台灣能源技術服務產業發展協會)

資料中心(Data Centers, DC)，以電腦伺服器、資料儲存硬碟及網路設備組成，已成為5G及雲端儲存時代不可或缺的基礎設施。在人工智慧(Artificial Intelligence, AI)獲得廣泛運用前，資料中心用電量已快速增加，但科技業積極轉向AI，使資料中心的建造及使用急遽升高，且因訓練AI模型非常耗能，耗電量遠超過資料中心的傳統活動。
為瞭解AI浪潮之資料中心全球電力需求趨勢，本文以國際能源總署（IEA）-電力2024(IEA-Electricity 2024)為藍本，就其"至2026資料中心之全球電力需求將成長1倍(Global electricity demand from data centers could double towards 2026)"專章，進行擇要彙總，重點含：一、電力需求趨勢、二、重要驅動因素、三、額外電力需求、四、抑制能源消耗、五、新研究領域助益等五項，期能兼具AI科技發展與能源效率方向。

一、資料中心之全球電力需求趨勢
依IEA預估，資料中心(含：傳統、AI資料中心)、加密貨幣(Cryptocurrencies)及AI於2022年用電量約460TWh，約占全球電力需求總量2%，至2026年將提升至620~1,050TWh(如圖一)，預估較2022年增長逾1倍，增加相當於一個瑞典或至多一個德國的電力需求總量。

圖一 2019~2026資料中心、AI、加密貨幣之全球電力需求
註：資料中心含傳統資料中心、AI資料中心、及加密貨幣，不含資料傳輸網路之用電
Source：IEA, Electricity 2024-Analysis and forecast to 2026, January 2024
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

本會監事(台灣能源技術服務發展協會TAESCO)，考試院礦業工程及安全高考雙技師、美國節能績效量測驗證師(CMVP)、PMP、NPDP

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
二、資料中心是許多地區電力需求成長的重要驅動因素
目前全球有超過8,000個資料中心，其中約33%位於美國，16%位於歐洲，接近10%位於中國。
美國預計資料中心未來用電量將快速成長，從2022年約200TWh（約占美國電力需求的4%），到2026年將增加至260TWh，占總電力需求的6%，成長主要原因係5G網路、雲端服務及具競爭力的國家稅收優惠。
在美國(United States)，最大的資料中心樞紐位於加州、德州和維吉尼亞州，就維吉尼亞州而言，其經濟成長主要由資料中心產業擴張，吸引了該州62%的新投資並提供超過5,000個新就業機會，其中北維吉尼亞州是美國最大的資料中心市場，每年帶來10億美元的稅收，隨著公司的成長趨勢將更高，如亞馬遜(Amazon)公司於2040年前將擴張350億美元，且持續增加投資；另在美國東北部州，區域傳輸組織(PJM)預計資料中心日益驅動電力需求，2024夏季尖峰負載將上升至151GW，至2034預計為178GW，在在皆顯示電力需求的成長。新立法則旨在強化對資料中心的管制，包括分區規則、強制性環境與資源影響評估、用水指南等。
在中國(China)，中國國家網路能源研究院預計，與2020年相比，中國資料中心的用電量，2026年將達到300TWh，2030年將增加一倍，達到400TWh，成長的主要來源將來自5G網路及物聯網（IoT）的快速擴張。
在歐盟(European Union)，資料中心的用電量估計，2022年約100TWh，占歐盟總電力需求的4%，計約1,240個資料中心，大部分集中在法蘭克福、倫敦、阿姆斯特丹、巴黎和都柏林等金融中心，預測至2026年將達到約150TWh。
其中，愛爾蘭(Ireland)2022年資料中心容量為5.3TWh，占全國總電量17%，預計至2026年將成長1倍，近1/3的電力需求(32%)將來自資料中心，主要驅動力是愛爾蘭擁有歐盟最低的企業稅率12.5%，相較歐洲OECD國家平均企業稅率為21.5%具優勢。而愛爾蘭資料中心數，將由目前82個，成長65%計54個，2026總數達136。
這源自資料中心產業的快速擴張及電力需求增加，為電力系統帶來挑戰，為保障系統穩定性與可靠性，愛爾蘭公用事業監管委員會(Ireland’s Commission for Regulation of Utilities)發布資料中心之三個評估標準：(一)選址方面：資料中心是否位於電力系統的限制區域內(Constrained Region)、(二)資料中心提供現地可調度(Dispatchable)發電及/或儲能的能力，至少相當於需求、(三)資料中心可透過減少需求，來彈性地滿足系統營運者(System Operator)。
丹麥(Denmark)目前擁有34個資料中心，其中一半位於哥本哈根，丹麥的總電力需求預計將成長，主要也是由於資料中心產業的擴張，預計到2026年將用電6TWh，達丹麥電力需求近20%。
綜合以上，2022~2026各主要區域之資料中心電力需求及占比，詳圖二。

圖二 2022~2026各主要區域之資料中心電力需求及占比
註：資料中心含傳統資料中心、AI資料中心，不含加密貨幣、資料傳輸網路之用電
Source：IEA, Electricity 2024-Analysis and forecast to 2026, January 2024
三、AI及加密貨幣是額外電力需求之成長源
根據市場研究，包括跨多個部門之AI快速融入軟體編程(Software Programming)，將增加資料中心的整體電力需求。如谷歌(Google)公司搜尋工具(Search Tools)之電力需求，在全面實施AI情況下，可能會增加10倍。具體而言，當比較每個搜尋之平均需電量，典型Google搜尋約需0.3Wh電力，而OpenAI’s ChatGPT為2.9 Wh，在考慮到每天90億次搜尋，一年將增加近10TWh之電力需求。
AI用電需求，可以AI伺服器未來預估銷售數量及其額定功率來預測。這AI伺服器市場目前由科技公司輝達(NVIDIA)主導，約95%的市場佔有率，2023年NVIDIA出貨量為10萬台，每年平均用電7.3TWh，至2026年，AI產業將呈指數式成長(Exponentially)，至少是2023電力需量的10倍。
在加密貨幣用電需求方面，2022年用電約110TWh，佔全球年電力需求之0.4%，相當於荷蘭之總用電量。在基本情況下(Base Case)，加密貨幣用電量預計將增加40%以上，2026年達到約160TWh。
綜合以上，2022及2026傳統資料中心、AI資料中心、加密貨幣之估計電力需求，詳圖三。

圖三 2022及2026傳統資料中心、AI資料中心、加密貨幣之預估電力需求
註：資料中心不含資料傳輸網路之用電
Source：IEA, Electricity 2024-Analysis and forecast to 2026, January 2024
四、能源效率提升及管制對抑制資料中心能源消耗至關重要
歐盟委員會修訂後的能源效率指引，包括適用於歐洲資料中心產業的法規，促進更多透明度與當責，以加強電力需求管理。一項早期的歐盟(EU)法規，自2020年起適用，為資料中心設定了效率標準，以更佳地控制對環境之影響。另一項自律的歐洲倡議創建於2021年，稱為“氣候中立資料中心協定(Climate Neutral Data Centre Pact)”，超過了60個資料中心營運商已簽署此協定，包括Equinix、Digital Realty、Cyrus One等大型營運商，規範從2024年開始，營運商(Operators)有強制性義務報告其資料中心及大型資料中心之能源使用與排放，且需要有餘熱回收應用，當技術及經濟上可行，同時在2030年實現氣候中和(Climate Neutrality)。
在美國，2020年能源法案(Energy Act of 2020)要求聯邦政府：對資料中心之能源與水的使用進行研究，以製定適用的能源效率指標及提高效率的良好實踐，以及歷史之資料中心，能源與水使用情況之公開報告。美國能源部(DOE)正在支持半導體之在地生產，並且在接下來的20年資助開發更有效率的半導體，此半導體降低了冷卻需求，從而支持該產業的去碳化（Decarbonization)。在州等級，維吉尼亞州及俄勒岡州的管制機構(regulators)已經提出了更佳的永續發展實踐及碳排放減少之需求。
在中國，管制機構將要求所有公部門(Public Organizations)之資料中心提高能源效率，並在2023年由再生能源占比5%開始，於2032年完全由再生能源供電。
五、新研究領域有助於提升效率及減少資料中心的能源消耗
資料中心電力需求主要驅動因素是冷卻系統及伺服器本身，伺服器約占總用電之40%，剩餘的60%為冷卻系統，由供電系統、儲能裝置及通訊設備，各分占20%。採用高效率冷卻系統，減少資料中心電力需求10%之潛力；其他冷卻研究顯示，透過直接晶片水冷(Direct-to-Chip Water Cooling)及特定的低黏度流體(Low Viscous Fluids)來冷卻所有其他部件，可達到減少20%之能源消耗。
機器學習(Machine learning)可以幫助減少伺服器之電力需求，透過優化其對不同操作的適應性情境，Google報告使用其DeepMind AI減少了資料中心冷卻系統40%之電力需求。
從長遠來看，用量子電腦(Quantum Computers)取代超級電腦(Supercomputers)，如果這種轉變得到效率冷卻系統的支持，將可以減少該產業的電力需求；量子電腦提供比超級電腦更多更快的處理能力及消耗更少的能源，但溫度需要冷卻到接近絕對零度（-273°C），而超級電腦可以在21°C作業。
資料中心正朝著更永續與高效率的營運方向發展，包括轉變為超大規模資料中心(Hyperscale Data Centers)，可以執行大規模運算，也不會顯著增加用電量，在財務上也很有吸引力；這種超大規模資料中心的全球市場，預計到2026年規模將比2023年成長一倍，達到2,120億美元。
另一個有前景的研究領域為資料中心的去碳化，軟體開發可以允許營運商透過碳感知模型(Carbon-Aware Models)臨時轉移電力負載，將資料中心工作負載在選定的時間，轉移到低碳密集度(Lower Carbon Intensity)的地區。同時，這種方法顯示：透過全天候使用低排放能源(Low Emissions Energy)，成本降低將高達34%，提高營運承受能力。
六、總結
1.資料中心之全球電力需求趨勢方面，資料中心(含傳統資料中心、AI資料中心)、加密貨幣(Cryptocurrencies)及AI於2022年全球用電量計約460TWh，約占全球電力需求總量2%，至2026年最高將提升至1,050TWh，預估比2022年增長逾1倍，占總量約4%。
2.資料中心是許多地區電力需求成長的重要驅動因素，以美國為例，資料中心用電量，從2022年約200TWh（約占美國電力需求的4%），到2026年將增加至260TWh，占總電力需求的6%，成長主要原因係5G網路、雲端服務及具競爭力的國家稅收優惠。
3. AI及加密貨幣是額外電力需求之成長源。就AI用電需求，可以AI伺服器未來預估銷售數量及其額定功率來預測；這AI伺服器市場目前由科技公司輝達(NVIDIA)主導，約95%的市場佔有率，2023年NVIDIA出貨量為10萬台，每年平均用電7.3TWh，至2026年，AI產業將呈指數式成長(Exponentially)，至少是2023電力需量的10倍(達73TWh)。而加密貨幣用電需求方面，2022年用電約110TWh，相當於荷蘭之總用電量，2026年用電量將增加40%以上，達160TWh。
4.能源效率提升及管制對抑制資料中心能源消耗至關重要，以歐盟(EU)為例，2021年創建“氣候中立資料中心協定(Climate Neutral Data Centre Pact)”，規範從2024年開始，營運商(Operators)有強制義務報告其資料中心及大型資料中心之能源使用與排放，且需要有餘熱回收應用，同時在2030年實現氣候中和(Climate Neutrality)之目標。
5.在新研究領域有助於提升效率及減少資料中心的能源消耗，如透過直接晶片水冷(Direct-to-Chip Water Cooling)及低黏度流體(Low Viscous Fluids)來冷卻所有組件，可減少20%之能源消耗。又如Google使用DeepMind AI減少了資料中心冷卻系統40%之電力需求。其他，如轉變為超大規模資料中心(Hyperscale Data Centers)，可執行大規模運算，也不會顯著增加用電量，全球市場預計到2026年規模將比2023年成長一倍，達到2,120億美元。
七、主要參考資料
1.the International Energy Agency (IEA). (January 2024). Electricity 2024-Analysis and forecast to 2026：Global electricity demand from data centres could double towards 2026 (pp. 31~37) , Retrieved July 25, 2024, from https://www.iea.org/reports/electricity-2024