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如何降低云计算基础设施的碳排放?

2026/11/13 17:44:14 标签：中国传动网

随着云计算、人工智能和数据密集型应用持续发展，企业对公共云资源的依赖不断加深。计算能力和数据存储需求的增长，在提升业务处理效率的同时，也增加了数据中心的电力消耗及相关温室气体排放。如何在保障计算性能、业务连续性和服务可靠性的前提下，降低云基础设施的能源消耗，已经成为企业IT运营和数据中心管理的重要议题。

云计算碳减排并非单纯依靠数据中心提高能源效率或增加可再生能源采购就能实现，而是涉及云服务使用方、基础设施运营方以及设备和材料供应商的多个环节。从排放核算、资源配置到工作负载调度和能源结构调整，需要建立相互衔接的管理机制，将碳排放指标融入日常IT运营决策。

对于企业而言，云服务并不意味着可以将能源管理和碳减排责任完全转移给服务提供商。工作负载如何配置、计算资源如何分配、应用部署在哪个区域，都会影响最终的能源消耗和排放水平。因此，建立可量化、可验证的减排体系，是推动云计算基础设施向低碳方向发展的重要基础。

云计算碳排放：明确核算边界与责任分工

云计算基础设施的碳排放主要来自两个方面：一是数据中心运行过程中消耗电力产生的运营排放，二是服务器、存储设备、网络设备以及建筑材料在生产、运输和建设过程中形成的隐含碳排放。

按照温室气体核算体系，企业自身运营产生的直接排放通常归入范围1，外购电力、热力和冷却能源产生的间接排放归入范围2，价值链上下游产生的其他间接排放则归入范围3。

在公共云环境中，云服务提供商和企业用户之间存在一定的核算交叉，但双方的管理责任并不相同。

云服务提供商负责数据中心的建设、设备采购、基础设施运行和能源供应，因此需要重点管理设施能效、IT设备效率、电力来源以及供应链隐含排放。数据中心消耗外购电力产生的排放，通常计入服务提供商的范围2排放;对于使用云服务的企业而言，相应的云服务相关排放则可能计入其范围3排放。

企业用户虽然不直接控制数据中心的硬件设备和供电系统，却能够影响计算资源的使用方式。例如，企业可以决定工作负载的运行规模、CPU和GPU资源配置、存储容量、任务执行时间以及部署区域。这些选择都会影响云基础设施的实际负载和能源需求。

因此，云排放管理需要区分基础设施控制权与资源使用权。云服务提供商应提高数据中心及设备的能源效率，企业用户则应优化工作负载和资源利用率。双方只有明确核算边界、共享必要的能源与排放数据，才能避免重复计算或责任遗漏。

建立碳核算机制，将排放数据纳入运营管理

碳减排首先需要建立可靠的核算基础。如果企业无法了解云资源使用所产生的能源消耗和排放情况，就难以判断现有运营是否存在效率问题，也无法评估不同减排措施的实际效果。

传统IT运营主要关注系统可用性、响应时间、计算性能和服务容量，而碳排放管理需要进一步引入能源消耗、资源利用率和单位计算任务排放量等指标。

企业可以结合云服务提供商提供的碳排放数据、能源消耗报告及第三方核算工具，对云工作负载的环境影响进行估算。例如，Cloud Carbon Footprint等开源工具能够帮助企业分析云资源使用情况，并估算相关能源消耗和温室气体排放。

在实际核算中，应重点关注以下指标：

能源消耗量：统计云计算资源运行所对应的电力消耗，尽可能细化到业务、应用、项目或工作负载层面。

碳排放总量：结合所在区域的电力排放因子，估算不同云服务和工作负载产生的温室气体排放。

资源利用率：监测CPU、GPU、内存和存储资源的实际使用情况，识别长期闲置、配置过剩或利用率偏低的资源。

单位工作量能耗：通过单位计算任务、单位数据处理量或单位业务请求对应的能源消耗，衡量基础设施运行效率。

单位工作量碳排放：将碳排放与实际计算产出相结合，判断业务增长是否伴随着能源效率的改善。

需要注意的是，云碳排放估算通常受到数据完整性、资源分摊方法和电力排放因子等因素影响，不同服务商的核算口径也可能存在差异。因此，企业在建立碳排放基准时，应明确数据来源、计算方法和统计边界，并尽可能保持年度核算口径一致。

碳核算的价值不在于获得一个单独的排放数字，而在于将这些数据转化为资源配置、采购和运营优化的依据。

优化现有云基础设施，降低运营阶段能源消耗

对于已经投入运行的云环境，资源利用率优化通常是较容易落地的减排措施之一。

在传统IT管理模式下，企业往往按照业务峰值需求配置计算和存储资源，以避免业务高峰期间出现性能瓶颈。然而，实际业务负载通常具有明显的时间波动特征。如果基础设施长期按照峰值容量运行，就可能出现大量服务器和虚拟机处于低利用率状态，造成不必要的电力消耗。

提高资源利用率，需要从容量规划、资源调度和系统管理三个方面入手。

1.合理配置CPU、GPU和内存资源

计算资源配置过高并不一定意味着性能更好。对于许多企业应用而言，CPU核心数、内存容量和存储性能如果明显超过实际需求，就会形成资源闲置。

企业应根据工作负载的实际运行特征，动态调整计算实例规格，避免长期使用超出业务需要的资源配置。对于具有明显周期性或波动性的任务，可以采用弹性扩缩容机制，根据实际负载增加或释放计算资源。

人工智能工作负载尤其需要关注GPU利用率。GPU资源成本和功耗较高，如果模型训练、推理任务调度不合理，可能出现加速器等待数据、任务排队或计算资源空闲等情况。通过优化批处理规模、数据加载流程、模型并行策略和任务调度，可以提高GPU有效工作时间，减少单位计算任务的能源消耗。

2.减少闲置资源和重复运行

云环境中的闲置资源并不总是能够被及时发现。例如，测试环境、临时计算实例、未使用的存储卷以及长期运行的开发资源，都可能持续产生能源和费用开销。

企业可以建立定期资源审计机制，对长期低利用率实例、无业务关联的存储资源以及重复部署的应用进行识别和清理。

对于非生产环境，可以根据使用时间设置自动启停策略。例如，在非工作时间关闭不需要持续运行的测试实例，或在项目结束后及时释放临时资源。

此外，容器化和虚拟化技术能够提高底层硬件的资源共享效率。通过合理设置容器资源限制、虚拟机调度策略和集群自动扩缩容机制，可以减少物理服务器数量需求，提高基础设施整体利用率。

3.逐步迁移至更高能效的基础设施

硬件升级同样是降低云计算能源消耗的重要方式。随着处理器、内存、存储和网络设备持续迭代，新一代基础设施通常能够在相同功耗下提供更高的计算能力。

企业应定期评估云服务提供商的实例类型和基础设施产品，比较不同平台的性能功耗比，而不应仅依据设备价格或标称性能进行选择。

对于长期运行且资源需求稳定的业务，可以优先评估采用能效更高的计算实例。对于人工智能和高性能计算任务，则应综合考虑GPU性能、内存带宽、数据传输效率以及整个平台的功耗表现。

硬件迁移需要结合应用兼容性、迁移成本和业务风险进行评估。只有在性能、稳定性和总体运营成本满足要求时，升级才能真正转化为可持续的能源收益。

优化新工作负载部署，避免能源浪费从源头产生

相较于对既有系统进行改造，在新工作负载部署阶段引入能效要求，往往更容易建立长期有效的管理机制。

企业应将能源效率纳入应用架构设计、云资源采购和上线测试流程，而不是等到系统运行后才进行调整。

1.建立工作负载能效测试机制

不同应用对CPU、GPU、内存和存储资源的需求存在明显差异。数据库、视频处理、模型训练和在线推理等任务，即使使用相同规格的云实例，也可能呈现完全不同的资源利用特征。

因此，在正式部署之前，应通过压力测试和性能测试，评估不同资源配置下的运行效率。

例如，可以测试不同CPU与内存配比对应用响应时间、吞吐量和能源消耗的影响，确定能够满足性能要求的合理配置。

对于AI工作负载，还需要评估模型规模、批处理大小、推理并发量和GPU显存占用等因素，避免因配置不合理导致加速器利用率偏低。

2.将能源效率纳入持续优化流程

工作负载上线并不意味着资源配置已经达到最优状态。随着业务规模、访问量和应用架构变化，原有资源分配可能逐渐偏离实际需求。

企业应建立周期性评估机制，持续监测计算资源利用率、应用响应时间和能源消耗变化，并根据实际运行数据调整资源配置。

对于负载波动明显的应用，可以采用自动化调度和弹性伸缩机制;对于长期稳定运行的业务，则可以通过实例规格调整和资源整合提高利用效率。

这一过程需要同时考虑业务性能和能源效率，避免单纯追求高利用率而导致系统过载、响应延迟或可靠性下降。

3.建立可验证的减排记录

工作负载优化是否真正产生减排效果，需要通过部署前后的数据进行验证。

企业可以为每项优化措施建立独立记录，包括原有资源配置、调整后的资源规模、实际运行负载、能源消耗估算以及排放变化。

在条件允许的情况下，应尽量采用相同的统计周期、工作负载规模和核算方法进行比较，避免将业务量下降带来的能源消耗减少误判为效率提升。

通过项目级记录，企业能够识别不同优化措施的实际效果，并为后续资源规划和环境信息披露提供依据。

优化工作负载部署位置，降低电力相关排放

云计算的另一个重要特点是资源可以部署在不同地理区域。不同地区的电力结构、能源供应方式和电网排放因子存在明显差异，因此，即使运行相同的计算任务，不同部署位置也可能产生不同的碳排放。

数据中心的电力排放因子通常受到当地发电结构、电力采购协议、现场能源设施和电网运行状况等因素影响。可再生能源占比较高的地区，通常具备更低的电力排放强度，但具体效果仍取决于能源供应方式和核算口径。

企业在选择云资源部署区域时，可以将碳排放因素纳入采购和架构决策。

1.综合评估数据中心所在区域

传统云资源选址主要关注网络延迟、服务可用性、数据合规和运营成本。随着碳排放管理要求提高，区域电力结构和能源供应情况也应成为重要参考指标。

在条件允许的情况下，企业可以优先考虑电力排放因子较低、可再生能源供应能力较强的区域。

不过，低碳选址不能脱离业务实际。对于金融交易、实时通信和在线服务等对响应时间要求较高的应用，网络延迟和服务可靠性仍然是首要约束。企业需要在计算性能、数据传输成本、业务连续性和碳排放之间取得平衡。

2.根据工作负载特征实施差异化调度

并非所有计算任务都需要实时执行。在线交易、实时推理和关键业务系统通常具有严格的响应时间要求，而数据分析、模型训练、日志处理和数据备份等任务则可能拥有更大的调度空间。

对于时间敏感性较低的工作负载，可以考虑根据不同区域的电力碳强度调整任务执行位置或时间。

例如，当某个区域的可再生能源供应较为充足、电力排放因子较低时，可以优先安排非紧急批处理任务在该区域执行。

碳感知型工作负载调度技术能够结合电网碳强度、任务优先级和资源可用性，动态选择计算位置或执行时间。但目前这类技术在不同云平台之间的兼容性、数据准确性和实际部署成熟度仍存在差异。

因此，企业在采用相关技术时，应先从非关键任务和可灵活调度的业务入手，并设置明确的性能及可靠性约束，避免因调度策略影响正常运营。

3.从年度平均核算转向更细化的能源评估

电力碳排放因子并非始终固定。不同季节、天气和电网负载条件下，电力供应结构可能发生变化。

如果企业仅使用年度平均排放因子，就可能无法准确反映特定时间段内工作负载的实际碳排放情况。

因此，在数据条件允许的情况下，可以进一步引入小时级或更短时间尺度的电力碳强度数据，帮助企业识别更适合执行弹性任务的时间窗口。

这种动态核算方式能够使碳排放数据与工作负载调度形成更紧密的联系，为云资源的精细化管理提供支持。

推动无碳能源应用，降低数据中心电力排放

数据中心的服务器、存储和网络设备需要持续供电，因此，电力结构是影响云计算运营碳排放的重要因素。

提高设备能效能够降低单位计算任务的电力需求，但如果电力主要来自高碳排放能源，数据中心仍然会产生较高的间接排放。因此，云基础设施的长期脱碳还需要推动电力供应结构转型。

无碳能源(Carbon-FreeEnergy，CFE)通常包括风能、太阳能、水电、核能等低碳或无碳发电来源。具体统计范围应根据所采用的核算标准确定。

云服务提供商可以通过以下方式提高无碳能源使用比例：

长期绿色电力采购：通过长期购电协议等方式，支持风电、光伏等可再生能源项目建设，为数据中心提供相应的电力供应。

现场能源部署：在数据中心适宜区域建设光伏等分布式能源设施，降低部分外部电力需求。

储能系统建设：通过电池储能等技术，提高可再生能源的利用能力，缓解发电与数据中心用电需求之间的时间差。

能源结构优化：根据区域电网特点，增加低碳电力来源，降低对高排放电力的依赖。

提高能源匹配程度：从年度能源采购匹配逐步向小时级能源供需匹配发展，更准确地反映数据中心实际用电与无碳能源供应之间的关系。

需要区分的是，年度无碳能源匹配比例并不等同于数据中心每个小时都由无碳能源供电。企业在评估云服务提供商的能源表现时，应同时关注年度匹配比例、实际供电结构和能源采购方式，避免仅依据单一指标判断脱碳水平。

此外，碳抵消与实际能源脱碳也存在区别。碳抵消主要通过支持其他减排或碳移除项目来补偿部分排放，而提高数据中心实际使用的无碳能源比例，则能够直接改善电力供应结构。长期来看，减少能源需求和推动电力系统低碳转型应成为优先方向。

管理设备与材料的隐含碳排放

除了运营阶段的电力消耗，数据中心建设和设备制造也会产生大量隐含碳排放。

服务器、GPU、存储设备、交换机、光模块、机柜以及供配电和制冷系统，都需要经过原材料开采、零部件制造、组装、运输和安装等环节。这些过程形成的排放通常属于范围3排放。

随着数据中心建设规模扩大和设备更新周期缩短，硬件制造及基础设施建设产生的隐含碳排放也需要得到更多关注。

与运营阶段的电力消耗不同，企业用户通常无法直接决定公共云数据中心采用何种建筑材料、采购哪些服务器设备，也难以控制供应链生产过程。因此，这部分排放的管理重点应更多落在云服务提供商及其供应链上。

云服务提供商可以从以下几个方面开展管理：

第一，优化基础设施采购标准。

在服务器、存储设备、网络设备和供配电系统采购过程中，将产品全生命周期碳排放、能源效率和可维护性纳入评估范围，避免仅依据采购价格和初始性能作出决策。

第二，推动低碳建筑材料应用。

数据中心建设涉及大量混凝土、钢材和其他建筑材料。通过采用低碳水泥、再生钢材和低碳建筑工艺，可以降低建设阶段的隐含碳排放。

第三，延长设备使用周期。

在满足性能、安全和可靠性要求的前提下，通过维修、升级、部件替换和设备再利用延长硬件生命周期，减少频繁更新带来的制造和处置排放。

第四，强化供应链碳数据管理。

云服务提供商应与设备制造商和材料供应商建立相对统一的碳数据披露机制，逐步提高产品碳足迹数据的完整性和可比性，并将减排要求纳入供应商评估体系。

对于企业云服务用户而言，关注服务提供商的设备采购政策、材料管理和供应链减排进展，比对自身无法控制的设备制造排放进行重复分摊更具实际管理价值。

建立持续改进机制，推动云碳减排落地

云计算碳减排并非一次性的技术升级，而是涉及资源规划、基础设施运营、能源采购和供应链管理的长期过程。要让减排措施真正产生效果，企业需要建立从目标设定到结果验证的完整管理机制。

首先，应设定明确的阶段性目标。企业可以根据自身云资源规模和业务发展规划，制定未来三至五年的能源消耗及碳排放下降目标，并与长期净零排放路径相衔接。

其次，应将目标分解到具体业务和运营环节。例如，将计算资源利用率、单位工作量能耗、闲置资源清理率和低碳区域部署比例纳入IT运营管理指标，使减排要求能够落实到日常工作。

再次，应建立项目级监测和验证机制。对于资源整合、硬件升级、工作负载迁移和能源结构调整等措施，需要记录实施前后的能源消耗和排放估算值，并保持核算方法的一致性。

最后，应定期评估云服务提供商的减排进展。企业在选择和续签云服务合同时，可以将数据中心能源效率、无碳能源使用比例、排放数据透明度以及供应链碳管理能力纳入供应商评估体系。

在环境信息披露方面，企业还应区分实际能源消耗下降、单位工作量能效提升和电力排放因子下降所带来的减排贡献。这样既能避免不同减排因素之间的重复计算，也有助于准确判断各项措施的实际效果。

总结：让碳排放核算真正服务于云基础设施优化

随着人工智能和云计算工作负载持续增长，数据中心的能源需求将面临长期压力。单纯依靠扩大计算规模和增加硬件投入，已经难以满足企业对性能、成本与可持续运营的多重要求。

云计算碳减排需要从单一的排放统计转向覆盖资源使用、基础设施效率、电力供应和供应链管理的系统性优化。

对于企业IT运营团队而言，最直接的行动是合理配置计算资源、减少闲置容量、提高CPU和GPU利用率，并根据业务特点优化工作负载部署位置和执行时间。对于云服务提供商而言，则需要持续提高数据中心能源效率，扩大无碳能源应用，并推动设备制造和建筑材料供应链降低隐含碳排放。

两者承担的责任不同，但减排目标具有一致性。只有将碳排放数据与实际运营决策相结合，并通过持续监测和统一核算方法验证优化成果，云计算碳减排才能从报告层面的指标管理转化为基础设施层面的实际改进。

供稿：智能制造网

本文链接：http://www.cmcia.cn/content.aspx?url=rew&id=9715

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