绿色算力白皮书

2023.5 浪潮电子信息产业股份有限公司中国信息通信研究院云计算与大数据研究所 寄语 随着数据中心产业的快速发展，其能耗也在不断增加，碳减排问题不容忽视。尤其过去五年中，数据中心机架规模一直保持着平均每年30%左右的增长速度。国家发改委、网信办、工信部、国家能源局等多个部门发布了一系列政策，特别强调需要加强数据中心节能技术适用和能源配套机制，推动数据中心绿色发展，实现数据中心行业碳减排目标。 IT设备是数据中心能耗的最主要部分，占比高达50%以上，其算效水平直接决定能耗水平，目前我国数据中心的平均计算效率与国际先进水平相比还有差距。要实现数据中心绿色升级，不仅表现在降低能耗，也意味着提升服务器的计算效率。一方面需要创新整机系统设计，减少部件、整机散热产生的电力消耗，提升用能效率；另一方面也要推动加快液冷等高效制冷系统的技术产品应用，加速液冷算力中心的普及，推进绿色低碳算力中心建设。 在双碳背景下，绿色算力是实现数据中心高质量发展，支持我国双碳目标落地的最佳路径。本书从绿色算力的政策环境、绿色算力的内涵与关键技术、绿色算力的必要性、绿色算力的标准与评测和绿色算力发展趋势与建议五个部分，阐述了绿色算力发展的必然性，以及如何对绿色算力进行评估与评测，以保证绿色算力可量化、可比较，希望能为业界人士的学习与工作提供帮助。 郑纬民 中国工程院院士 寄语 “十四五”时期是我国开启全面建设社会主义现代化国家新征程的第一个五年，推动“十四五”时期经济社会发展全面绿色转型，对于建设生态文明和美丽中国、实现碳达峰碳中和目标具有十分重要的意义和作用。 从绿色数字经济的战略目标出发，当下ICT产业主要围绕三个方面推进绿色数字经济的发展：一是推动产业结构的绿色转型；二是推动能源结构的绿色转型；三是推动绿色算力资源建设和节能减排。而绿色算力资源的建设，则离不开高效能算力节点——即绿色节能型服务器的运用。 为推广绿色节能型服务器，最大程度上降低数字经济发展对环境的影响，从算力的源头减少碳排放，推进产业结构的绿色转型。浪潮电子信息产业股份有限公司联合中国信息通信研究院云计算与大数据研究所发布《绿色算力白皮书》，创造性的将“服务器算力”同“碳排放”相结合，提出了绿色算力的概念。 本白皮书将从绿色节能型服务器的政策支撑、节能优势、技术应用和发展趋势等方面展开分析，解读绿色算力概念的发展脉络及对ICT产业“双碳”目标达成的促进作用。同时也通过对服务器相关工作状态及应用负载的研究，探讨了一种绿色算力标准的衡量方式。 王恩东 中国工程院院士 寄语 提高IT科技能源效率，迈向可持续发展的未来，是我们这个时代最重要的全球性挑战之一。我是克劳斯·兰齐，SPEC国际标准组主席。非常高兴有这个机会来谈谈绿色标准如何推动可持续的未来。 标准性能评估组织，简称SPEC，是一个独立的非营利性组织，在全球拥有一百三十多个成员。自1988年以来，SPEC成员一直在同各类标准机构合作，制定行业标准，同时也学术界和政府机构的专家的广泛合作，制定了许多性能和能效的评测工具，具有相关性、可复现性、公平性、可验证性和可用性的特点，从而可以对不同配置的服务器进行能效评估。 在ISO/IEC21836:2020标准工具的开发过程中，我们遵循了跨架构、操作系统、平台的可移植性，因此允许不同的测试配置根据自己的优点进行竞争。还确保了当基准测试在相同的测试配置下运行时的结果一致性。我们还利用了以前标准开发工作中的经验、代码和良好的工作流程。此外，我们还提供了中文版的ISO/IEC21836:2020标准工具用户指南。 我们正在建立一个全新的标准工具，具有不同的CPU、内存和存储工作负载，并不断更新标准套件，这意味着下一代标准工具的开发已经在进行中——你也可以成为其中的一部分。SPEC组织专注于标准及测评工具的开发，并对来自全球各地的合作表示欢迎。 克劳斯·兰奇 SPEC国际标准组主席 目录 第一章绿色算力的政策环境01 （一）美国、欧盟、日本等国加速淘汰老旧设备，鼓励运用新型节能技术01 （二）国内通过政策推动限制PUE、WUE，推动绿色低碳等级评估01 第二章绿色算力的内涵与关键技术03 （一）绿色设计方案帮助降低计算能耗03 （二）智能部件管理技术助力节能减碳03 （三）创新性整机系统设计，全面降低碳排放03 （四）液冷技术理念成熟，改变散热模式实现绿色低碳04 （五）整机柜设计得到广泛认可，助力高密算力中心节能减排04 第三章绿色算力的必要性05 （一）算力增长迅速，算力中心碳排问题亟待解决05 （二）算力中心碳排放重要来源06 （三）发展绿色算力的意义与价值06 第四章绿色算力的标准与评测08 （一）绿色算力需要科学的评测方法08 （二）绿色算力评测工具的现状与需求08 （三）绿色算力评测要点09 （四）绿色算力评测意义10 （五）绿色算力评测体系10 第五章绿色算力发展趋势及建议15 （一）发展趋势15 （二）发展建议15 01 GREENCOMPUTINGWHITEPAPER 绿色算力白皮书 第一章 绿色算力的政策环境 经中国信息通信研究院测算，2021年全球计算设备算力总规模已经达到615EFLOPS，保持44%的高速增长。与此同时电力资源作为算力发挥作用的必备条件，消耗程度也大幅增长；2021年国内算力中心总耗电量达到2166亿千瓦时，占社会用电量2.6%，预计到2030年中国算力中心总耗电量将达到5915亿千瓦时，占全社会用电量的5%。优化算力的平均能源消耗，打造绿色算力，全球已经达成共识，是未来5-10年算力发展的重点目标。 （一）美国、欧盟、日本等国加速淘汰老旧设备，鼓励运用新型节能技术 目前，全球主要国家均承诺在本世纪中叶前完成国家层面碳中和计划。为此，各国纷纷出台相关政策，加速推进可再生能源使用，实现低碳化、绿色化发展，推进绿色算力落地。 美国政府通过DCOI数据中心优化倡议、FDCCI美国联邦数据中心整合计划、FITARA联邦政府信息技术采购改革法案等一系列举措，以整合和关闭数据中心，明确资源虚拟化、可用性、设定数据中心PUE及服务器使用率具体标准、退役老旧设备的方式，实现数据中心数量减少了7000个，PUE从平均2.0以上下降近一半，大型算力中心为1.5左右。 欧盟率先提出ICT行业的降碳目标，计划在2030年提前达到气候中性（climateneutral）。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算力中心PUE、SUE、DCiE等绿色指标。推动欧洲ICT基施和算力中心确保在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。 日本能源效率委员会提出在未来的5年内将绿色计算技术作为提高能源效率的主要手段之一，通过绿色计算技术提高能源效率、降低碳排放，为实现日本政府提出的2050年碳中和目标奠定基础。日本经济产业省发布了 《半导体和数字产业发展战略》，提出数字化和绿色化协调发展的概念，同时必须提高数字设备和电子元件中所使用半导体的性能，降低能耗。综合发挥能为碳中和做出贡献的分布式计算、下一代绿色计算等技术的作用，实现数字化和绿色化协调发展。 （二）国内通过政策推动限制PUE、WUE，推动绿色低碳等级评估 2022年党二十大报告提出，“推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式”及“促进数字经济和实体经济深度融合”相关要求。算力产业的绿色化发展，需要政、产、用各方力量协同并进，发挥每一个环节的优势力量。在政策层面，国家及地方均推出政策纲领文件，指导算力中心产业绿色发展。 02 GREENCOMPUTINGWHITEPAPER 绿色算力白皮书 （1）国家层面 2021年，工信部印发了《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》，明确大力推动绿色算力中心创建、运维和改造。国家发改委等四部门发布的《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》《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》《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》等政策文件，明确提出“到2025年，新建大型及以上算力中心PUE降低到1.3以下，达到绿色算力中心要求，绿色低碳等级达到4A级以上”等目标。 工信部发布《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》，并从绿色低碳、算力赋能、智能运营、安全可靠方面出发，组织开展国家新型数据中心评选。其中，绿色低碳方面包含PUE、WUE、CUE、算力算效、可再生能源应用、绿色低碳管理等相关指标。 （2）地方层面 北京市更新《北京市新增产业的禁止和限制目录》，城六区禁止所有新建和扩建数据中心项目，其他区域禁止建设，PUE在1.4以下的云计算数据中心除外。 上海市发布的《上海市经济信息化委、市发展改革委关于做好2021年本市数据中心统筹建设有关事项的通知》《上海市数据中心建设导则（2021）》等提出“新建项目综合PUE控制在1.3以下，WUE在1.4以下，改建项目综合PUE控制在1.4以下”等目标。 03 GREENCOMPUTINGWHITEPAPER 绿色算力白皮书 第二章 绿色算力的内涵与关键技术 绿色算力指以整机为管理对象，评价其单位碳排下的负载与业务输出，即服务器单位碳排放下能够输出的算力。其核心是衡量计算系统从部件到整机到上层应用全堆栈的计算能效，考验计算系统厂商的系统架构设计、性能优化、散热制冷创新能力。 （一）绿色设计方案帮助降低计算能耗 “双碳”目标引领下，降低计算能耗，推动“绿色算力”十分关键。通过对服务器系统的升级、改造，使用创新的绿色算力设计方案，不但能够实现系统低功耗，而且还能实现整机碳排放大幅降低。另外，通过使用液冷技术和整机柜设计方案，不仅大幅降低了算力中心的能源消耗成本，而且能够大大减少机房占地面积。同时，产品本身的创新设计有效降低了碳排放，例如，可调节散热器设计、根据工作负载智能计算并匹配最佳制冷系统、采用高效服务器及系统设备、定制化的CPU及GPU板卡、整机结构优化等措施。 （二）智能部件管理技术助力节能减碳 电源逐渐向能效化、模块化、数字化、智能化等方向发展，体现在高效率、高功率密度、高可靠性、高智能化、远程控制、实时监控、冗余并机等方面；并采用直流电源，提升电源转换效率。同时为降低服务器在负载较低时，采用动态节能技术，可以自动监控服务器资源使用情况，根据资源利用率动态调整服务器运行状态，按照业务需求提供供电，将服务器用电损耗降到最低。 配合服务器智能管理平台，实现智能功耗封顶功能，可实现快速、精准的功耗封顶操作，确保在机房供电安全前提下，有效提高机房供电效率，提高机柜设备密度，降低机房维护费用。同时，能够消除异常情况下，如空调故障、业务量突然增加等，所出现的散热不足和供电不足等风险，提高业务可靠性。并可实现服务器的制冷分析，服务器使用率分析，服务器功耗分析，负载分配分析，支持智能功耗预测功能，为算力中心节能降碳提供指导依据。 （三）创新性整机系统设计，全面降低碳排放 抛开计算能力，单纯追求极低的电能使用效率是不合理的。为降低服务器碳排放，需从设计层面着手，通过负载优化使服务器工作在高能效状态，对服务器待机进行优化；同时服务器为了追求更高密度，不断压缩空间，对散热带来了很大的挑战，在现有的风冷致冷条件下，需通过创新性散热设计，对风扇入风处风流做整流处理，提高风扇进风口的流速并且减少了扰流的产生，加大波导网厚度可进一步提高空气压力，产生平行稳定且强劲的气流。通过整机层面创新的系统设计，实现制冷和空调散热在时间和空间上进行匹配，打造节能低碳的绿色服务器。 04 GREENCOMPUTINGWHITEPAPER 绿色算力白皮书 （四）液冷技术理念成熟，改变散热模式实现绿色低碳 液冷技术在高功率密度的算力中心领域优势显著。随着服务器液冷技术的成熟，引入液