中国绿色算力发展研究报告（2024年）

中国绿色算力发展研究报告 （2024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 2024年6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，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”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 前言 习近平总书记强调，绿色发展是高质量发展的底色，新质生产力本身就是绿色生产力，必须加快发展方式绿色转型，助力碳达峰碳中和。算力作为一种新质生产力，已成为推动数字经济发展的核心力量，但是随着计算和存储需求大幅提升，算力的能源消耗和温室气体排放也持续增长，发展绿色算力已经成为我国建设数字经济底座设施和展现节能减碳大国担当的重要命题。2024年是“十四五”规划目标任务的关键一年，在政策、产业、技术多重因素引导下，我国绿色算力围绕着算力生产、供给、运营、应用的全过程，积极推进算力设备、算力载体、算能协同和算用协同等多个环节绿色化发展，取得了以下相关进展。 在算力设备绿色化方面，我国算力设备整体效能不断提升。通过芯片制造封装工艺技术进步以及处理器架构创新提升单芯片性能，运用先进存储、存算一体、无损网络融合等技术促进计算存储网络协同等方式，我国算力设备整体效能不断提升。 在算力载体绿色化方面，我国数据中心单机架耗电量及PUE持续降低。截至2023年底，我国数据中心810万在用标准机架总耗电量达到1500亿KWh，2023年全社会用电量92241亿千瓦时，数据中心在用标准机架总耗电量占全社会用电1.6%，数据中心碳排放总量为0.84亿吨。2023年我国数据中心平均电能利用效率（PUE）为1.48，与2022年的1.54相比有进一步下降。中西部地区绿色数据中心发展 迅猛，入选“国家绿色数据中心”数量占比从第一批占比26.6%增长到第五批的占比46%。 在算能协同绿色化方面，积极探索多种方式推动算力和能源协同发展。目前，我国积极探索通过算力布局选址靠近能源侧，提升可再生能源利用率、推进绿电和绿证交易、采用储能和微电网等先进技术以及建设综合能源与算力协同调度系统等方式推动算力和能源协调发展，当前我国数据中心参与绿电绿证交易规模持续扩大，算能协同发展仍有较大潜力空间。 在算用协同绿色化方面，不断推进绿色算力赋能千行百业。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。 2024年报告在2023年的基础上，进一步完善绿色算力相关内涵和发展框架，加强了全球和我国绿色算力发展的研究，客观评估全国一体化算力网络国家枢纽节点的绿色算力发展水平，给出区域绿色算力实践案例，希望为推进绿色算力技术、产业及应用发展提供参考。 报告仍有诸多不足，恳请各界批评指正。 目录 版权声明1 前言1 一、绿色算力发展背景及内涵框架1 （一）新形势下催生绿色算力发展新要求1 （二）绿色算力内涵和发展框架不断演进2 二、绿色算力总体发展取得新进展6 （一）宏观政策环境6 （二）中观产业动态13 （三）微观企业实践16 三、算力设备绿色化发展态势18 （一）算力设备绿色发展总体情况18 （二）芯片：工艺和架构创新驱动芯片产品实现高效降耗21 （三）服务器：整机性能优化及动态节能管理助力降低能耗22 （四）存储：效率和密度不断优化升级引领绿色节能方向23 四、算力载体绿色化发展态势25 （一）算力载体绿色发展总体情况25 （二）制冷：液冷和自然冷源利用成为降低能耗的重要手段31 （三）供配电：降低传输损耗是供配电系统节能重点方向33 （四）运维：智能化能效管理助推数据中心迈向精准节能34 （五）资源回收：回收技术助力绿色算力变碳为能35 五、算能协同绿色化发展态势36 （一）可再生能源利用：有效降低算力基础设施碳排放36 （二）绿电绿证交易：全面推动算力产业绿色用能39 （三）储能和微电网：显著提升能源供应安全稳定性42 （四）算能协同及算力调度：促进算力和能源协同联动调度44 六、算用协同绿色化发展态势47 （一）算用协同赋能产业绿色低碳转型47 （二）算用协同赋能居民低碳环保生活49 （三）算用协同赋能城乡绿色智慧发展49 七、绿色算力区域发展成效51 （一）东部国家枢纽节点：加强算力高效利用提升绿色算力水平51 （二）西部国家枢纽节点：充分发挥资源优势打造绿色算力产业53 八、趋势展望与发展建议55 （一）创新引领，加强绿色算力技术研发产品应用55 （二）政策保障，优化绿色算力发展政策支持环境55 （三）产业筑基，构筑绿色算力产业协同服务生态56 （四）算能协同，强化绿色算力与能源协同发展57 （五）算用融合，推动算力应用绿色化全面拓展57 附件：东数西算枢纽节点各片区绿色算力发展情况58 1、京津冀枢纽张家口集群—怀来县58 2、京津冀枢纽张家口集群—张北县58 3、京津冀枢纽张家口集群—宣化区59 4、长三角枢纽长三角一体化集群—上海市青浦区61 5、长三角枢纽长三角一体化集群—浙江省嘉兴市嘉善县61 6、长三角枢纽长三角一体化集群—江苏省苏州市吴江区62 7、长三角枢纽芜湖集群—鸠江区63 8、长三角枢纽芜湖集群—弋江区63 9、长三角枢纽芜湖集群—无为市64 10、粤港澳大湾区枢纽韶关集群—高新区64 11、成渝枢纽天府集群—成都市双流区65 12、成渝枢纽天府集群—成都市郫都区66 13、成渝枢纽天府集群—成都市简阳市67 14、成渝枢纽重庆集群—重庆市两江新区水土新城67 15、成渝枢纽重庆集群—重庆市西部（重庆）科学城璧山片区68 16、成渝枢纽重庆集群—重庆市经济技术开发区68 17、贵州枢纽贵安集群—贵安新区贵安电子信息产业园68 18、内蒙古枢纽和林格尔集群—和林格尔新区69 19、内蒙古枢纽和林格尔集群—集宁大数据产业园70 20、甘肃枢纽庆阳集群—庆阳西峰数据信息产业聚集区71 21、宁夏枢纽中卫集群—中卫工业园西部云基地71 图1绿色算力发展框架6 图22023年全国算力及数据中心相关政策词频云图11 图32021-2023年区域绿色算力政策布局文本词频分析情况13 图4算力产业链呈现绿色化转型趋势14 图5算力中心能耗结构（以PUE=1.5为例）19 图6全球IT设备及AI工作负载趋势20 图7互联网流量与数据中心能耗对比26 图8IEA对全球数据中心、加密货币、AI等需求用电量的预测27 图9全球数据中心数量28 图10各类数据中心数量复合增长率29 图11全球数据中心平均年PUE（按机房部署的最高功率机柜）29 图122023年全国各区域PUE情况30 图13全国区域绿色数据中心占比31 图142023年中国不同类型电源累计发电装机量及占比情况38 图15全球绿色电力交易情况40 图162010-2022年购买PPA的主要企业40 图17我国绿电和绿证交易发展历程41 表12023年算力及数据中心相关政策9 表2国内外算力市场主体绿色算力实践及碳中和行动计划17 表3通用芯片与智能芯片代表产品情况21 表4全国及主要省市可再生能源发电量占用电量比例38 表5我国部分算力调度平台建设情况45 一、绿色算力发展背景及内涵框架 （一）新形势下催生绿色算力发展新要求 面对全球气候变化、技术革新以及能源转型的新形势，发展低碳、高效的绿色算力不仅是顺应时代的要求，更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，在此背景下也要求在提升算力规模和性能的同时，积极探索推动算力基础设施向绿色、低碳、可持续的方向转型。 从算力侧看，发展绿色算力是我国提升人工智能和算力基础设施国际竞争力的必然要求。随着AI技术的快速发展，以生成式AI为代表的人工智能应用对算力提出更高的需求，同时也带来了巨大电力消耗。根据斯坦福人工智能研究所研究显示，ChatGPT-3单次训练耗电量高达1287兆瓦时，1单日消耗电量超过564兆瓦时，以美国每个家庭每日平均耗电量换算，ChatGPT-3每天需要消耗掉1.7万个美国家庭一天的用电量。根据美国UptimeInstitute预测，到2025年人工智能业务在全球数据中心总用电量中的占比将从目前的2%猛增至10%。同时，未来AI算力集群功耗普遍超过20kW/柜，而机柜功率超过15kW后，目前数据中心主流风冷制冷技术也将面临瓶颈。因此，在此背景下就必须要求算力基础设施通过算法与框架优化、高能效硬件升级、可再生能源利 1《2023年人工智能指数报告》 用以及热回收系统、液冷技术等节能措施的实施，破除人工智能发展所带来的算力和能源瓶颈。 从能源侧看，发展绿色算力是加快能源结构转变和促进算能协同发展的必然要求。当前，全球气候变化挑战日益严峻，而算力所消耗大量电网电力通常依赖化石燃料，是碳排放的重要来源。与此同时，算力需求与能源资源分布呈现空间不均衡态势，我国东西部算力与能源资源供需失衡挑战突出。在此背景下，算力基础设施探索基于多能互补的能源供应和算能协同的空间布局成为必然趋势。 从需求侧看，发展绿色算力是赋能千行百业和助力社会节能减排的必然要求。算力作为数字经济时代的新型基础设施，承担着数据经济赋能者、护航者的角色和使命。从这个角度来讲，算力消耗的电能本质上并非完全来自自身，而是来自其内部所承载的各类关乎经济社会运行、千行百业发展所必需的数字化业务系统。这些数字化业务系统托管在集约化建设、专业化运营的算力基础设施之上，避免了因分散建设导致的能耗和碳排放增加。同时，算力赋能千行百业，提高全过程生产效率，降低全链条能源消耗，实现发展和减排的双赢，助力推动全社会高质量发展。 （二）绿色算力内涵和发展框架不断演进 绿色算力是算力的绿色低碳发展追求，是算力高质量发展的重要目标，是一个动态演进的概念，其内涵和框架随形 势与时俱进、不断丰富演进。2023年中国绿色算力发展研究报告基于绿色算力的内涵和特点，围绕算力的生产、运营、管理、应用四个层次构建了绿色算力发展研究框架。在此基础上，本报告结合新形势新要求从算力设备、算力载体、算能协同和算用协同等四个维度进一步丰富和完善绿色算力内涵和发展框架，如图1所示。 绿色算力指围绕着算力生产、供给、运营、应用的全过程，通过融合推进算力设备、算力载体、算能协同和算用协同等多个环节的绿色低碳，实现现代化高质量算力的绿色化发展。从算力全生命周期来看，算力的碳足迹主要来源于三个方面，算力以能源使用为主体的能源间接温室效应气体 （GreenhouseGas,GHG）排放，覆盖算力全生命周期资产投入及运营管理产生的间接碳排放，算力运行过程中拥有和控制的排放源产生的直接碳排放。结合算力碳足迹和绿色算力的内涵特点，本报告进一步完善丰富了算力设备高效 （Efficient）、算力载体节能（Conservation）、算能协同清洁 （Clean）、算用协同普惠（Inclusive）发展的绿色算力ECCI 框架。 算力设备绿色化——高效：算力设备是包括芯片、服务器、存储等生产供给算力的核心IT设备，提升高效性是其绿色化的关键本质。算力设备绿色化，主要指生产算力的核心IT设备运行的高效化，通过芯片制造封装工艺技术进步以及 处理器架构创新提升单芯片性能（芯片层），运用先进存储、存算一体、无损网络融合等技术促进计算存储网络协同（系统层）等方式提升底层IT软硬件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。目前业界较为关注衡量配套设施节能水平的PUE指标，但对于PUE为1.5的数据中心来说，供电、制冷等配套设施能耗仅为IT设备能耗的一半，由此可见算力设备是能耗和碳排放的重要来源。IT设备能耗、算效（CE）、存效（SE