データ運用（データセンターの低炭素運用は、AIの膨大なエネルギー消費需要を効果的に緩和します）

データセンターの低炭素運用はAIの膨大なエネルギー消費需要を効果的に緩和する

ハン・シュエ

大規模な AI（人工知能）モデルの需要が、データセンターの建設を推進し続けています。データセンターの規模と計算能力はともに急速な成長傾向を示しています。私の国のデータセンターの総規模は世界第2位です。今後、データセンター建設の加速とコンピューティング能力の要件の増加に伴い、データセンターの電力消費は急速な増加傾向を示し、コンピューティング能力をめぐる競争はエネルギー資源をめぐる競争へと進化します。

大規模モデルが展開されるにつれて、2030年までにデータセンターの電力消費量は世界の電力消費量の3％～4％に達すると予測されています。中国情報通信研究院は、2022年に全国のデジタル産業の電力消費量は3,700億kWh、使用中のデータセンターの電力消費量は766億kWhとなり、それぞれ社会全体の電力消費量の4.5%と0.9%を占めると予測している。第14次5カ年計画末までに、データセンターの電力消費量は2022年比で2～3倍に増加し、1500億～2000億kWhの規模に達し、社会全体の電力消費量の1.5％～2％を占め、2030年には4000億kWhに近づくと予測されています。電力網の全国平均排出係数に基づいて計算すると、現在のデータセンターからの二酸化炭素排出量は、温室効果ガス総排出量の約0.4％を占めています。第14次5カ年計画の終了までに、これは温室効果ガス総排出量の約1％に増加すると予想されています。

AIの膨大なエネルギー消費需要を軽減するために、データセンターの低炭素運用は避けられない選択となっています。一方で、データセンターの低炭素運用は、我が国のデジタル経済の持続可能な発展にとって避けられない選択です。一方、データ生産の低炭素化も我が国のデジタル競争力を確保する上で重要な側面です。データセンターの低炭素運用の中核は、エネルギー消費の削減、グリーン電力へのアクセス、負荷調整機能にあります。

データセンターはエネルギー効率の改善を通じて炭素排出の強度を積極的に削減しており、エネルギー効率レベルは急速に向上している。

データセンターのライフサイクル全体における炭素排出量は主に運用段階で発生し、建設段階と運用段階がそれぞれ約 10% と 90% を占めます。データセンターは長い間、主にエネルギー効率を改善し、冷却方法の改善、ラック設計の最適化、チップのエネルギー消費量の削減を通じて炭素排出量を削減することで、炭素排出量を削減してきました。データシステムの冷却システムのエネルギー消費量は急速に減少しており、IT機器のエネルギー消費量がエネルギー効率管理の中核となります。既存の成熟したテクノロジーをベースに、低電力チップ、オールフラッシュ ストレージ、オールファイバー ネットワーク、完全にロスレスなイーサネット ネットワークを使用することで、IT 機器のエネルギー消費量を削減する余地をさらに探ることができます。

エネルギー効率の向上と比較して、エネルギー供給構造の脱炭素化は、データセンターからの炭素排出量の削減に効果的です。また、新エネルギーとエネルギー貯蔵技術の成熟に伴い、グリーン電力は徐々に経済的利点を獲得しつつあります。

地域配置の観点から見ると、データセンターを西向きと北向きに配置することは、風力と太陽光資源の分布とより一致しています。データセンターがもたらす電力負荷は、北西部地域の地域電力負荷レベルを改善し、地域電力システム自体の安定性を高めることにもつながり、それによって電力網の新エネルギーへのアクセス能力が向上します。

運用経済の観点から見ると、データセンターはグリーン電力を購入することで運用コストを削減できます。典型的なプロジェクトの調査によると、データセンターの運用コストのうち、電気代が約60%～70%を占めています。大規模な電力網のサポートにより、グリーン電力の購入、小規模エネルギー貯蔵、熱エネルギーカスケード利用、ヒートポンプなどをサポートすることで、データセンターの運用コストを効果的に削減できます。

データセンターの電力負荷の弾力性を探ることがゼロカーボン運用を実現する鍵

再生可能エネルギー発電の不安定性とデータセンターの電力負荷の変化により、データセンターを再生可能エネルギーのみで稼働させることは困難です。データセンターが調整機能を提供できない場合、データセンターの電力消費量の増加に対応するために、より多くの化石エネルギー生成が必要となり、より大きな二酸化炭素排出量削減効果は達成できません。そのため、電力負荷の弾力性を解放し、エネルギー貯蔵設備を構成することで、データセンターの運用モードをさらに最適化し、再生可能エネルギー発電の特性に適応して一致させる必要があります。

データセンター内のさまざまなコンポーネントのリソースが不均等に占有されている場合、作業タスクの時間または空間のレイアウトを調整することで、電力負荷の弾力性を実現できます。コンポーネント レベルでは、電力上限、休止状態、またはシャットダウンを設定することで、無負荷状態のサーバーの電力消費を最適化できますが、方法が異なると、サーバーが通常の動作状態に戻る速度も影響を受けます。ビジネスレベルでは、ビジネスプロセスと配布を最適化し、コンポーネントの冗長性を削減することで、電力負荷を効果的に削減できます。タスクレベルでは、遅延耐性タスクは、ブレークポイントでの計算の再開、並列計算ノードの調整などにより、計算能力要件の変更と拡張を実現できます。遅延の影響を受けやすいタスクでは、高速ネットワークを利用して、複数のデータセンター間でタスクを最適に再配分できます。

データセンターの低炭素化推進における困難と課題

データセンターの地域レイアウト要件と再生可能エネルギー資源の間には依然として大きな不一致が存在します。 「東データ西コンピューティング」戦略により、西部地域の主要ノードにおけるデータインフラストラクチャの配置が強化されましたが、東と西の間のラック数の差は依然としてかなり大きいです。西部地域のデータセンター建設は、依然として技術者の不足や運用・保守能力の低さなどの障害に直面している。データセンターのレイアウトや再生可能エネルギー資源の違いにより、データセンター運用全体の低炭素レベルを向上させることがより困難になっています。中央部と東部地域のデータセンターは、地元のグリーン電力の不足に直面する可能性が高い。

グリーン電力取引市場システムと認証メカニズムが不完全であることも、データセンターが低炭素電力を入手することを困難にしています。私の国は最近、グリーン電力とグリーン証明書の取引に関する関連政策メカニズムに大幅な改善を加えましたが、依然としていくつかの問題が残っています。まず、現在の省間・地域間の電力取引は依然として主に政府間契約に基づいており、グリーン電力の省間・地域間の取引は依然として比較的困難です。第二に、グリーン電力とグリーン証明書と炭素市場および炭素会計との関係は現時点ではまだ明確ではなく、グリーン電力とグリーン証明書の炭素削減効果をさらに明確にする必要があります。第三に、グリーン電力やグリーン証明書のトレーサビリティが悪く、市場情報の透明性、グリーン証明書の取り消し、第三者認証などにおいて、まだ改善の余地が大きい。

グリーン電力源を備えたデータセンターの場合、グリーン電力の消費レベルを向上させ、グリーン電力の供給比率を高めるには、技術、経済、認識、メカニズムの面でさまざまな障害があります。明確な時間帯別電気料金シグナルがなければ、エネルギー貯蔵装置を追加するとデータセンターの電気料金が大幅に増加し、推進が困難になります。さらに、データセンターの運用ビジネス モデルは多様であり、複数のエンティティが関与する可能性があるため、コンピューティング負荷の調整と制御が困難になります。さらに、コンピューティングタスクはそれぞれ大きく異なり、占有する IT 機器も異なるため、標準製品として使用することはできません。

電力負荷を測定すると、炭素排出量の計算が難しくなります。

政策提言

データセンターの低炭素運用のための技術的基盤を提供するために、関連技術とシステムの研究開発を加速します。デバイス、ラック、システム、タスクなどの側面から設計を最適化し、データセンターの単位計算能力あたりの運用エネルギー消費をさらに削減します。効率的な冷却技術とそれを支える材料・設備、廃熱回収・利用、再生可能エネルギー発電の多時間スケール予測、データ処理タスク識別・パッケージング技術、多分野技術のシステム統合などの技術分野の研究開発を強化します。西部地域における関連人材の教育・訓練を加速する。

電力市場の構築を促進し、データセンターに信頼できるグリーン電力源と効果的な価格インセンティブを提供します。グリーン電力とグリーン証明書市場をさらに改善するためには、一方では、市場情報の開示と証明書のライフサイクル管理を強化し、グリーン属性の追跡可能性を高める必要があります。一方で、取引商品の革新、市場アクセスメカニズムの最適化、そしてさまざまな地域でのグリーン電力やグリーン証明書の利用可能性の向上も必要です。省間・地域間の電力取引の柔軟性を高め、再生可能エネルギーの省間・地域間の取引を促進し、電力網会社による電力炭素情報の追跡と開示を強化し、ゼロ炭素電力会計の標準ルールの確立に努めます。 「系統・地域・発電所」を含む複数の主体による再生可能エネルギー発電予測システムを構築し、電力スポット市場の構築と整備を加速し、小売市場と代理電力購入の支援電力価格を改善し、データセンターの電力需給調整能力への投資に対する価格ガイダンスを提供します。

グリーンデータセンターなどのインセンティブメカニズムを改善し、データセンターの炭素削減を加速するように誘導します。グリーンデータセンター指標システムにおけるPUE値、廃熱利用率、再生可能エネルギー使用量などの指標の重みを高め、低レイテンシ要件を持つデータセンターを西側に展開するよう誘導します。各レベルの政府のデータインフラ計画や再生可能エネルギー開発計画においては、データセンターのグリーン電力供給と電力需要を総合的に考慮する必要があります。大規模・中規模データセンター建設の認可プロセスにおいて、PUE値、廃熱利用方法、再生可能エネルギープロジェクトの構築支援に対する要件を強化します。業界を導き、低炭素データサービス標準を構築し、データセンターの所有者、構築者、オペレーター、サービスプロバイダー間のコンセンサスを促進し、さまざまなビジネス形式で一貫した行動を実現します。

（著者は国務院発展研究センター資源環境政策研究所研究室副室長）