数据中心算力碳效白皮书（2022年）

数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 分布式存储技术与产业分析报告 1 [编号ODCC-2022-0500A] 数据中心算力碳效白皮书 开放数据中心标准推进委员会 2022-10发布 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 I 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 编制说明 本报告由中国信息通信研究院云计算与大数据研究所牵头撰写，并在撰写过程中得到了多位专家的大力支持。 编写单位： 中国信息通信研究院项目经理： 张一星zhangyixing@caict.ac.cn II 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 前言 2020年3月，中共中央政治局常务委员会召开的会议上明确提出要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。在数据中心加快建设部署的大背景下，总耗能也呈增长趋势。开放数据中心委员会ODCC测算数据显示，2020年中国数据中心能耗总量为939亿千瓦时，碳排放量为6464万吨。预计到2030 年，中国数据中心能耗总量将达到3800亿千瓦时左右，碳排放增长率将超过300%。 数据中心中，服务器是最主要的业务耗能设备。在应对气候变化和践行“碳达峰”“碳中和”目标的大背景下，构建数据中心服务器碳效模型、降低其能耗及碳排放对于数据中心实现绿色发展和落实双碳目标具有重大意义。本 《白皮书》梳理了全球主要国家的碳中和目标及数据中心降碳政策，分析了数据中心和服务器产业龙头企业的降碳路径，总结了服务器及芯片产业的节能降碳热点技术。同时，本《白皮书》首次定义了服务器算力碳效的概念，并构建了碳效模型，根据测试结果得出：随着服务器性能的提升，碳排放总量呈上升的趋势，但性能提升的速度超过碳排放增加的速度，单位算力的相对碳排放在降低；不同产品技术不同，碳效存在一定差异，性能与碳排放呈现出的特点不同，在服务器使用周期为5年的情况下，单位性能得分的碳排放量在20-60KG之间。相关数据和结论将为数据中心根据业务需求选择性能与碳效最佳的服务器、降低数据中心整体碳排放量提供参考。 III 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 内容概览 1.世界主要国家都宣布了碳中和目标，提出了严格的减排措施要求，国际碳中和行动的规模和影响日益扩大。互联网和数据中心龙头企业大都提出了2030年实现碳中和的目标，碳减排行动部署领先于其他行业。 2.数据中心企业的碳减排工作聚焦于核心能耗设备（IT、制冷和供配电等），当前制冷和供配电方面已采取多项节能措施，PUE持续降低，但能耗占比最高的IT设备节能降碳关注度较低，缩小制程和高阶封装技术是服务器及芯片企业的研究重点。 3.为统筹兼顾服务器的碳排放量和算力性能，《白皮书》构建了X86架构CPU服务器的算力碳效模型，并提出了算力碳效概念：服务器使用周期内产生的碳排放与所提供的算力性能的比值。根据实测，在5年使用周期中，单位算力性能（单位SPEC得分）的碳排放量一般在20-60KG之间，能效水平较好的CPU排放可达到30KG以下。 4.多样化的业务场景激发了服务器性能提升，同时也带来了碳排放总量增加。但服务器单位性能提升的速度超过单位碳排放量增加的速度，单位算力的相对碳排放在降低。 5.算力碳效或将成为服务器设备设计、选型的重要指标。为提升算力碳效，除在服务器部件设计、制造、运行等各环节开展技术研究外，还需丰富不同架构（X86、ARM等）不同需求（高性能计算、边缘计算、智能计算）的业务场景下，算力碳效的模型构建和测试分析方法，在理论上为数据中心碳中和奠基。 IV 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 目录 版权声明I 编制说明II 前言III 内容概览IV 一、低碳政策背景1 （一）国际主要国家碳中和目标1 （二）国际主要国家数据中心降碳政策2 （三）中国碳中和目标3 （四）中国数据中心降碳政策4 二、数据中心和服务器低碳发展分析6 （一）国际数据中心龙头企业6 （二）国内数据中心龙头企业6 （三）服务器及芯片企业9 三、数据中心算力绿色低碳技术分析12 （一）服务器绿色低碳技术趋势12 （二）CPU绿色低碳技术14 四、服务器算力碳效模型研究20 （一）服务器耗能概述20 （二）服务器算力、能耗的相关研究21 （三）服务器算力碳效模型研究23 （四）服务器算力碳效模型实验与测试结果分析25 五、发展展望29 V 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A （一）IT设备能耗是未来节能降碳的核心要素29 （二）服务器设备选型时应考虑算力碳效29 （三）加强与业务场景匹配的碳效模型研究29 VI 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 一、低碳政策背景 （一）国际主要国家碳中和目标 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）测算，若要实现《巴黎协定》2℃控温目标，全球必须在2050年达到二氧化碳净零排放（又称“碳中和”）， 即每年二氧化碳排放量等于其通过植树等方式减排的抵消量；在2067年达到温室气体净零排放（又称“温室气体中和或气候中性”），即除二氧化碳外，甲烷等温室气体的排放量与抵消量平衡。目前，全球已有超过120个国家和地区 提出了碳中和目标。其中，大部分计划在2050年实现，如欧盟、英国、加拿大、日本、新西兰、南非等。 欧盟在低碳转型方面较为积极，发展低碳能源的力度在全球也是处于领先水平，设定了到2020年所有新建筑都需接近零能源消耗的目标，并且需要 2050年完成在《绿色协议》制定的整个欧盟的净零排放目标。2021年7月14 日，欧盟提出了一套系统完整的应对气候变化的提案，提出到2030年可再生能源占欧盟最终能源消耗40%、2030年新增燃油车销售较2021年减少55%，到2035年将不再有新的燃油车销售以及2026年开始设立碳边境税等具体目标。 美国能源新政总的目标是，到2035年，通过向可再生能源过渡实现无碳发电； 美国政府承诺到2030年，温室气体排放水平比2005年减少50%-52%，最终到 2050年，使美国实现碳中和。为了实现建成“脱碳化”社会的目标，日本在 2021年将其2020年12月发布的《绿色增长战略》更新为《2050碳中和绿色增 长战略》，提出在2030年之前将日本排放量在2013年基础上削减46%。韩国 也在2020年10月宣布到2050年实现碳中和，并在绿色新政中制定了碳中和路 线图。新加坡2021年2月制定了一份可持续发展蓝图，强调了提高资源效率的必要性，包括能源效率、回收率和水的使用，希望通过减少污染、增加绿色空间和用于休闲目的的水道通道，促进可持续的流动性，提高宜居性。 1 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A （二）国际主要国家数据中心降碳政策 欧盟率先提出ICT行业的降碳目标，计划在2030年达到气候中性。并通过2020年欧盟数据中心能源效率行为准则的最佳实践指南和欧洲数据中心能源效率现状白皮书进一步细化和规范了数据中心PUE、SUE、DCiE等绿色指标。美国政府通过2016年提出的DCOI数据中心优化倡议、2014年制定的FITARA联邦政府信息技术采购改革法案和2010年发起的FDCCI美国联邦数据中心整合计划等一系列举措，以整合和关闭数据中心、资源虚拟化、可用性、设定数据中心PUE及服务器使用率具体标准、退役老旧机器的方式，实现了数据中心数量减少7000个，大约占比50%；数据中心PUE从平均2.0以上下降到近一半大型数据中心达到1.5甚至1.4以下，部分服务器使用率从5%提升到65%以上。新加坡在2014年发布了《绿色数据中心技术路线图》，基于国情，提供了新型节能数据中心未来的改进方向和指导意见，指出需在不影响系统性能和安全要求的情况下尽可能降低数据中心能源消耗，并建议研究提高冷却设备效率、IT设备温湿度耐受能力、数据中心的资源调度和负荷分配集成优化能力。2021年1月，日本相关主管部门（经济产业省）发布了《绿色增长战略》，提出“数据中心市场规模从2019年的1.5万亿日元提升到2030年的3.3万亿日元，届时实现将数据中心的能耗比2019年降低30%”的目标。并将重点任务放在扩大可再生能源电力在数据中心的应用，打造绿色数据中心上。 表1全球低碳数据中心相关政策规划 国家/地 区 政策 内容 美国 DCOI数据中心优化倡议FDCCI美国联邦数据中心FITARA联邦政府信息技术采购改革法案等 整合和关闭数据中心、资源虚拟化、可用性、设定数据中心PUE及服务器使用率具体标准、退役老旧机器的方式，实现了数据中心数量减少7000个，大约占比50%；数据中心PUE从平均2.0以上下降到近一半，大型数据中心达到1.5基至1.4以下，部分服务器使用率从5%提升到65%以上。 2 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 欧盟 《2020年欧盟数据中心能源效率行为准则的最佳实践指南》《欧洲数据中心能源效率现状白皮书》《塑造欧洲的数字未来》 进一步细化和规范了数据中心PUE、SUE、DCiE等绿色指标。ICT基础设施和数据中心应确保在2030年之前达到气候中性，在2050年成为世界第一个实现气候中性的大陆。 新加坡 《绿色数据中心技术线路图》 需在不影响系统性能和安全要求的情况下尽可能降低数据中心能源消耗，并提出提高冷却设备效率、IT设备温湿度耐受能力、数据中心的资源调度和负荷分配集成优化能力等建议。 日本 《绿色增长战略》 发展目标：将数据中心市场规模从2019年的1.5万亿日元提升到2030年的3.3万亿日元，届时实现将数据中心的能耗降低30%；重点任务：扩大可再生能源电力在数据中心的应用，打造绿色数据中心等。 （三）中国碳中和目标 温室气体排放导致全球气候变化，带来海平面上升、地球极端天气灾害频发、生物多样性等问题，这使得控制温室气体排放成为了全球共识，中国作为发展中大国，积极应对气候变化。2020年9月22日，国家主席习近平在第七 十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，宣布中国将“努力争取2060年前实现碳中和”的目标。中国努力争取实现碳中和目标的提出，对推进世界各国齐心协力控制全球变暖以及应对气候变化具有重要意义。 为规范企业温室气体的排放，限制碳排放量，国家出台了一系列核算和测评标准。2017年12月，国家发展和改革委员会发布《关于做好2016、2017年度碳排放报告与核查及排放检测计划制定工作的通知》制定企业碳排放补充数据核算报告模板、企业排放监测计划模板。2021年3月，生态环境部编制了 《企业温室气体排放报告核查指南（试行）》，对企业温室气体排放的核查工 3 数据中心算力碳效白皮书ODCC-2022-0500A 作进行规范，明确了核查程序、核查要点、核查工作流程、技术服务机构要求等。 考虑到不同行业的环保性质区别，国家也积极开展重点行业碳排放权交易试点工作，持续推进碳排放权交易市场建设。2011年10月，国家发展和改革委员会发布《国家发展改革委办公厅关于开展碳排放权交易试点工作的通知》，推动在7个省市开展碳排放权交易试点工作。2015年1月，国家发展和改革委员会发布《碳排放权交易管理暂行办法》，明确了我国统一碳排放权交易市场的基本框架。2020年12月，生态环境部发布《碳排放权交易管理办法（试行）》，对碳排放配额分配和清缴，碳排放权登记、交易、结算，温室气体排放报告与核查等活动做出规定。2021年7月，上海环境能源交易所发布公告，根据国家总体安排，全国碳排放权交易于7月16日开市，