚引玉能引入更多有志之士一起參與該協議的討論和治理。

加入討論:https://github.com/daqnext/DCCC

附錄

https://www.tesla.com/ns_videos/2020-tesla-impact-report.pdf

https://blog.bitmex.com/bitcoins-carbon-footprint

https://blog.sintef.com/sintefenergy/this-is-how-we-reduce-data-centers-carbon-footprint/

https://www.mdpi.com/1996-1073/10/10/1470

https://www.nature.com/articles/d41586-018-06610-y



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