2023绿色算力技术白皮书.pdf

1 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 编号 ODCC-2023-0500K 绿色算力技术白皮书绿色算力技术白皮书 （2023 年）开放数据中心委员会 2023-11 发布 II 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 编写组编写组 项目经理：项目经理：张一星 中国信息通信研究院 杨硕 中国信息通信研究院 工作组长：工作组长：郭亮 中国信息通信研究院 贡献专家：贡献专家：王月 中国信息通信研究院 张磊 中国电信集团有限公司 曹恺 蚂蚁科技集团股份有限公司 彭晋 蚂蚁科技集团股份有限公司 黄挺 蚂蚁科技集团股份有限公司 季雨洁 蚂蚁科技集团股份有限公司 孙曦 蚂蚁科技集团股份有限公司 徐明灼 蚂蚁科技集团股份有限公司 杨豫京 宁畅信息技术（杭州）有限公司 李素红 宁畅信息技术（杭州）有限公司 王海岩 宁畅信息技术（杭州）有限公司 赵雷 宁畅信息技术（杭州）有限公司 陈光 联想（北京）信息技术有限公司 崔吉顺 联想（北京）信息技术有限公司 郝京阳 联想（北京）信息技术有限公司 司晓霞 联想（北京）信息技术有限公司 周弘立 新华三技术有限公司 汪新新 新华三技术有限公司 III 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 前言前言 随着我国产业结构持续优化升级，算力已成为推动各领域数字化、智能化转型的重要基石。算力是数字经济时代集信息计算力、网络运载力、数据存储力于一体的关键生产力，为推动数字中国建设提供了有力支撑。2020 年 9 月我国正式提出“双碳”战略目标以来，绿色低碳、节能环保成为各产业布局的底层逻辑，经济社会对生产、应用和消费绿色算力提出明确诉求。技术创新是算力发展的根本。当前，算力产业正以绿色发展为技术创新是算力发展的根本。当前，算力产业正以绿色发展为主攻方向，推进基础设施全生命周期绿色设计，围绕计算、存储、主攻方向，推进基础设施全生命周期绿色设计，围绕计算、存储、网络等核心环节加强产业技术攻关，加大算力服务研发力度挖掘高网络等核心环节加强产业技术攻关，加大算力服务研发力度挖掘高效无感应用潜力。效无感应用潜力。伴随产业链上下游各方的共同协作与融合发展，绿色算力在新技术、新产品、新解决方案的落地应用上取得了积极进展。为梳理绿色算力技术创新发展态势，推动我国算力产业绿色高质量发展，本白皮书从算力供需视角出发，提出了绿色算力的内涵定义，总结了绿色算力的属性特征和发展演进阶段。聚焦算力设施、算力设备、算力平台等层次的绿色技术发展态势，分析算力赋能行业绿色发展的典型应用场景，总结我国绿色算力发展面临的挑战，并提出对应建议。IV 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 绿色算力相关技术、产业正处于高速发展阶段，我们必须不断创新，持续探索，才能为发展高效、节能、低污染、科学集约的绿色算力奠定坚实的基础。期待本白皮书能为大家带来启示，为推动绿色算力革命贡献一份力量。由于时间仓促，水平所限，错误和不足之处在所难免，欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系编写组。V 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 目录目录 版权声明.I 编写组.II 前 言.III 一、绿色算力发展态势.1（一）绿色算力定义内涵.1（二）绿色算力属性特征.4（三）绿色算力发展演进.7 二、算力设施的绿色技术发展态势.10（一）绿电消费比例稳步提升，电能传输效率有效提高.10（二）储能部署方式多元可靠，储能设备环境友好效率高.11（三）自然冷却技术快速发展，液冷技术进入全面普及阶段.13 三、算力设备的绿色技术发展态势.17（一）服务器硬件节能方向广泛，动态能耗管理智能化发展.17（二）先进存储大幅削减能源消耗，数据软件技术有效提升存储效率.20（三）网络传输设备向无损化发展，智能弹性网络进一步增强传输效率.23 四、算力平台的绿色技术发展态势.25（一）算力资源调度全局化，促进低碳算力选择应用.25（二）平台产品开发智能化，实现算力资源高效利用.28（三）能效监控指标多元化，深度融合人工智能技术.32 五、实现算力赋能绿色.35（一）绿色算力加速科研技术革命.35（二）绿色算力赋能产业节能低碳.36 VI 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K（三）绿色算力构建社会治理新格局.38 六、绿色算力发展的挑战与建议.41（一）加强绿色算力政策保障.41（二）夯实绿色能源底座支撑.41（三）巩固绿色设备技术创新.42（四）聚焦绿色平台能力建设.43（五）深入挖掘应用场景价值.44 VII 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 图图 目录目录 图 1 绿色算力框架图.3 图 2 绿色算力属性特征.4 图 3 绿色算力发展演进阶段.7 1 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 绿色算力技术白皮书绿色算力技术白皮书 一、一、绿色算力发展态势绿色算力发展态势 （一）绿色算力定义内涵（一）绿色算力定义内涵 随着数字经济快速发展，我国产业结构持续优化升级，传统产业增效提质，新兴产业加速布局，算力底座的重要性日益凸显，并成为推动各行业数字化升级的关键要素。在国家“碳达峰、碳中和”战略目标的引领下，高效利用资源，减少能源消耗，降低碳排放和污染物排放，推动算力绿色发展成为了时代需求和行业共识。政策上看，算力绿色发展的关注重点正逐步从聚焦数据中心规政策上看，算力绿色发展的关注重点正逐步从聚焦数据中心规划、选址、布局绿色，过渡到实现产业用能、生产和应用的全链条划、选址、布局绿色，过渡到实现产业用能、生产和应用的全链条绿色。绿色。早在 2013 年 1 月，工信部等部门印发了关于数据中心建设布局的指导意见，提出要充分考虑资源环境条件，推进“绿色数据中心”建设。随着我国数字经济蓬勃发展，算力产业规模快速增随着我国数字经济蓬勃发展，算力产业规模快速增长，以数据中心为代表的算力基础设施整体能耗和碳排放问题越发长，以数据中心为代表的算力基础设施整体能耗和碳排放问题越发突出，用能环节节能减排成为必然。突出，用能环节节能减排成为必然。2020 年12月，发改委出台关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见提出要探索电力网和数据网联动建设、协同运行机制。2021 年 7 月，工信部出台新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）鼓励企业探索建设分布式光伏发电、燃气分布式供能等配套系统，引导新型数据中心向新能源发电侧建设，就地消纳新能源。在“双碳”在“双碳”战略提出后，国家强调要坚持把节约资源贯穿于经济社会发展全过战略提出后，国家强调要坚持把节约资源贯穿于经济社会发展全过 2 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 程、各领域。程、各领域。2021 年 9 月，国务院发布关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见提出要加快构建清洁低碳安全高效能源体系，提升数据中心等信息化基础设施能效水平。2021 年 12 月，国家发改委等四部门发布贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和 5G 等新型基础设施绿色高质量发展实施方案提出要发挥市场主体作用，强化标准引领，引入竞争机制、激励机制和成本倒逼机制，促进全产业链绿色低碳发展。2023 年 10 月，工信部等六部门联合出台算力基础设施高质量发展行动计划提出要推进算力应用全产业链节能减排。产业上看，算力市场规模稳步增长，算力市场主体日益丰富，产业上看，算力市场规模稳步增长，算力市场主体日益丰富，坚持绿色发展是实现高质量发展的必然要求。坚持绿色发展是实现高质量发展的必然要求。随着算力应用场景不断拓展，算力需求愈发旺盛，截至 2023 年 6 月底，全国在用数据中心机架总规模超过 760 万标准机架，我国算力总规模达到 197EFLOPS，算力总规模近五年年均增速近30%。算力产业生态主体日益丰富，以中国电信、中国移动等为代表的基础电信运营商，和以世纪互联、秦淮数据等为代表的第三方数据中心运营商，依靠建设起步早的先发优势已在本土持有大规模数据中心资源；我国传统工业企业，如国家电网、南方电网、中石油、中石化等也开始积极推动算力基础设施建设，为企业数字化转型提供支撑；阿里巴巴、腾讯、百度等互联网厂商借助平台优势，全面应用自研核心技术自建云计算、智算数据中心；随着芯片、服务器在人工智能、云计算和数据中心等领域发挥着越来越重要的作用，国内算力设备头部厂家，如华为、3 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 联想、新华三等在硬件算力方面不断进行技术创新与突破。算力产业具有产业链长、参与主体多、应用范围广泛等特点，从能源资源角度出发，算力产业各环节发展均受到资源要素和环境压力的制约；从技术发展角度出发，算力产业发展需要底层硬件、核心算法和平台软件等多方面技术的支持。“双碳”战略为我国绿色低碳创新发展带来了空前重要的历史机遇，我国算力产业应充分吸收和借鉴国内外成功经验和做法，一方面是要更加注重可持续发展，用能上从煤炭、石油等传统化石能源向太阳能、风能、氢能等绿色可再生能源转变，材料使用上向集约节约、质量效益好的新材料转变；另一另一方面是要加强技术创新，算力涉及诸多学科和领域，包括计算机科方面是要加强技术创新，算力涉及诸多学科和领域，包括计算机科学、数学、物理学、工程学等，要充分发挥技术在产业要素配置上学、数学、物理学、工程学等，要充分发挥技术在产业要素配置上的重要作用，将技术创新作为算力绿色发展的突破口，以绿色算力的重要作用，将技术创新作为算力绿色发展的突破口，以绿色算力为基石助力经济高质量发展。为基石助力经济高质量发展。来源：中国信息通信研究院 图 1 绿色算力框架图 4 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 算力绿色低碳发展，是国家战略之所需也是行业发展之必然，未来算力将朝着高效、节能、低污染、科学集约等方向持续发力。绿色算力是把环境资源作为算力产生的关键要素，把生产过程“绿绿色算力是把环境资源作为算力产生的关键要素，把生产过程“绿色化”作为绿色算力的主要内容，把应用结果“绿色化”作为绿色色化”作为绿色算力的主要内容，把应用结果“绿色化”作为绿色算力的更高追求，自下而上实现算力在算力设施、算力设备、算力算力的更高追求，自下而上实现算力在算力设施、算力设备、算力平台和算力应用全体系绿色化的研究领域。平台和算力应用全体系绿色化的研究领域。绿色算力的目的是打通算力供需通路，完成算力产业用能转型、生产高效、应用和需求场景相匹配。随着绿色算力理念在各层面的深化和实践，绿色算力技术的不断创新和进步，绿色算力正日益广泛地应用于各产业的数字化发展与实践，我国绿色算力体系正不断发展与完善，并逐步形成规模效益。（二）绿色算力属性特征（二）绿色算力属性特征 来源：中国信息通信研究院 图 2 绿色算力属性特征 5 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 全局性。算力与绿色低碳的深度融合发展，既需要财政、税收、全局性。算力与绿色低碳的深度融合发展，既需要财政、税收、金融、人事等各体系协同联动、支持配合，又需要产业内各领域间金融、人事等各体系协同联动、支持配合，又需要产业内各领域间优势互补、汇聚合力。优势互补、汇聚合力。算力覆盖产业广泛多元，进一步深化发展绿色低碳技术，需要巨大的资金支持，要靠国家财税政策引导和绿色金融相关产品推动，多管齐下促使投资向绿色算力产业倾斜。我国绿色产业发展动力强劲，方兴未艾，绿色算力作为其中的重要一环，对创新型、技能型和应用型人才需求迫切，需要科研机构、高校、行业协会等各方协助，共同建设绿色算力人才队伍。引导数据中心骨干企业将项目建设在风、光资源密集地区，实现新能源发电、储能、数据中心融合发展。发挥软硬件企业各自优势，引导芯片能力与服务器性能相匹配，芯片产业发展与模型算法规模相适应，减少磨合和不兼容等问题，实现算力高效输出。在绿色算力经算网调度传输，赋能工业、交通、金融、互联网等提质增效的过程中，绿色算力已深度融入了产业循环各领域的全周期和全体系。先导性。绿色算力产业关联系数大，技术联代功能强，可有效先导性。绿色算力产业关联系数大，技术联代功能强，可有效带动数字经济发展，孵化高增长企业。带动数字经济发展，孵化高增长企业。绿色算力产业影响力强，是有力支撑各行业早日实现碳达峰与碳中和目标，实现绿色发展的重要引擎。具体来看，绿色算力与能源电力、半导体、集成电路、消费软件等产业关联密切，可有效带动其他产业向着绿色低碳化发展。从本质上讲，绿色算力具备算力产业和绿色产业二者的双重特征。在赋能下游应用上，绿色算力一方面可支撑如人工智能、大数据、5G、元宇宙等新兴技术发展，以更少的能耗代价进行更大规模的训 6 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 练运算；另一方面可以赋能高耗能产业进行技术改造和降本增效，如带动钢铁、建筑、石化化工等重点领域构建工业互联网，实现工业制造再升级、带动智慧城市建设，提升城市“脑力”，让城市更“智慧”，生活更便利。类比绿色电力和电力，绿色算力与算力的关键区别在于将节能、低碳、循环、高效等理念全面贯彻到算力生产、应用、赋能、消费等各个环节，为算力发展注入“绿色基因”，实现效率最大、环境友好与社会协调发展。长期性。算力实现全面绿色发展是一项长期的综合性任务，需长期性。算力实现全面绿色发展是一项长期的综合性任务，需要稳扎稳打、循序渐进。要稳扎稳打、循序渐进。绿色算力涉及范围庞杂，因此需要从不同层面、不同视角统筹考虑，促进其健康有序发展，推动我国经济社会高质量可持续发展。宏观上，为保障绿色算力发展行稳致远，制定政策规划时，要处理好绿色算力和产业需求目标之间的关系，达到二者有效平衡；推行绿色算力政策时，要注意节奏，预留适当的缓冲期，用动态发展的眼光不断丰富和完善工作思路，做到有序且量力而行。另一方面，要充分意识到，绿色算力的创新发展是一项长周期活动，涵盖产品、工艺、原料、组织管理和市场等方方面面的创新，算力从浅绿、经历中绿、深绿和完全的绿色需要时间的沉淀从而厚积薄发。未来，通过算力绿色低碳技术的进步，绿色算力经济将成为助推和引领中国经济发展的新增长点。7 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K（三）绿色算力发展演进（三）绿色算力发展演进 来源：中国信息通信研究院 图 3 绿色算力发展演进阶段 初级阶段：数据中心开始商业化运营，快速扩张忽略环境影响初级阶段：数据中心开始商业化运营，快速扩张忽略环境影响 随着互联网的出现，分散的数据资源被有效整合并通过互联网进行分发传输，数据中心进入商业化发展阶段，为了承接处理激增的互联网和金融交易等数据，大中小型数据中心均加速建设，数据中心规模和数量均显著增加。然而，在这种传统增长模式下，过分强调产能规模扩张，而忽视了与之对应的能源消耗，环境污染问题日益突出。这一阶段，数据中心时代到来，绿色化概念还未引起广泛重视，产业发展不得不以消耗大量能源为代价。8 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 起步阶段：数据中心起步阶段：数据中心 PUEPUE 指标被提出，绿色节能成为产业焦点指标被提出，绿色节能成为产业焦点 2007 年，电能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）由美国绿色网格组织 TGG 提出，用以评价数据中心能源利用效率，为数据中心消耗的所有能源与 IT 负载消耗的能源的比值。PUE 值越低，说明数据中心用于 IT 设备以外的能耗越低、约节能，PUE 的提出为衡量数据中心绿色节能情况提供了可量化的评价标准。各个国家和地区纷纷发布政策推动数据中心 PUE 值降低，PUE 成为全球通用的评价数据中心能源效率的指标。这一阶段，数据中心绿色评价体系已经初步形成，产业围绕 PUE 进行数据中心建设和改造。发展阶段：数据中心综合能耗评价体系初具规模，算力效率逐发展阶段：数据中心综合能耗评价体系初具规模，算力效率逐渐引起关注渐引起关注 伴随产业发展，PUE本身的局限性逐渐显露，如无法体现基础设施和 IT 设备内部各模块节能情况、不同规模数据中心的 PUE 标准难统一、缺乏对 IT 效能等要素的评价。仅凭 PUE 指标已经无法全面真实地评价数据中心绿色节能情况。水资源利用效率（Water Usage Effectiveness，WUE）、碳 利 用 效 率（Carbon Usage Effectiveness，CUE）、基础设施利用效率（Infrastructure Usage Effectiveness，IUE）陆续被提出，构成了衡量数据中心能耗综合管理能力及绿色程度的评价体系。2022 年，算力碳效（Carbon Emission Per Server,CEPS）由开放数据中心委员会提出，用以评价服务器计算效率，为服务器使用周期内产生的碳排放与所 9 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 提供的算力性能的比值，可理解为服务器单位算力性能的碳排放量，该指标的提出反映了产业从单纯关注能耗指标延伸到关注 IT 及服务器计算效率。这一阶段，算力产业正向着更节能、更高效的方向探索，充分发挥硬件资源潜力，不断实现新的突破。当前，我国绿色当前，我国绿色算力发展处于该阶段，多元化评价指标被陆续提出，相关企业将绿算力发展处于该阶段，多元化评价指标被陆续提出，相关企业将绿色意识并与业务发展深度结合作为提升竞争力的关键核心，贯穿生色意识并与业务发展深度结合作为提升竞争力的关键核心，贯穿生产经营始终。产经营始终。成熟阶段：算力生产绿色低碳，绿色算力赋能千行百业成熟阶段：算力生产绿色低碳，绿色算力赋能千行百业 面向未来，算力产业对清洁用能提出了更高要求，如百分百应用可再生能源、应用储能技术、采用余热回收节能技术等，用更少的能源消耗、更低的碳排放生产更多的算力。伴随分布式计算技术的应用与普及，服务器集群的计算效率、软硬结合的计算体系架构和系统平台的高效运行被充分关注，通过面向应用环节的计算绿色化技术进一步提升算力利用效率，将服务器算力尽可能转化成可供平台端调度应用的软件算力以节能减碳，正成为数字科技企业探索和实践的绿色技术创新前沿。随着算力赋能持续深化，算力服务全面融入百姓生活的方方面面，算力绿色标识被建立，绿色算力消费蔚然成风。算力将在生产、应用、消费的各个环节实现绿色节能。这一阶段，算力产业实现高质量发展，算力产业链各层的绿色技术趋于成熟，绿色产品布局趋于完善，绿色标准体系趋于完备，绿色融入算力的方方面面。10 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 二、二、算力设施的绿色技术发展态势算力设施的绿色技术发展态势 算力设施算力设施为数据中心提供最基础的动力来源、能源配送和可靠性保障，是保证数据中心 IT 设备运行的必要基础设施，当前，面向算力设施的绿色技术发展，主要围绕供配电系统、制冷散热系统、储能系统三个部分展开。（一）绿电消费比例稳步提升，电能传输效率有效提高（一）绿电消费比例稳步提升，电能传输效率有效提高 电力是支撑算力发展的根本，数据中心作为传统的耗能大户，电算转化的载体，其绿色低碳发展面临严峻挑战。稳步提升太阳能、稳步提升太阳能、风能、水能等可再生能源电力在数据中心的应用，已是大势所趋。风能、水能等可再生能源电力在数据中心的应用，已是大势所趋。现阶段我国大部分算力需求集中在数字经济发展较发达的东部沿海地区，东部地区缺乏能源，电力以火电为主，使用石油、煤炭、天然气等不可再生能源发电，造成的大气和环境污染问题已引起产业各界的广泛关注，提升新能源使用比例、降低碳排放成为产业发展的必选项。除了建立集中式绿电发电站供电外，鼓励分布式发电引除了建立集中式绿电发电站供电外，鼓励分布式发电引导就地消纳也是有效提高新能源供电量的手段。导就地消纳也是有效提高新能源供电量的手段。近几年，数据中心在建筑屋顶及外立面铺设分布式光伏，在数据中心产业园区建立分散式风电，通过大量的建设，大幅提升新能源的供电量，促进能源的可持续发展、改善环境，树立绿色企业形象、提升自身的竞争力。当前，包括京津冀、成渝、宁夏、内蒙古等在内的四个国家算力枢纽节点均对可再生能源使用率提出了明确目标。11 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 为确保“业务零中断”，数据中心 IT 负荷往往需要“36524”小时不间断运行。通过缩短电力传输路径、减少转换层级、提升电通过缩短电力传输路径、减少转换层级、提升电力转换效率，实现传输线路的高效供电，是数据中心供配电系统的力转换效率，实现传输线路的高效供电，是数据中心供配电系统的技术热点。技术热点。当前，新建的互联网数据中心广泛采用了“HVDC+市电直供”相结合的模式，供电效率可提升到94%-95%。规划以数据中心为主要负荷的微电网、“源网荷储”新方案，实现在负荷侧就近建立电源供电，有效缩短“源”“荷”距离，减少传输损耗。位于国家枢纽节点集群起步区的吴江算力调度中心项目采用高效供电系统，变压器优先选择一级能效干式变压器；优化供电半径，合理选择变压器的容量、提高负荷率，使设备处于经济运行状态，降低电能损耗；采用 240V 直流系统、10kV 交流输入的 240V 直流系统等损耗率低的架构和设备。结合数据中心智慧管理系统设置能耗计量系统；选用节能型光源和灯具，结合智慧园区进行智能控制；在可利用屋面（例如指挥调度中心）设置光伏发电，用于建筑用电。通过以上措施，节电量达到 158 万 kWh/年；可再生能源发电量约为 10.12 万kWh/年。（二）储能部署方式多元可靠，储能设备环境友好效率高（二）储能部署方式多元可靠，储能设备环境友好效率高 对于数据中心而言，储能不可或缺。储能技术是推动算力在设施侧实现绿色转型的重要因素，储能与供配电系统协调配合，输出稳定电力，共同保障数据中心电力系统平稳运行。在算力领域，储在算力领域，储能可分为数据中心级储能和数据中心内储能，为高效存储和利用能能可分为数据中心级储能和数据中心内储能，为高效存储和利用能 12 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 源、减少温室气体排放提供保障。源、减少温室气体排放提供保障。数据中心级储能指的是储能作为数据中心的备用电源，同时参与市场电力市场调峰、辅助调频等辅助服务，在提高数据中心供电可靠性的同时，也从电力市场服务中获取收益补偿，是应对极端事件、保障能源安全、支撑数据中心电力系统稳定运行的重要技术。数据中心内储能主要采用分布式结构，包括机柜级分布式供电系统（DPS）和服务器级备用锂电池组（BBU）等。DPS分布式电源采用高效率供电模块以及全锂电池备电系统，供电系统效率高达 96%，整体寿命高达 10 年，配合能源管理系统可以实现机柜级的能源管理并进行智能调度。分布式供电模式把属于传统大型 UPS 的耗电划到了机柜内，极大地降低了 PUE 值。储能有多种形式，包括电池储能、氢储能、压缩空气储能等。绿色低碳产业趋势下的储能设备将具备安全可靠、生命周期内性价绿色低碳产业趋势下的储能设备将具备安全可靠、生命周期内性价比高、环境友好、循环寿命长等优点。氢能燃料电池比高、环境友好、循环寿命长等优点。氢能燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其主要优势是对环境无污染、运行安静无噪声、发电效率高，当前业界已展开多项实验与测试，证实了其作为数据中心电源的可行性。磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，该电池不含任何重金属与稀有金属，无毒，无污染，为绿色型环保电池。数据中心在应用磷酸铁电池时，可重点利用其能量密度较高和常温倍率性能良好的特点。未来，为实现绿色算力，随着供配电系统、储能系统等多种模式融合，可以实现绿电生产、平抑峰谷、降低排放等多重目标，形成完整的能源发电体系，实现可持续发展。13 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K（三）自然冷却技术快速发展，液冷技术进入全面普及阶段（三）自然冷却技术快速发展，液冷技术进入全面普及阶段 对于数据中心而言，制冷系统是影响节能表现的重要因素。在选择整体设计方案时应充分综合考虑数据中心所在地区的气候特点、水资源供应情况、数据中心规模以及 IT 功率密度。随着大型数据中随着大型数据中心规模持续增加，尽可能使用自然冷却技术，减少和避免使用机械心规模持续增加，尽可能使用自然冷却技术，减少和避免使用机械制冷成为数据中心减少能耗的关键。制冷成为数据中心减少能耗的关键。自然冷却技术可分为直接新风自然冷却、间接空气自然冷却、自然冷源水自然冷却、蒸发式冷却水自然冷却等。相比而言，直接新风自然冷却技术是路径最短的自然冷却方式，也是散热效率最高的空气冷却方式。空气质量较差、温湿度不合适的数据中心主要采用水系统自然冷却技术。针对风冷冷却，宁畅研发蝶翼散热系统，CPU 散热器采用 8 热管直触 X 形高流量散热器，散热面积增加 42%，最大支持 400W 风冷散热，并支持液冷 CPU 风冷散热。联想开发八爪鱼式散热器，采用 8*D8 热管，前 4后 4 的交叉排布的设计，大大提高了热管的传热效率，可以支持500W-550W 的处理器风冷散热。随着生成式人工智能、大模型计算的需求带动 GPU、FPGA 等发热量大的元件应用发展，高功率机柜逐渐增多。实现高功率机柜的有效散热成为数据中心关注的重点问题。根据机柜的热密度等级，依次可选择的冷却方式有房间空调、列间空调、机架内部冷却、液冷冷却等。相比而言，液冷技术具有制冷能效高、节约机房空间的相比而言，液冷技术具有制冷能效高、节约机房空间的优势，可分为直接冷却和间接冷却两种。目前，间接冷却以冷板式优势，可分为直接冷却和间接冷却两种。目前，间接冷却以冷板式 14 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 液冷技术为主，直接冷却以浸没式液冷技术为主。液冷技术为主，直接冷却以浸没式液冷技术为主。液冷技术是使用液体作为热量传输的媒介，可直接导向热源带走热量，其突破了气候条件和地域的限制，可以在全国任何地区进行应用，即使是华南、华东等温度高的地区也可以应用液冷技术进行冷却，最终促使数据中心的制冷电力消耗大幅度降低。具体而言，冷板式液冷冷板式液冷是通过与装有液体的冷板直接接触来散热，或者由导热部件将热量传导到冷板上，然后通过冷板内部液体循环带走热量。随着冷板技术的逐渐成熟，提高冷板效率、降低冷板成本的需求也越来越强烈。传统的铜冷板也受到了一些限制，例如：整体冷板的重量限制，铲齿 Fin 厚度的制造限制，流阻的限制等等。联想开发了新型铝材料冷板作为核心换热部件，利用 3DVC 技术，增强了铝冷板的均温性，流阻值比传统铜冷板减少了30%，实现水冷板热性能提升 10%，成本优化 20%以上，突破了冷板换热极限。联想全覆盖海神水冷技术能够实现单机柜高密度水冷节点支持 72 个，单机柜功率 100kW 以上，实现高效的算力冷却。宁畅采用铜铝结合冷板，实现铜高效导热、铝减轻重量、无电化学反应风险。聚焦漏液安全，在冷板接头采用宝塔倒刺+螺纹，两级防漏液机制，漏液风险降低 80%。采用四级漏液检测机制，0.05ml 漏液量即可精准监控，1 秒内即可完成漏液报警。新华三采用全焊接+高耐压 EPDM 管设计，冷板耐压能力提升50%以上，冷板可靠性大幅提升。此外，新华三设计的 GPU 液冷冷板模组，冷头水嘴采用极简等流三通设计，不增加管路复杂度的基础上，实现流量均分的并联设计，散热能力提升20%，15 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 流阻降低30%。中国移动设计院研发解耦型冷板式液冷机柜产品，推动液冷基础设施侧与 IT 设备侧解耦，推进机柜与服务器接口标准化，液冷机柜可用于通算、智算、超算、异构算力等多业务场景，采用着解耦盲插、风液融合的设计理念，可与多种类型服务器适配，赋能算力基础设施绿色低碳化转型。浸没式液冷浸没式液冷是将发热的电子元件浸没在冷媒（冷却液）中，依靠液体流动循环带走热量。宁畅B7000液冷 TANK 在浸没液冷技术之上，独创开孔及液体流道设计，进一步提高散热效率，PUE 可低至 1.05。新华三 H3C Uniserver Cube 机架箱式浸没液冷系统，将单服务器作为一个密封浸没液冷系统，并采用融合架构，实现了冷板式和浸没式两种路线的优势融合，解决了机房空间利用率低，液冷散热占比小，以及冷却液用量大成本高等问题。相比而言，浸没式液冷的平均 PUE 更低，散热效率更高，是未来数据中心算力设施建设的发展方向。据 IDC 数据显示，2023 上半年中国液冷服务器市场规模达到 6.6 亿美元，同比增长 283.3%。宁畅、联想、新华三、浪潮等主流 IT 设备厂商纷纷发力液冷产品研发，覆盖风液冷混合、冷板液冷、浸没式液冷等主流液冷技术，布局全栈数据中心液冷产品，提供从服务器、机柜、机房到数据中心的全系统液冷解决方案，实现全应用场景下差异化节能降耗。此外，服务器在运行的过程中，产生大量的余热，这些余热有着易提取、热源充足等特点，利用热泵技术将余热回收利用，有着广泛的应用前景，尤其是在我国北方地区，可有效帮助用户降低用热成本。随着更大规模、更多数量的数据中心建设，将有更多的设 16 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 备，产生更多的余热，这些余热如果能被加以利用，可以加速“碳中和”进程。联想在关注散热效率和能源效率提升的同时，聚焦能源再利用效率。通过综合能源效率 PUE 和能源再利用效率 ERE 平衡设计，采用热回收技术，对废热回收利用。联想研发的温水水冷技术可实现温水液冷和数据中心热能回收，既可以提升 5%的算力，还可以降低 42%的能耗，并创造高达 90%热能的回收再利用。新华三把液冷服务器中高温回水和热回收技术相结合，实现数据中心热能高效回收和利用，可实现园区的生活供热。17 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 三、三、算力设备的绿色技术发展态势算力设备的绿色技术发展态势 算力设备算力设备是算力产生的源头，综合了计算、存储和网络等 IT 设备，以服务器、芯片为核心部件，实现对数据的处理与输出。现阶段，针对算力设备的绿色技术发展，主要围绕服务器计算高效、先进存储、网络传输无损等方面进行研究。（一）服务器硬件节能方向广泛，动态能耗管理智能化发展（一）服务器硬件节能方向广泛，动态能耗管理智能化发展 服务器承载处理数据和实现结果输出的功能，是算力供给的核心装备，也是数据中心中最主要的业务耗能设备，约占数据中心 IT设备能耗的90%。伴随社会对信息计算力需求呈指数级增长，服务器生命周期的高效节能对算力绿色发展至关重要。在过去很长一段时间，为了满足不断增长的用户数据处理需求，企业主要是通过扩大机架和服务器规模来提供更多算力，但是这也会导致运营成本的增加和场地空间的浪费。发达地区日益紧张的土地资源使得以扩大服务器规模来提升算力水平的数据中心建设模式难以开展。依据指令集架构、处理器个数、产品形态等维度，服务依据指令集架构、处理器个数、产品形态等维度，服务器被分为了多种类型，产业循着上述方向对服务器的高效节能做出器被分为了多种类型，产业循着上述方向对服务器的高效节能做出优化。从指令集架构上看优化。从指令集架构上看，基于精简指令集（RISC）架构的处理器以其低功耗、高效能、成本低、高可靠的优势正在成为让信息计算更绿色的主力。从逻辑上来看，CPU的指令集可以分为两种主要类型，即复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。复杂指令集的代表是X86，由英特尔和AMD 主导；精简指令集包括ARM架构、RISC-V 架 18 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 构、MIPS 架构等，以 ARM 架构为主流代表。随着产业智能算力需求的不断增长，以及生成式 AI 对于异构算力的庞大需求，ARM 架构服务器在云游戏、数字人等新兴应用市场展现出独特优势。据投资银行 Bernstein 数据显示，我国数据中心正在加快部署 ARM 服务器，截至 2023 年一季度，我国已拥有占全球约 40%的 ARM 服务器。从产从产品形态上看品形态上看，建设高密度服务器成为提升计算效率的重要举措。高密度服务器内，电源和风扇以共享方式进行设计，位于同一机箱内的多台服务器节点可以共享电源和风扇，一方面降低了机体的重量和空间占用，提升单位面积算力，另一方面能够提升电源和散热系统的使用效率，降低运营成本，能够进一步增加数据中心功率密度和数据中心“每平方米”的计算能力。刀片服务器是高密度服务器的一种，主要应用在商业智能分析及数据挖掘等大规模计算场景，具有耗电量低、可靠性高等优点。整机柜服务器是提升计算密度的另一种形式，依据模块化设计思路优化服务器内部架构，采用工厂预制的设计大幅缩短工期。宁畅 B8000 整机柜服务器，采用全液冷整机柜设计，设备散热效率提升 50%，功率高达 100KW/柜，PUE 最低可至 1.09。并在服务器内存池化未来形态上进行深度探索，采用水、电、网三路盲插设计，比传统部署周期提升 30 倍，可实现高密算力、轻松部署、绿色节能、快速交付、智能运维。除了上述从计算需求角度提高服务器能效外，还可以通过管理工具加强对电源、风扇等其他硬件的控制力度来进行能源节约。服服务器整机节能技术有功耗封顶节能技术、动态调频调压、启动低功务器整机节能技术有功耗封顶节能技术、动态调频调压、启动低功 19 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 耗、智能能耗管理等技术。功耗封顶技术耗、智能能耗管理等技术。功耗封顶技术通过服务器内置的功耗测量模块来实时获取服务器的运行功耗，然后通过限制处理器或者其他部件的性能来将服务器的总功耗控制在设定的上限功耗以下，防止功耗超标的同时提高服务器利用率。动态调频调压技术动态调频调压技术是在服务器低负载时降低CPU频率和电压，降低CPU的漏电损耗和开关损耗，大幅度降低处理器功耗。某些服务器会将预先调优好的功率模型内置于 BIOS 中，在不影响性能的情况下为工作负载实现插槽节能。启启动低功耗技术动低功耗技术包括硬盘错峰上电、刀片错峰上电、CPU关核技术，确保服务器上电过程的功耗低于系统下的运行功耗，消除上电瞬间电流过大带来的供电风险，同时为用户节省电费开支。智能能耗管理智能能耗管理包括在服务器内置遥测工具，这些工具提供关键的数据和 AI 功能，帮助企业智能地监测和管理 CPU 资源、建立模型来帮助预测数据中心或网络的峰值负载，调整 CPU 频率以便在需求下降时降低用电量，还能够在有可再生能源供应时选择性地增加工作负载，从而有机会降低数据中心的碳排放量。联想从芯片、整机、系统等不同层次进行技术创新，在芯片级别做到了服务器的功率监控；适用业界最高运行效率的电源，并通过智能休眠技术，自适应动态调整工作电源状态；在服务器内部使用高效散热设计，均匀化散热器热流及流阻，采用航空涡轮设计技术，通过双马达冗余热插拔风扇，使风扇在较低转速下即可处于最高效率工作点，在增加散热的同时，节省能源。在系统层次上通过负载均衡技术、监控数据分析预测技术等实现自适应节能。新华三 20 绿色算力技术白皮书 ODCC-2023-0500K 液冷动态智能控温管理平台，支持服务器级别的智能调温。当机柜内服务器业务负载变化时，智能控温管理平台可监测服务器温度，通过调整泵速和电动调节阀开度，动态调整二次侧回路的温度和流速，实现随着业务的不同维持温度动态平衡。当服务器正常运行时，动态降低泵转速，降低能耗，在部分服务器温度升高时，动态提高泵转速，保证业务进行。动态能耗管理智能化，可有效降低能耗15%左右，做到了 IT 监控和基础设施调控的融合创新。（二）先进存储大幅削减能源消耗，数据软件技术有效提升存（二）先进存储大幅削减能源消耗，数据软件技术有效提升存储效率储效率 据 IDC 数据显示，全球数据年产生量将在 2025 年达到 175ZB。为保存不断增长的海量数据，对存储容量的需求亦成几何式增长，存储耗电量激增，高性能、低能耗存储需求攀升。数据分级、冷热数据分治、优化存储设计成为降低单位容量数数据分级、冷热数据分治、优化存储设计成为降低单位容量数据成本和功耗、提升数据存储效率和密度的有效方式。据成本和功耗、提升数据存储效率和密度的有效方式。