2023面向算力应用环节的计算绿色化白皮书

面向算力应用环节的计算绿色化白皮书 面向算力应用环节的计算绿色化白皮书 蚂蚁集团信通院2023.08 摘要 数字经济时代，算力作为重要底座支撑，价值日益凸显。尤其是近年来人工智能、元宇宙、数字孪生等新技术的快速发展和应用，对计算的需求更是呈百千倍递增。当前，全球各主要大国纷纷加快算力建设战略布局，全球算力竞争不断加剧。但与此同时，伴随算力规模的快速增长，算力能耗总量也在急剧攀升。在全球都在关注“碳达峰、碳中和”的今天，推动算力的绿色低碳发展已成为了行业共识和时代需求，也是企业降本增效和实现社会责任的重要手段。 目前，行业在推动算力绿色低碳发展过程中，关注点仍主要停留在可再生能源生产和绿色数据中心建设上。为更为全面、系统地分析绿色算力产业链，实现更大程度的总体节能减排效果，本白皮书提出了端到端的绿色算力框架，覆盖到从电力生产、算力生产到业务应用的各个环节，并着重分析当前尚未被产业界足够重视的业务应用环节中算力利用效率较低问题，提出了面向应用环节的 计算绿色化概念。 面向应用环节的计算绿色化，是指面向规模化、数字化的业务计算需求，通过计算平台系统架构升级、业务软件更新以及业务应用与平台系统协同设计等方法，提升硬件算力资源在使用过程的效用，从而实现节能减碳的绿色计算技术。其中，实现计算绿色化的关键技术要素主要包括支持多供应链、全面云原生化、转向无服务器化（Serverless）、实施平台工程，并建立绿色连续观测机制等。目前行业中的部分领先科技公司，尤其是需要支持海量业务规模、对算力使用需求较大的互联网公司，已经在不断地探索和实践计算绿色化技术，并取得了较好的应用实施减碳效果。 总体来看，面向应用环节的计算绿色化还处于发展早期阶段，仍有待包括政府机构、行业联盟、产业智库、技术厂商、应用企业等生态各方进一步协作，从产业政策引导、产学研用联合、产业联盟构建、行业标准制定、绿色度指标评价设定和评估评测体系搭建、技术开源开放等角度，共同推动计算绿色化的技术联合创新和产业规模化发展。为此，本白皮书也从行业视角和企业视角分别提出了可供参考的产业实践路径，以期为加快推进绿色算力产业发展提供助力。 目录 第一章发展背景2 （一）发展数字经济需要算力基础设施为底层支撑2 （二）算力能耗总量快速攀升，实现“双碳”战略需要算力产业向绿色发展3 （三）需求层面来看，算力投资增加和节能减排压力成为企业重点关注问题4 第二章端到端的绿色算力概念及内涵6 （一）行业现有绿色算力研究概述6 （二）端到端的绿色算力6 （三）端到端的绿色算力内涵7 第三章应用环节计算绿色化的行业问题分析9 （一）行业需要关注面向应用的算力效用提升9 （二）算力应用企业尚未广泛应用绿色计算的问题分析10 第四章应用环节计算绿色化的技术分析12 （一）应用环节计算绿色化的定义12 （二）企业在算力应用环节面临的算力效用提升挑战14 （三）算力应用环节计算绿色化的关键技术要素16 （四）绿色计算行业实践案例25 第五章应用环节计算绿色化产业实践路径26 （一）行业视角的产业实践路径26 （二）企业视角的产业实践路径27 第六章总结与展望36 第一章发展背景 （一）发展数字经济需要算力基础设施为底层支撑 数字经济时代，算力作为重要底座支撑，价值日益凸显。算力是数字经济时代新的生产力，已成为支撑数字经济发展的坚实基础，对推动科技进步、促进行业数字化转型以及支撑经济社会发展发挥重要的作用。当前，我国数字经济赋能实体经济的作用日趋凸显，数字产业加快增长，产业数字化全面提速。算力基础设施作为支撑数字经济发展的重要资源，正成为推动我国经济转型升级和培育新动能的重要力量。万物智能时代，对计算的需求呈百千倍递增，人工智能、数字孪生、元宇宙等新兴领域的快速崛起，推动全球算力规模快速增长，驱动算力技术与产品多元创新，带动产业格局重构重塑。以元宇宙为例，英特尔预估元宇宙需要将计算能力提升一千倍1。 全球算力竞争不断加剧，各主要国家地区纷纷加快战略布局。全球主要国家和地区深化算力发展路径。算力成为各国抢占发展主导权的重要手段，全球主要国家和地区纷纷加快战略布局进程。美国高度重视算力新兴技术发展，通过更新技术清单引领技术创新方向，持续巩固美国在算力技术领域的全球领导地位。2022年2月美国白宫发布新版《关键和新兴技术清单》，涵盖先进计算等14 个关键技术和5个新兴技术领域，其中先进计算包括超级计算、边缘计算、云计算、数据存储、计算架构、数据处理和分析六大子领域。欧盟不断加大算力基础设施建设和关键技术研发的投入力度。2021年9月欧盟计划为数据基础设施、5G、量子计算等领域投资1770亿美元；2022年2月欧盟 发布投资金额超过430亿欧元的《欧洲芯片法案》，提出聚焦新一代处理器、人工智能和边缘计算等芯片技术，强化欧盟各国在高端芯片设计和半导体生产工艺方面的竞争优势。《中国算力白皮书 （2022）》提到，2021年美国、中国、欧洲、日本在全球算力规模中的份额分别为34%、33%、14%、5%，其中美国和中国位列第一梯队。在当前复杂严峻的国际环境下，全球算力竞争愈加白热化，世界各国加快本土算力产业建设，重塑全球产业链供应链竞争格局，给我国算力技术创新及产业生态带来新挑战。 我国高度重视算力基础设施建设，多举措全面推动。近年来，我国出台了一系列重大方针政策，将算力基础设施的重要性提升到新的高度。2020年4月，国家发改委明确算力基础设施是“新基建”的发力方向之一。2021年5月，国家发改委等四部委联合印发《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》，提出建设全国一体化算力网络国家枢纽节点的思路，强调要优化数据中心基础设施建设布局，加快实现数据中心集约化、规模化、绿色化发展，形成“数网”体系。2021年7月，工信部发布《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》，明确了新型数据中心建设的总体要求和重点任务。2023年2月，中共中央、国务院印发《数字中国建设整体布局规划》，明确要打通数字基础设施大动脉，系统优化算力基础设施布局。从“新基建”战略到“东数西算” 1https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/opinion/powering-metaverse.html 工程，再到“数字中国”建设规划，在国家政策的大力推动下，我国算力基础设施建设进入全面加速期。全国各地积极响应政策号召规划建设数据中心、智能算力中心、超算中心。中国信通院统计数据显示，截至2022年底，我国在用数据中心机架总规模超过650万架，算力总规模超过180EFlops，近五年平均增速超过了30%，算力规模位居全球第二。 （二）算力能耗总量快速攀升，实现“双碳”战略需要算力产业向绿色发展 算力规模增长的同时，算力能耗总量也在快速攀升。随着数字经济的发展，数字政府、工业互联网、智慧交通、智慧医疗、金融科技等创新应用场景催生出对算力的巨大需求。根据信通院《数据中心白皮书（2022）》显示2，2021年，我国数据中心行业收入达到1500亿元，近三年年均复合增长率达到30.69%。此外，随着人工智能发展，行业对智能算力的需求成为算力需求增长的主要动力，尤其是随着AIGC风靡全球，领先企业纷纷布局大模型以构建比较竞争优势，大模型的训练对智能算力消耗远超过其它人工智能模型。GPU是智能算力的动力来源，但一台GPU服务器的成本是普通服务器的10倍以上，智能算力需求高涨直接带动算力成本显著上升。与此相对应的是算力所带来的能耗总量的快速攀升。根据国际能源机构(IEA)的数据显示3，2022年全球数据中心用电量为2400~3400亿千瓦时，约占全球最终电力需求的1%~1.3%。根据信通院统计，我国2022年数据中心能耗总量1300亿千瓦时，同比增长16%，预计到2030年，能耗总量将达到约3800亿千瓦时， 如图1所示。 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 3800 824 939 1116 1300 2019202020212022…2030 来源：中国信息通信研究院图1我国数据中心耗电量（亿千瓦时） 在“双碳”目标引领下，推动算力的绿色低碳发展成为了行业共识和时代需求。我国在第75 届联合国大会上正式提出力争2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”的重大战略决策。“碳达峰、碳中和”目标是中国经济走上高质量发展道路的战略之举，也是推动经济社会绿色 2http://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/202204/P020220422707354529853.pdf 3https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks 低碳转型、应对气候变化目标的重要机会和抓手。“碳达峰、碳中和”是经济社会发展的综合战略，覆盖范围广、牵涉面宽，系统性和全局性强，算力产业作为数字产业的重要组成部分也正朝着绿色低碳、节能增效、减排降耗等方向发展。从电力生产源头降低碳排放量，提高算力基础设施使用可再生能源电力比例，正成为算力产业链整体实现绿色低碳的前提。当前，我国数据中心企业正积极与电力、电网、储能企业共同探索“源网荷储一体化”模式，既能助力新能源消纳，促进储能技术发展，也可以充分发挥数据中心负荷侧的调节能力，提高数据中心电力供应的稳定性，有效降低数据中心用电成本。 （三）需求层面来看，算力投资增加和节能减排压力成为企业重点关注问题 企业IT基础设施投入持续上升，面临降本增效压力。随着企业数字化进程深入，企业内数据量快速增长，算力需求规模的增长速度远远大于企业实际业务增长的速度。算力需求增长同步推动企业IT开支持续增加，尤其是包括服务器采购在内的IT硬件的投入比例持续攀升。随着全球经济进入新常态，企业收入规模增长逐渐放缓，持续飙升的企业成本让管理层重新评估IT投入背后的业务价值，并考虑采取行动控制IT成本。根据BCG于2022年在全球开展的调研结果4，企业对扩大IT支出的态度愈发谨慎，在展望2023年IT投入时，有75%的企业认为IT支出仍将继续上升，这一数据在2022年调查时为82%。另外15%的企业认为IT支出将有所下降。受全球经济波动影响，企业希望通过更高的投入和产出比来应对为未来高度不确定的市场环境。 企业面临“双碳”的政策要求和社会责任。在“双碳”大背景下，在行业层面，碳减排成为企业ESG战略中重要组成部分，同时，企业为获得更高的ESG评价，纷纷对外披露“双碳”工作以及经过第三方鉴证或认证的范围一、二、三碳排放量。在算力第一大应用领域的互联网行业，为践行社会责任，蚂蚁、阿里、腾讯、百度等科技企业以及数据中心企业陆续发布“碳中和”目标和路径，同时通过科技手段实现节能减排，如表1所示。 4BCG，《中国科技绿色化发展报告》，2023年5月发布，https://web-assets.bcg.com/27/78/84b61acc4d4eb3ba2475c3fc5242/making-technology-development-greener-in-china.pdf 表1主要互联网企业和数据中心企业“碳中和”计划 企业名称 公布时间 “碳中和”路线图 蚂蚁集团 2021年3月 承诺自2021年起，实现运营排放的碳中和（范围一、二）、2030年实现净零排放（范围一、二、三）。 秦淮数据 2021年4月 到2030年，中国所有新一代超大规模数据中心100%采用“可再生综合能源解决方案”2040年全球所有新一代超大规模数据中心100%采用“清洁能源解决方案”。 百度 2021年6月 到2030年实现集团运营层面碳中和（范围1/2）。 万国数据 2021年11月 到2030年实现碳中和以及100%使用可再生能源。 阿里巴巴 2021年12月 阿里巴巴集团目标