绿色算力技术创新研究报告（2024年）

绿色算力技术创新研究报告 (2024年) 中国信息通信研究院云计算与大数据研究所2024年03月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，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”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前言 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，已成为推动各领域数字化、智能化转型的重要基石。自我国正式提出“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。 技术创新是绿色算力发展的根本。当前，算力产业正以绿色为主攻方向，推进算力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技术攻关，构建算力资源供给与应用相融合的“数字化”+“绿色化”服务体系，以实际行动积极践行“双碳”战略，实现数字经济高质量发展。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，中国信息通信研究院云计算与大数据研究所编制《绿色算力技术创新研究报告（2024年）》。报告从算力供需视角出发，聚焦算力设施、算力设备、算力平台、算力赋能“四位一体”绿色发展，剖析绿色算力的发展背景、概念内涵、发展演进路径和属性特征，深入探讨绿色算力在设施层、设备层和平台层的技术创新发展情况，总结绿色算力技术赋能的典型应用场景，最后展望我国绿色算力发展，并提出对应建议。 绿色算力相关技术、产业正处于高速发展阶段，本报告在编写过 程中，查阅和参考了行业相关材料，并对众多算力产业链核心企业展开调查研究，感谢业界对本报告的支持！如对本报告有建议或意见，请联系云计算与大数据研究所数据中心团队dceco@caict.ac.cn。 一、绿色算力发展态势1 （一）绿色算力发展背景1 （二）绿色算力概念内涵3 （三）绿色算力发展演进6 （四）绿色算力属性特征9 二、绿色算力设施层技术创新11 （一）建设绿色能源替代，降低供电传输损耗11 （二）创新储能部署方式，探索环境友好介质13 （三）应用自然冷却技术，突破液冷技术难点15 三、绿色算力设备层技术创新17 （一）优化服务器硬件节能，发展动态能耗管理18 （二）开发存储材料及工艺，促进数据技术高效20 （三）应用无损网络介质，推动弹性网络部署23 四、绿色算力平台层技术创新24 （一）迭代资源管理技术，调度绿色算力资源25 （二）简化产品开发模式，优化模型算法效率27 （三）完善环境监测体系，实现智能动态调优29 五、绿色算力技术赋能经济社会发展31 （一）加速科研技术革命32 （二）赋能产业节能低碳33 （三）助力社会治理格局构建34 六、绿色算力发展的展望与建议36 （一）加强绿色算力政策保障36 （二）夯实绿色能源底座支撑37 （三）巩固绿色设备技术创新38 （四）聚焦绿色平台能力建设38 （五）深入挖掘应用场景价值39 图1绿色算力框架图3 图2绿色算力发展演进阶段6 图3绿色算力属性特征9 一、绿色算力发展态势 数字经济时代，算力正在成为一种新的生产力，广泛融合到社会生产生活的方方面面，为千行百业的数字化、智能化转型提供基础动力。以数据中心、智算中心为代表的算力基础设施作为算力的重要载体，承载着支撑数字经济发展的重任。近年来，算力总规模不断扩大、用能需求不断增长，其绿色发展进程受到广泛关注，推动算力向绿色算力发展势在必行。 （一）绿色算力发展背景 政策上看，我国算力绿色发展的侧重点，正逐步从聚焦数据中心规划、选址、布局绿色转向到实现产业用能、生产和应用的全链条绿色。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。随着我国算力产业总体规模快速增长，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突出，政策开始关注用能环节绿色。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。 “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程、各领域，算力全产业链绿色发展逐渐具备政策基础。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，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（每秒1.97万亿亿次浮点运算），存储总规模超过1080EB（1.08万亿吉字节），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，如浪潮、华为、新华三、联想等在硬件算力方面不断进行技术创新与突破。 总的来看，算力市场具有产业链条长、参与主体多、应用范围广泛等特点，各企业在面对扩大经济效益、降低成本损耗等现实需求时，纷纷转向绿色技术创新和绿色管理创新，力图探索节约资源和提高能效的先进手段。以阿里、腾讯、百度、万国、中兴等企业为代表的算力产业龙头，积极践行绿色发展理念，按年度发布可持续发展报告或ESG报告，阐述其绿色发展举措，积极践行双碳目标，承诺不晚于2030年实现“碳中和”目标。 （二）绿色算力概念内涵 图1绿色算力框架图 来源：中国信息通信研究院 绿色算力，是算力基础设施实现绿色、低碳、可持续发展的一种 算力形式，是把自然资源、环境资源作为算力发展要考虑的关键，把经济效益和环境保护、社会责任有机融合，可实现算力的低碳清洁、高效利用与科学配置，达成算力设施、算力设备、算力平台和算力赋能的“四位一体”绿色发展。对国家而言，绿色算力是战略之所需也是发展必然，对推动我国数字经济高质量发展具有重要意义；对企业而言，绿色算力是降本增效关键之举也是提质增收实现之基，是助力产业可持续发展的新引擎。如今，经济社会对绿色算力重要性的认知不断加深，绿色算力技术也在不断创新并日益广泛地应用于各产业的数字化发展与实践。绿色算力技术是保障绿色算力发展的技术体系，主要包括材料创新、产品创新、工艺创新和手段创新等，涉及底层硬件、平台软件、核心算法等多方面，并需要考虑碳排放、水资源、废弃物、土地、生态系统多样资源。我国绿色算力技术体系正不断发展与完善，并逐步形成规模效益。 对企业而言，利用绿色算力技术驱动降本增效、提高盈利是其生产经营的根本诉求。国外领先科技企业正致力于以全方位的绿色技术驱动经营管理。谷歌1自建100%电气化建筑BayView利用太阳能、风力和地热产生电力，研发张量处理单元(TPU)v4超级计算机进行机器学习算法训练提高能源利用效率，利用机器学习技术防止制冷剂泄露，用海水进行冷却提高用水效率。微软2在数据中心配置锂电子电池组减少依赖煤炭或天然气的情况下保障用电稳定性，开发氢聚合物电解质膜（PEM）燃料电池技术，采用雨水收集和再利用技术重复使 1《谷歌2023环境报告》 2微软《2022年环境可持续发展报告》 用水资源，采用直接风冷和直接蒸发冷技术冷却服务器，运行双相液体浸没式冷却技术，探索微流体技术更高效冷却芯片，探索绿色软件技术，如开发碳感知软件开发工具包（SDK）给出最低碳能源的工作负载建议，开发架构良好的框架（Well-ArchitectedFramework，WAF）优化Azure云计算平台工作负载，使用资源超额订阅和收集技术提高云资源利用率等等。 “双碳”战略为我国绿色算力技术创新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外成功经验和做法，一方面是要更加注重绿色可持续发展，用能上从煤炭、石油等传统化石能源向太阳能、风能、地热能、氢能等绿色可再生能源转变，减少水资源利用，探索污水、海水、雨水、中水等的开发应用场景，材料使用上向集约节约、质量效益好的新材料转变，同时促进可降解材料使用和废物回收利用；另一方面是要加强技术创新，算力涉及诸多学科和领域，包括计算机科学、数学、物理学、工程学等，坚持产学研用深度融合，激发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，以绿色算力为基石助力经济高质量发展。 （三）绿色算力发展演进 来源：中国信息通信研究院 图2绿色算力发展演进阶段 1.初级阶段（1996-2006年） 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，绿色发展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。 2.起步阶段（2007-2020年） xUE指标体系初步形成，数据中心能效管理水平成为关注重点。 2007年，电能利用效率（PowerUsageEffectiveness，PUE）指标被提出用以评价数据中心能源利用效率。PUE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。随后，水资源利用效率（WaterUsageEffectiveness，WUE）、碳利用效率（CarbonUsageEffectiveness，CUE）、基础设施利用效率（InfrastructureUsageEffectiveness，IUE），面积使用效率（SpaceUsageEffectiveness，SUE）等指标又陆续被提出，有效丰富了数据中心能耗评价指标。 美国通过数据中心优化倡议（DCOI）、美国联邦数据中心整合计划（FDCCI）、联邦政府信息技术采购改革法案（FITARA）等一系列举措整合和关闭数据中心，数据中心平均PUE从2.0降低到近一半大型数据中心达到1.5甚至1.4以下。《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》规范了PUE、SUE、DCIE等指标。我国发布《关于数据中心建设布局的指导意见》《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》等政策文件，引导数据中心追求先进PUE，依据CUE概念制定了数据中心碳排放核算和管理体系建设的详细标准。这一阶段，衡量数据中心能耗综合管理能力及绿色程度的评价体系已经初步形成，产业围绕xUE能耗指标体系进行数据中心建设和