中国绿色算力发展研究报告（2023年）

中国绿色算力发展研究报告 （2023年） 中国信息通信研究院产业与规划所内蒙古和林格尔新区管理委员会2023年7月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院、内蒙古和林格尔 新区管委会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院、内蒙古和林格尔新区管委会”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 前言 建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎，作为一种新型生产力，算力已成为推动数字经济发展的核心力量，正强有力地支撑数字中国建设。享受算力带来高价值驱动力的同时，也不能忽视算力背后的高能耗问题，这不仅是能耗、环境和气候的挑战，更是算力产业高质量发展的挑战。 在碳达峰碳中和目标引领下，大力推动算力绿色化发展，实现绿色算力升级，是我国建设数字基础设施和展现节能减碳大国担当的重要命题。近年来，绿色算力在政策顶层规划、技术产品创新和赋能传统产业低碳转型方面取得积极成效。 本报告提出了绿色算力内涵定义，围绕算力生产、算力运营、算力管理、算力应用等层次，建立了绿色算力高效（Efficient）、低碳 （Lowcarbon）、智能（Intelligent）、集约（Intensive）发展的ELII框架。以此为基础，报告对当前全球及我国绿色算力发展现状进行系统性梳理。同时，报告分析了主导绿色算力发展成效的四大关键因素，展望我国绿色算力发展趋势，并提出下一步发展建议。 今年是我院首次发布绿色算力主题的报告，旨在厘清绿色算力概念内涵、发展框架及趋势，以定性分析为主，为业界展现当前典型发展举措与实践案例，仍有诸多不足，恳请各界批评指正。下一步，报告将聚焦绿色算力总规模、发展增速、区域水平排名等关键量化指标，并于明年推出，敬请关注。 目录 一、绿色算力即算力的绿色低碳追求1 （一）绿色算力的内涵及价值1 （二）绿色算力发展ELII框架2 1.算力生产绿色化：高效2 2.算力运营绿色化：低碳3 3.算力管理绿色化：智能5 4.算力应用绿色化：集约5 二、全球绿色算力发展进入活跃期6 （一）算力生产绿色化技术产品加速迭代6 （二）算力运营绿色化建设布局全面提速7 （三）算力管理绿色化得到政策持续加码9 （四）算力应用绿色化落地赋能效应倍增10 三、中国绿色算力发展态势良好11 （一）算力生产绿色化正吸引头部主体竞赛11 （二）算力运营绿色化得到全面推进与提升13 （三）算力管理绿色化强支撑算力集群建设16 （四）算力应用绿色化加速产业数字化转型19 四、绿色算力发展受四大关键因素主导20 （一）算力规模激增带来持续性的降碳挑战20 （二）算效持续提升但仍需重大技术突破21 （三）电能利用率受益于技术创新稳步优化22 （四）碳排放因子受益于政策推动持续降低23 （🖂）中国绿色算力发展整体展望24 五、多措并举推进绿色算力发展24 （一）顶层保障，健全绿色算力一体化发展机制24 （二）创新先行，加速绿色算力核心技术研发25 （三）行业发力，构筑绿色算力产业协同生态25 （四）引导布局，强化绿色算力与东数西算协同26 （🖂）应用赋能，推进绿色算力赋能千行百业26 一、绿色算力即算力的绿色低碳追求 （一）绿色算力的内涵及价值 建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎，作为一种新型生产力，算力已成为推动数字经济发展的核心力量，正强有力地支撑数字中国建设。当前，算力已广泛融合到社会生产生活的各个方面，为千行百业的数字化转型提供基础动力，是当今社会的核心资源，也是支撑经济社会加速数字化转型的重要底座。享受算力带来高价值驱动力的同时，也不能忽视算力背后的高能耗问题。据国家发展改革委高技术司公布数据显示，我国数据中心年用电量已占全社会用电的2%左右，且该占比仍在快速增长。 绿色算力，即算力的绿色低碳追求，是算力高质量发展的重要目标，可通过融合推进算力生产、算力运营、算力管理、算力应用等层次的绿色化来实现。算力生产层依托IT计算设备实现算力的生产供给，算力运营层主要依托数据中心用能实现算力的运营控制，算力管理层通过算网协同、算力网络实现算力的管理调度，算力应用层通过算力服务平台实现算力的应用赋能。协同融合推进这四个层次的绿色化，才能助力绿色算力高质量发展。 推进绿色算力发展，具有重要战略意义。第一，发展绿色算力，将致力于在算力供给侧各层次推进绿色低碳化，这也是算力持续高能耗形势下的必然选择。第二，发展绿色算力，将致力于进一步降低算力成本，通过构建公共算力服务平台，加强数据、算力和经济之间的协同联动，从而有效赋能千行百业绿色化转型升级，促进数字经济的 可持续发展。第三，发展绿色算力，是信息通信行业践行国家双碳战略、落实节能降耗的关键举措之一，可为民众营造更好的生活和生态环境。 （二）绿色算力发展ELII框架 结合绿色算力的内涵和特点，本报告围绕算力生产、算力运营、算力管理、算力应用四个层次，建立绿色算力高效（Efficient）、低碳 （Lowcarbon）、智能（Intelligent）、集约（Intensive）发展的ELII 框架。 图1绿色算力发展ELII框架 1.算力生产绿色化：高效 算力生产绿色化，主要指算力生产IT计算设备运行的高效化，通过提升底层软硬件架构计算的高效性从而降低能耗，是绿色算力在算力设备微观层面的核心体现。 算力生产的高效主要通过工艺技术进步、Chiplet（芯粒）封装以及架构创新提升单芯片性能（芯片层），运用存算一体、网络存储融合等技术促进计算存储网络协同（系统层），以及通过异构计算资源 池化实现计算平台统一调度（平台层）等方式来提高算效。在摩尔定律下的集成电路尺寸微缩提升了单位面积的晶体管密度，从而提高了单芯片算力，但随着器件尺寸逐渐逼近物理极限，后续很难继续通过提升芯片面积和晶体管集成度来增加算力。同时，传统冯·诺依曼存储墙与功耗墙瓶颈无法满足未来的应用需求，而直接利用存储器本身进行数据处理的存内计算，以及以GPU、NPU、TPU、DPU等异构芯片为代表的异构计算，有望突破冯·诺依曼架构，成为绿色算力落地的关键技术。算力规模、算效是算力生产高效性的核心指征。CP （ComputionalPower）即算力规模，指区域内计算设备产生的算力总 规模，一般单位为Flops。CE（ComputionalEfficiency）即算效，指 IT计算设备的算力效率，表示单位能耗可产生的算力规模，一般单位为Flops/W。 2.算力运营绿色化：低碳 算力运营绿色化，主要指算力运营层面用能的低碳化，包括用能源头方面提升可再生能源利用率与推进能源循环利用，以及能源使用方面通过运用新技术持续优化能源使用效率，是支撑算力规模化、绿色化发展的关键所在，也是绿色算力在能源消耗宏观层面的集中体现。 用能源头低碳化，包括绿电交易、绿证购买，采用分布式电站就近消纳及集中式绿电发电站供电，绿电直供或混合供电，以及推进资源及能源的循环利用。绿电交易是“证电合一”的交易，购买绿电时可以取得电能使用权和绿色电力证书；绿证交易是“证电分离”的交易，用户可以单独购买绿证，以获得绿色电力消费证明。部署分布式光伏 发电，实现就近消纳绿电，降低运行成本、提高用能的安全性和可靠性。集中式绿电发电站供电，主要通过电网公司的电网将大型新能源发电站的清洁能源输送到用电侧来实现电力脱碳，主要有集中式风电、集中式光伏发电等。推进资源及能源的循环利用，包括水资源回收利用、余热回收利用、电子设备回收利用等，将废弃的可循环利用资源进行二次或多次利用。CEF（CarbonEmissionFactor）即碳排放因子，是用能源头低碳化的核心指征，指单位能耗对应的碳排放量，一般单位为tCO2/MWh。 能源利用低碳化，主要是优化电能使用效率。随着数据中心信息设备高密度集成化，信息设备产生的热量在不断增加，而数据中心的空调制冷占数据中心总功耗的10%~50%，因此降低数据中心的空调耗电量可以有效的优化电能使用效率。当前，液冷技术是当下最有效的散热技术，其原理是通过利用液体的高热容和高热传导性能，将信息设备产生的热量传递到液体中，然后通过液体的流动将热量带走。尤其是浸没式液冷，将发热元器件完全浸没在电介质流体中，依靠冷却液吸收热量，替代冷空气给信息设备降温。相对于直接用电制冷散热，采用液冷技术不仅节约能源消耗，而且还有效地减少用电制冷过程中3~4倍的碳排放，从而达到算力运营的绿色化。PUE（PowerUsageEffectiveness）即电能使用效率，指数据中心总能耗与IT负载能耗的比值，其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗，其值大于1，越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好。 3.算力管理绿色化：智能 算力管理绿色化，主要指算力管理调度层面的智能化，依托算力网络对分散、异构的算力进行智能感知、连接和统筹调度，实现绿色算力资源的配置优化，是当前算力绿色化发展正努力实践的方向。 算力管理智能化，主要包括算力调度、算网协同。算力调度实现算力区域布局优化，使算力任务倾向于能源供给绿色化和气候寒冷PUE值低的区域。算力调度是算力网络的大脑，主要通过区域布局和结构调整进行全网异构算力资源的优化整合、智能编排、弹性调度，有序引导不同算力需求向相应区域合理布局和迁移，协同解决算力资源结构性失衡问题，实现总体时空布局优化和成本优化，进一步提升算网资源利用率。算网协同实现算力供需精准匹配。算网协同是算力网络的神经中枢，通过感知应用及算力，算网协同对算力进行灵活匹配、动态调度，最终将任务路由到合适的目标计算节点，实现算力与需求精准匹配，最终构建数据、计算资源、网络的一体化服务，直接通过网络调用接入的各类算力资源，实现一站式的算力服务。 4.算力应用绿色化：集约 算力应用绿色化，主要指算力赋能应用的集约化，通过构建公共算力服务平台，进一步降低算力成本，并深层次融入支撑应用需求侧业务，推进应用需求侧的绿色化改造与升级，其本质是推进算力基础设施的可持续发展，也是绿色算力发展的重要延伸。 算力应用集约化，包括公共普惠算力服务提供与推进需求侧降本增效。能源利用效率和算力能效水平提升，在支撑产业发展方面将起 到关键作用。在绿色算力的支撑下，数字技术与电力、工业、建筑、交通等重点碳排放领域深度融合，减少能源与资源消耗，促进传统产业能源优化、成本优化、风险预知及决策控制，整体上实现节能降本提质增效。在绿色算力发展带动下，新一代人工智能算力基础设施的包容性、普惠性、安全性、共享性及节能性进一步增强，公共算力服务平台建设加快推进，算力的公共性与普惠性进一步带动数字化转型和智能化升级。 二、全球绿色算力发展进入活跃期 （一）算力生产绿色化技术产品加速迭代 世界各国加快出台算力政策推动算力生产技术的高效演进。美国在2022年出台《2022年芯片和科技法案》，为行业提供527亿美元，用于半导体制造、研发和劳动力发展。同年还更新了《关键和新兴技术清单》，新版关键和新兴技术确定了包括超级计算、边缘计算、云计算、数据存储、计算架构、数据处理和分析在内的先进计算技术领域列在了首位。欧盟在2022年出台了《芯片法案》，以提升欧盟在全球的芯片生产份额。日本发布了《下一代计算平台开发战略》、《量子技术创新战略》等，在国家层面开展算力生产的统一研发部署。 围绕算效的提升，科技龙头企业加快产品迭代升级。在单芯片性能提升方面，目前台积电和三星均已进入到3nm制程工艺时代，与5nm工艺相比，台积电3nm工艺的晶体管逻辑密度可以提升1.7倍，性能有11%的提升。而在同等性能下，3nm工艺的功耗比5nm降低25%-30%。英特尔的PonteVecchio加速卡利用Chiplet技术，即片内 互连技术，将不同工艺下制造的多个芯片封装集成到同一芯片中，晶体管数量突破1000亿个，使异构计算利用不同架构芯片形成更高效的解决方案成为了可能。 计算存储网络协同方面，当前存算一体技术正在由研