数据中心算力碳效白皮书（2022年）-开放数据中心委员会.pdf-solarbe文库

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1 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A分布式存储技术与产业分析报告 [编号ODCC-2022-0500A]数据中心算力碳效白皮书开放数据中心标准推进委员会202 2 -10发布 I 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A版权声明ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受著作权法保护，编制单位共同享有著作权。转载、摘编或利用其它方式使用 ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源“ 开放数据中心委员会 ODCC”。对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC 及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 II 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A编制说明本报告由中国信息通信研究院云计算与大数据研究所牵头撰写，并在撰写过程中得到了多位专家的大力支持。编写单位中国信息通信研究院项目经理张一星 zhangyixingcaict.ac.cn III 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A前言2020年 3 月，中共中央政治局常务委员会召开的会议上明确提出要加快 5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。在数据中心加快建设部署的大背景下，总耗能也呈增长趋势。开放数据中心委员会 ODCC 测算数据显示， 2020 年中国数据中心能耗总量为 939 亿千瓦时，碳排放量为 6464 万吨。预计到 2030年，中国数据中心能耗总量将达到 3800 亿千瓦时左右，碳排放增长率将超过300。数据中心中，服务器是最主要的业务耗能设备。在应对气候变化和践行“ 碳达峰 ”“ 碳中和 ” 目标的大背景下，构建数据中心服务器碳效模型、降低其能耗及碳排放对于数据中心实现绿色发展和落实双碳目标具有重大意义。本白皮书梳理了全球主要国家的碳中和目标及数据中心降碳政策，分析了数据中心和服务器产业龙头企业的降碳路径，总结了服务器及芯片产业的节能降碳热点技术。同时，本白皮书首次定义了服务器算力碳效的概念，并构建了碳效模型，根据测试结果得出随着服务器性能的提升，碳排放总量呈上升的趋势，但性能提升的速度超过碳排放增加的速度，单位算力的相对碳排放在降低；不同产品技术不同，碳效存在一定差异，性能与碳排放呈现出的特点不同，在服务器使用周期为 5 年的情况下，单位性能得分的碳排放量在 20-60KG 之间。相关数据和结论将为数据中心根据业务需求选择性能与碳效最佳的服务器、降低数据中心整体碳排放量提供参考。 IV 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A内容概览1.世界主要国家都宣布了碳中和目标，提出了严格的减排措施要求，国际碳中和行动的规模和影响日益扩大。互联网和数据中心龙头企业大都提出了2030年实现碳中和的目标，碳减排行动部署领先于其他行业。2.数据中心企业的碳减排工作聚焦于核心能耗设备（ IT、制冷和供配电等），当前制冷和供配电方面已采取多项节能措施， PUE 持续降低，但能耗占比最高的 IT设备节能降碳关注度较低，缩小制程和高阶封装技术是服务器及芯片企业的研究重点。 3.为统筹兼顾服务器的碳排放量和算力性能，白皮书构建了 X86 架构CPU 服务器的算力碳效模型，并提出了算力碳效概念服务器使用周期内产生的碳排放与所提供的算力性能的比值。根据实测，在 5 年使用周期中，单位算力性能（单位 SPEC 得分）的碳排放量一般在 20-60KG 之间，能效水平较好的CPU排放可达到 30KG以下。4.多样化的业务场景激发了服务器性能提升，同时也带来了碳排放总量增加。但服务器单位性能提升的速度超过单位碳排放量增加的速度，单位算力的相对碳排放在降低。 5.算力碳效或将成为服务器设备设计、选型的重要指标。为提升算力碳效，除在服务器部件设计、制造、运行等各环节开展技术研究外，还需丰富不同架构（ X86、 ARM 等）不同需求（高性能计算、边缘计算、智能计算）的业务场景下，算力碳效的模型构建和测试分析方法，在理论上为数据中心碳中和奠基。 V 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A目录版权声明 . I编制说明 II前言 . III内容概览 .IV 一、低碳政策背景 1（一）国际主要国家碳中和目标1（二）国际主要国家数据中心降碳政策2（三）中国碳中和目标3（四）中国数据中心降碳政策4二、数据中心和服务器低碳发展分析 6（一）国际数据中心龙头企业6 （二）国内数据中心龙头企业6（三）服务器及芯片企业9三、数据中心算力绿色低碳技术分析 12（一）服务器绿色低碳技术趋势12（二）CPU绿色低碳技术.14四、服务器算力碳效模型研究 20（一）服务器耗能概述20 （二）服务器算力、能耗的相关研究21（三）服务器算力碳效模型研究23（四）服务器算力碳效模型实验与测试结果分析25五、发展展望 29 VI 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A（一）IT设备能耗是未来节能降碳的核心要素.29（二）服务器设备选型时应考虑算力碳效29（三）加强与业务场景匹配的碳效模型研究29 1 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A一、低碳政策背景（一）国际主要国家碳中和目标联合国政府间气候变化专门委员会（ IPCC）测算，若要实现巴黎协定2℃控温目标，全球必须在 2050年达到二氧化碳净零排放（又称“碳中和”），即每年二氧化碳排放量等于其通过植树等方式减排的抵消量；在 2067 年达到温室气体净零排放（又称 “ 温室气体中和或气候中性 ” ），即除二氧化碳外，甲烷等温室气体的排放量与抵消量平衡。目前，全球已有超过 120 个国家和地区提出了碳中和目标。其中，大部分计划在 2050年实现，如欧盟、英国、加拿大、日本、新西兰、南非等。欧盟在低碳转型方面较为积极，发展低碳能源的力度在全球也是处于领先水平，设定了到 2020 年所有新建筑都需接近零能源消耗的目标，并且需要2050 年完成在绿色协议制定的整个欧盟的净零排放目标。 2021 年 7 月 14日，欧盟提出了一套系统完整的应对气候变化的提案，提出到 2030年可再生能源占欧盟最终能源消耗 40、 2030 年新增燃油车销售较 2021 年减少 55，到2035 年将不再有新的燃油车销售以及 2026 年开始设立碳边境税等具体目标。美国能源新政总的目标是，到 2035 年，通过向可再生能源过渡实现无碳发电；美国政府承诺到 2030 年，温室气体排放水平比 2005 年减少 50-52，最终到2050 年，使美国实现碳中和。为了实现建成 “ 脱碳化 ” 社会的目标，日本在2021年将其 2020 年 12月发布的绿色增长战略更新为2050 碳中和绿色增长战略，提出在 2030 年之前将日本排放量在 2013 年基础上削减 46。韩国也在 2020 年 10 月宣布到 2050年实现碳中和，并在绿色新政中制定了碳中和路线图。新加坡 2021年 2 月制定了一份可持续发展蓝图，强调了提高资源效率的必要性，包括能源效率、回收率和水的使用，希望通过减少污染、增加绿色空间和用于休闲目的的水道通道，促进可持续的流动性，提高宜居性。 2 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A（二）国际主要国家数据中心降碳政策欧盟率先提出 ICT行业的降碳目标，计划在 2030年达到气候中性。并通过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数据中心 PUE、SUE、 DCiE等绿色指标。美国政府通过 2016 年提出的 DCOI 数据中心优化倡议、 2014 年制定的 FITARA 联邦政府信息技术采购改革法案和 2010年发起的 FDCCI 美国联邦数据中心整合计划等一系列举措，以整合和关闭数据中心、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、退役老旧机器的方式，实现了数据中心数量减少 7000 个，大约占比 50；数据中心 PUE 从平均 2.0 以上下降到近一半大型数据中心达到 1.5 甚至 1.4 以下，部分服务器使用率从 5提升到 65以上。新加坡在 2014 年发布了绿色数据中心技术路线图，基于国情，提供了新型节能数据中心未来的改进方向和指导意见，指出需在不影响系统性能和安全要求的情况下尽可能降低数据中心能源消耗，并建议研究提高冷却设备效率、 IT 设备温湿度耐受能力、数据中心的资源调度和负荷分配集成优化能力。2021 年 1月，日本相关主管部门（经济产业省）发布了绿色增长战略，提出 “ 数据中心市场规模从 2019 年的 1.5 万亿日元提升到 2030 年的 3.3 万亿日元，届时实现将数据中心的能耗比 2019 年降低 30” 的目标。并将重点任务放在扩大可再生能源电力在数据中心的应用，打造绿色数据中心上。表 1 全球低碳数据中心相关政策规划国家 /地区政策内容美国 DCOI 数据中心优化倡议 FDCCI美国联邦数据中心 FITARA 联邦政府信息技术采购改革法案等整合和关闭数据中心、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、退役老旧机器的方式，实现了数据中心数量减少 7000 个，大约占比 50；数据中心 PUE 从平均 2.0 以上下降到近一半，大型数据中心达到 1.5 基至 1.4 以下，部分服务器使用率从 5提升到 65以上。 3 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A欧盟 2020 年欧盟数据中心能源效率行为准则的最佳实践指南欧洲数据中心能源效率现状白皮书塑造欧洲的数字未来进一步细化和规范了数据中心 PUE、 SUE、DCiE 等绿色指标。 ICT 基础设施和数据中心应确保在 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。新加坡绿色数据中心技术线路图需在不影响系统性能和安全要求的情况下尽可能降低数据中心能源消耗，并提出提高冷却设备效率、 IT 设备温湿度耐受能力、数据中心的资源调度和负荷分配集成优化能力等建议。日本绿色增长战略发展目标将数据中心市场规模从 2019 年的1.5 万亿日元提升到 2030 年的 3.3 万亿日元，届时实现将数据中心的能耗降低 30；重点任务扩大可再生能源电力在数据中心的应用，打造绿色数据中心等。（三）中国碳中和目标温室气体排放导致全球气候变化，带来海平面上升、地球极端天气灾害频发、生物多样性等问题，这使得控制温室气体排放成为了全球共识，中国作为发展中大国，积极应对气候变化。 2020 年 9 月 22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，宣布中国将 “努力争取 2060 年前实现碳中和 ” 的目标。中国努力争取实现碳中和目标的提出，对推进世界各国齐心协力控制全球变暖以及应对气候变化具有重要意义。为规范企业温室气体的排放，限制碳排放量，国家出台了一系列核算和测评标准。 2017 年 12 月，国家发展和改革委员会发布关于做好 2016、 2017年度碳排放报告与核查及排放检测计划制定工作的通知制定企业碳排放补充数据核算报告模板、企业排放监测计划模板。 2021 年 3 月，生态环境部编制了企业温室气体排放报告核查指南（试行），对企业温室气体排放的核查工 4 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A作进行规范，明确了核查程序、核查要点、核查工作流程、技术服务机构要求等。考虑到不同行业的环保性质区别，国家也积极开展重点行业碳排放权交易试点工作，持续推进碳排放权交易市场建设。 2011 年 10 月，国家发展和改革委员会发布国家发展改革委办公厅关于开展碳排放权交易试点工作的通知，推动在 7 个省市开展碳排放权交易试点工作。 2015 年 1月，国家发展和改革委员会发布碳排放权交易管理暂行办法，明确了我国统一碳排放权交易市场的基本框架。 2020 年 12 月，生态环境部发布碳排放权交易管理办法（试行），对碳排放配额分配和清缴，碳排放权登记、交易、结算，温室气体排放报告与核查等活动做出规定。2021 年 7 月，上海环境能源交易所发布公告，根据国家总体安排，全国碳排放权交易于 7月 16 日开市，共纳入发电行业重点排放单位 2162家，覆盖约 45亿吨二氧化碳排放量。（四）中国数据中心降碳政策在碳达峰碳中和战略的大背景下，数据中心加速向绿色低碳发展。 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），提出了“ 到 2021 年底，全国新建大型及以上数据中心 PUE 降低到 1.35 以下，到 2023 年底，新建大型及以上数据中心 PUE 降低到 1.3 以下，严寒和寒冷地区力争降低到 1.25 以下 ” 的目标。 2021 年 10 月 18 日，国家发改委等五部门出台国家发展改革委等部门关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见，提出 “ 新建大型、超大型数据中心原则上布局在国家枢纽节点数据中心集群范围内”；“对于在国家枢纽节点之外新建的数据中心，地方政府不得给予土地、财税等方面的优惠政策 ” ，政策趋严，进一步明确优化数据中心总体建设布局的严控措施； 2021 年 11 月，国管局、国家发展改革委、财政部和生态环境部等发布深入开展公共机构绿色低碳引领行动促进碳达峰实施方案，明确要求 “ 新建大型、超大型数据中心全部达到绿色数据中心要求，绿色低碳等级达到 4A 级以上，电能利用效率（ PUE）达到 1.3 以下。鼓励申报绿色数据中心评价，发挥示范引领作用 ” ； 2021 年 12 月，发改委、国家能源局发布贯彻落 5 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A实碳达峰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，立足新发展阶段，构建新发展格局，明确提出全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到 1.3以下，国家枢纽节点进一步降到 1.25以下，绿色低碳等级达到 4A 级以上。旨在有序推动以数据中心、 5G 为代表的新型基础设施绿色高质量发展，发挥其 “ 一业带百业 ” 作用，助力实现碳达峰碳中和目标。地方层面，2021 年 4月，北京市经济和信息化局发布北京市数据中心统筹发展实施方案（ 20212023 年），要求推进北京市数据中心绿色化、智能化、集约化发展。根据实施方案要求，各区需严格执行数据中心分区分类管理要求，结合第三方专业评测，摸清区域内数据中心运行情况，形成关闭、腾退、改造、新建清单，建立清单动态管理和部门联合监管信息共享机制，统筹有序推进数据中心发展。上海市 2021 年 4 月发布数据中心建设导则（ 2021），要求新建数据中心综合 PUE 不高于 1.3， WUE 不高于 1.4。江苏省2021 年 12 月发布江苏省新型数据中心统筹发展实施意见，要求 “ 全省新建（扩建）大型及以上数据中心应达到绿色数据中心要求， PUE低于 1.3，绿色低碳等级达到 4A级以上。中小型数据中心 PUE应不高于 1.5”。 6 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A二、数据中心和服务器低碳发展分析（一）国际数据中心龙头企业遏制全球变暖是应对气候变化的核心方向，当务之急是控制温室气体排放，为此，全球各数据中心企业在智能节能、可再生能源开发、资源回收利用等方面不断探索，力图降低数据中心的碳排放量。微软计划在 2030 年实现碳负排放，预计 2050 年可清除公司自 1975 年成立以来直接或通过电力产生的所有碳排放。可再生能源使用方面，微软计划2025 年实现数据中心、建筑、园区 100采用可再生能源供应。亚马逊在 2019年与 Global Optimism 组织共同发布了气候宣言，目标在 2040年实现所有业务线净零碳排放。数据中心方面，亚马逊使用节能服务器，致力于提高设施和设备的能效，在服务器、存储和网络设备的设计和制造方面持续创新以减少能耗。 Facebook 计划到 2030 年，其供应链、员工通勤和商务旅行将实现净零排放。 2020 年， Facebook 运营均由 100可再生能源支持，已达到净零排放。自 2007年，谷歌宣布实现了碳中和，主要通过使用新能源、采购绿电等进行碳抵消，达到了碳排放量为零，并计划到 2030年实现全天候无碳能源运营。同时，谷歌设计了使用寿命更长、更易复用的服务器，从旧服务器拆取零件再利用，或改造旧服务器以做新服务器使用，或把旧服务器的历史数据清除以做二手服务器卖掉。（二）国内数据中心龙头企业我国数据中心的参与者主要包括电信运营商、第三方数据中心运营商和互联网企业等。目前我国三大基础电信运营商仍占据主要市场，截至 2020年三大基础电信运营商共占我国 IDC 市场约 54的份额。此外，第三方服务商是除基础电信运营商外的重要组成部分，也占据较大市场份额。同时，基于长远的技术、业务发展需要，大型互联网企业逐渐规划自建数据中心，也成为一类数据中心持有和运营主体。 7 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A中国移动 2021 年发布碳达峰碳中和行动计划，提出到 “ 十四五 ” 期末，将企业碳排放控制在 5600 万吨以内，并提出了 “六绿 ”的节能路径，分别为以绿色架构、节能技术为驱动打造绿色网络；以能源消费电气化、绿电应用规模化为目标推进绿色用能；以科学制定设备节能技术规范、完善绿色采购制度为保障建设绿色供应链；以线上化、低碳化为方向倡导绿色办公；以拓展信息服务应用、推广 “ 智慧环保 ” 解决方案为依托深化绿色赋能；以加强宣贯教育、弘扬绿色低碳理念为抓手创建绿色文化。中国联通为推进绿色数据中心发展，做出了许多努力一是做好布局工作，将重点放在分类引导上，将数据中心选址在寒冷地区或靠近海水、湖水的地区，充分利用冷空气或冷水等自然冷源；二是绿色科技助力节能减排，包括搭建数据中心能耗管理平台，对机房内温度、湿度等指标进行统一监控监管；三是采用绿色能源。中国电信 2021 年 8 月发布了碳达峰、碳中和 “1236” 行动计划，将重点从三个方面推进 “ 双碳 ” 工作，其中涉及数据中心的包括建设绿色新云网，打造绿色新运营；构建绿色新生态，赋能绿色新发展；催生绿色新科技，筑牢绿色新支撑。万国数据是国内首家同时提出在 2030 年实现碳中和及 100使用可再生能源的数据中心企业。以 100使用绿色电力为目标，万国数据提出通过提高可再生能源使用比例、建设绿色数据中心和提升运营效率来最大限度地减少对环境造成的影响。通过积极参与绿色电力交易、加强新能源投资与探索新兴技术等组合模式，不断降低数据中心的碳排放。秦淮数据计划到 2030 年，将实现中国运营范围内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，直接参与投资的清洁能源装机容量将不少于 2GW。绿色数据中心部署方面包括新一代算力算法、数据中心选址、IT 设备、制冷系统、电力配网架构、供配电系统以及照明系统等设施。秦淮数据在数据中心的全生命周期进行节能降碳。 8 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A世纪互联坚持引领数据中心走高效、低碳、集约、循环的绿色发展道路，不断推进在可再生能源利用、节能方案评估、高效绿色运维、能效指标分级评估等方面的探索和创新，并将环保融入数据中心设计、建设等全生命周期的各个环节。随着互联网的迅猛发展，行业对数据中心的计算能力和规模要求逐渐提高，在“碳中和碳达峰”背景下，互联网企业的低碳发展也逐渐受到重视。阿里巴巴承诺 2030 年前实现自身运营碳中和，为降低数据中心产生的碳排放量，其实现“碳中和”有 4个路径从内部提高数据中心效率，降低 PUE；市场化采购可再生能源；投资建设分布式和大型集中式项目；采购绿证以及CCER等项目。服务器方面，阿里巴巴通过服务器全浸没液冷降低碳排放，同时，改配翻新旧服务器，循环使用备件。腾讯承诺不晚于 2030 年实现自身运营及供应链的全面碳中和，同时实现100绿色电力。腾讯秉承 “ 减排和绿色电力优先，抵消为辅 ” 的原则，推进自身运营和供应链碳中和的实现。能源效率方面，降低运营中的单位能耗，提高资源效率；可再生能源方面，大幅提高可再生能源的使用比例，积极参与绿色电力交易并探索新能源项目投资开发；采用碳抵消等手段中和其余无法完全减排的部分。百度在数据中心、办公楼宇、碳抵消、智能交通、智能云、供应链六个方面，全面构建 2030年碳中和目标的科学实现路径，通过使用清洁低碳能源、提高能效来降低数据中心的碳排放。服务器方面，数据中心淘汰的服务器，核心零部件通常都被拆解回收再利用，其余无法复用的部分则由经筛选的回收商100回收处置。京东提出到 2030 年，京东的碳排放量与 2019 年相比减少 50。通过低碳设计，绿色采购、能源管理、高效的资源利用以及日常绿化运营等方面，推动数据中心绿色低碳发展。 9 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A（三）服务器及芯片企业服务器是数据中心的核心部分，在数据中心硬件设备耗电量中所占比重最高，而服务器能耗又以 CPU 为主，其主要设计厂商包括 AMD、华为、 Intel、NVIDIA 等，这些企业也通过多种措施，持续推动服务器及芯片行业的绿色低碳发展。 1．AMD AMD 为减少二氧化碳排放，最大限度地降低供应链对环境的影响，进行了一系列技术创新以适应芯片在各应用场景下的性能和节能要求。下表是 AMD 目前在运营、供应链和产品用途方面的目标和完成情况。数据中心层面，提出在2020 年到 2025 年内，将用于人工智能训练和高性能计算的 AMD 处理器和加速器的能效提高 30倍。表 2 AMD节能降碳目标及完成情况阶段运营供应链产品用途完成情况 2014-2020 年， AMD运营的温室气体排放量减少 38 与行业平均水平相比， 2020 年 AMD 晶圆生产的直接温室气体排放减少 73 2014-2020 年，移动处理器的能效提高31.7倍目标 2020-2030 年， AMD运营的温室气体绝对排放量减少 50 到 2025 年， AMD 制造供应商都公开温室气体减排目标，80的供应商都使用可再生能源 2020– 2025 年，将应用于人工智能训练和高性能计算的AMD 处理器和加速器的能效提高 30 倍除聚焦产品技术革新，通过提供医疗、教育、制造、科学研究和其他关键需求的高性能计算解决方案助力节能降碳外，AMD 也积极参与采购可再生能源、号召员工和供应商参与环保行动。 2020 年， AMD 在美国（ Green-E 认证风能）和中国（ iRECs 风能）采购了 3400 万千瓦时的可再生能源证书，占 AMD 全球能源使用量的 28，足以为美国大约 4420个家庭提供一年的电力。 10 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A2．IntelIntel承诺到 2040年实现全球业务的温室气体净零排放，并制订具体目标，以提升 Intel产品和平台的能源效率并降低碳足迹。将于 2030年，在全球业务中 100使用可再生电力，并投资约 3 亿美元用于设施节能，以实现累计 40 亿千瓦时的能源节约。能源使用方面， Intel 提出到 2030 年，水资源全部有效利用节约共 600亿加仑水资源、 100％可再生能源使用率、零废弃物填埋量 60％制造废物循环、节约 40 亿千瓦时能源。并且， Intel 已经开发出相关解决方案，可集成到现有的能源网基础架构中，打造可适应能耗需求不断变化的电网。技术升级方面， Intel 正与数据中心合作液浸式散热试点部署。该方案应用了新的原理，例如通过液浸式散热进行热量回收和再利用。温水态可捕获 IT设备所产生热量的 99，基本上没有能量损失。 Intel也开发了环保的可编程硬件和开放式软件，已在日本电信运营商 KDDI的 5G通信设施的数据中心内试验，使用的 Intel® 至强® 可扩展处理器、 Intel综合电源管理、人工智能功能，可根据需求调整功耗。 3．NVIDIA NVIDIA暂未公布实现碳中和的时间，但其为节能降碳做出了一系列努力。能源使用上， NVIDIA 计划到 2025 年，全球 100的电力使用来自可再生能源。技术革新上，加快研发 GPU并推广应用，其拳头产品液冷 GPU可加速提高效率，如果将全球所有运行 AI和 HPC的 CPU服务器换为液冷 GPU，每年可节省高达 11太瓦时的能源，相当于两座燃煤电厂的发电量，或道路上 170万辆汽车的消耗 1；同时，也可以节约用水和用电，在实验室中引入液冷 GPU，借助液冷技术，系统仅需对封闭系统中的少量液体进行循环利用。此外，同等性能，液冷 GPU 耗电更少， NVIDIA 估计，液冷数据中心的 PUE 可能达到 1.15，远低于风冷的PUE1.6。 1数据来源2 021 NVIDIA企业社会责任报告 11 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A4．华为自 2019 年华为提出 “ 让科技与自然共生 ” 的绿色环保理念以来，华为持续积极应对气候和环境挑战，基于 ICT 技术，重点围绕 “ 减少碳排放、加大可再生能源使用、促进循环经济”采取行动，用科技创新守护人类共同的家园。为全面减少碳排放，华为制定了绿色环保相关政策，主要涵盖绿色运营、绿色产品和绿色供应链。可再生能源使用上，一方面，华为在自身运营中持续加大引入可再生能源。另一方面，华为数字能源已助力客户累计绿色发电 4,829 亿度，节约用电 142 亿度，相当于减少 2.3 亿吨碳排放。技术升级上，通过芯片技术升级、光交换实现设备能效显著提升，传统架构中，光模块通过Serdes 与设备芯片连接，走线较长，功耗较大，共封装光学（ CPO）把光收发器与设备芯片集成在一个 CMOS衬底上，省去 CDR、DFE/CTLE/FFE 等功能，可有效提高能效，降低碳排放。 12 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A三、数据中心算力绿色低碳技术分析（一）服务器绿色低碳技术趋势服务器作为 IT基础设施中最基本的算力设备，需承担的计算量越来越大。服务器运算能力提升的同时，服务器能耗也在成倍增长，性能提升增加了服务器的处理能力，但能耗增长给数据中心的维护难度和支出成本都带来了不少的压力。从数据中心技术层面看，如何在计算密集型工作负载和低能耗运行的矛盾之间找到解决方案，如何在满足技术需求的基础上尽可能降低碳排放，业界开展了大量技术研究和探索。 1．整机柜技术整机柜服务器是按照模块化设计思路打造的服务器解决方案，系统架构由机柜、网络、供电、服务器节点、集中散热、集中管理 6个子系统组成，是对数据中心服务器设计技术的一次重大变革。整机柜服务器将供电单元、散热单元池化，通过节约空间来提高部署密度，其部署密度通常可以翻倍。集中供电和散热的设计，使整机柜服务器仅需配置传统机柜式服务器 10的电源数量就可满足供电需要，电源效率可以提升 10以上，且单台服务器的能耗可降低 5。当前，无论是互联网还是传统行业，超大规模还是中小规模，数据中心都面临有限空间、高效交付、便捷运维等挑战，作为服务器产品的新型交付形态和解决方案，整机柜产品可利用自身特性应对挑战。整机柜服务器的节能优势主要体现在两个方面散热方面，单机配置独立风扇进行散热。单台机器一般配置 6 个系统风扇来保障散热， 48台服务器所需要的风扇数量将达到 288个，通过集中散热，将每个服务器节点的散热风扇移除，整合成一个散热风扇墙，布局在整个机柜的后部，48 个节点仅需 18个风扇，数量减少 93以上，散热功耗降低 25以上。电源方面，以单机作为服务器的最小组成单元，考虑系统的供电冗余，需要配置双电源模块以支撑。按照 48 台传统机架服务器来计算，需要 96 个电源 13 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A模块来实现双路供电，供电配置过高造成电源负载率过低，使得电源转换效率仅能达到 85左右，集中供电，单个机柜仅需 8 个 2400W 电源模块，即可满足48 节点的供电，转换效率高达 94，减少 90的电源数量，供电系统效率提升9。 2．液冷技术液冷服务器技术是采用特种或经特殊处理的液体，直接或近距离间接换热冷却芯片或者 IT 整体设备，具体包括冷板式冷却、浸没式冷却和喷淋式冷却 3 种形态。液冷服务器可以针对 CPU 精确定点冷却，精确控制制冷分配，能真正将高密度部署带到前所未有的更高层级（例如 20kW100kW高密度数据中心），是数据中心节能技术的发展方向之一。液冷散热的优点主要有一方面风冷限制了单机箱功率密度增长，而液冷可大幅增加单机柜部署密度，节省机房空间；另一方面液冷配置能大幅提高散热效率，降低数据中心 PUE。3．高密技术数据规模的持续增长及土地、电力资源集约化发展推动高密度数据中心发展。通过扩大机架和服务器规模来提高算力会导致数据中心运营成本的增加和数据中心场地空间的浪费。尤其在发达地区，这种扩大规模的建设模式难以实施，建设高密度数据中心成为推动数据中心算力提升的重要举措，高密度数据中心能够进一步增加数据中心功率密度和数据中心 “ 每平方米 ” 的计算能力，更好地满足大数据场景下的计算与存储需求。高密度服务器部署将显著提升数据中心单位面积算力，降低数据中心运营成本。建设高密度数据中心的关键是部署高密度服务器，一方面降低了机体的重量和空间占用，提升数据中心单位面积算力，另一方面能够提升电源和散热系统的使用效率，降低数据中心运营成本。目前，IBM、思科、华为、浪潮、曙 14 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A光等国内外知名的互联网硬件厂商纷纷加速推进高密度服务器的产品设计与市场布局。（二） CPU 绿色低碳技术CPU是服务器中的核心部件，一方面，服务器能耗 70来自于 CPU，其自身能源消耗量较大；另一方面， CPU 的能耗将影响其他辅助设备，研究发现服务器 CPU能耗降低 1W，由此带来自身及其他相应辅助设备的总能耗将降低 2.84W。如图 1 所示，我们可以从 CPU 出发，深入分析 CPU 绿色节能技术，以达到节能目的。数据来源服务器各部件功耗以及节能技术 2图 1 CPU能耗路径1．CPU 产品设计节能减排实现低功耗必须采用覆盖技术、设计、芯片架构和软件的全面性方法。目前，业界最低功耗的处理器和系统级芯片开发人员不仅透过最佳化架构和材料来实现优势，也采用协同设计封装、电源、射频电路和软件来降低功耗。在 CPU 产品设计阶段，协同设计成为发展趋势。设计的第一步是从性能和功耗出发，来确认产品的目标，并选择适合的制程技术，电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA ）工具或将成为实现功耗目标的关键，2童琳.服务器各部件节能技术分析[J].通信与信息技术,20150386-88104. 15 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A但传统 EDA 工具进行功耗估计只在接近设计周期结束时才比较精确。未来，须在设计周期初期便进行精确的功耗估算。在芯片设计时采用更高迁移率的新材料也能降低功耗，如在标准半导体产品线中加入磁性材料，使用碳纳米管和石墨烯等新材料等。 Enpirion 公司在其半导体产品线中导入磁性材料，通过整合不同的金属合金，磁性材料可在很高的频率下执行作业，同时还能保持高能效。 Semiconductor Research 公司资助IBM和美国哥伦比亚大学共同进行了一项研究计划──将电感整合于处理器上。这项研究可以透过芯片稳压功能在奈秒级时间内调节供电电压，实现工作负载匹配，因而使能耗降低。乔治亚理工学院 Georgia Tech的实验室中证明石墨烯的互连性能超过铜。 IBM 公司研究表明使用碳纳米管或石墨烯材料，可制造出低功耗、超高速的电晶体。 2．CPU 生产工艺节能减排CPU 生产的工艺过程包括硅原料提纯、切割晶圆、影印、蚀刻、重复和分层、封装、测试。硅提纯是将原材料硅熔化，放进石英熔炉并加入晶种，以形成单晶硅。切割晶圆是将硅锭造整型成圆柱体再切割成片状的晶圆。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的 CPU 成品就越多。影印是用紫外线通过印着 CPU 复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解，不需要被曝光的区域被遮罩遮蔽。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合大镜头，短波长的光透过石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变区域导电状态，以制造出 N 井或 P 井。重复、分层是加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构，重复多遍即可形成一个 3D 的结构。封装是将晶圆形态的CPU 封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，以便被安装到电路板上。最后是对 CPU进行多次测试，以检查是否出现差错，以及这些差错出现的步骤。生产环节的节能技术主要以下两个热点。 16 数据中心算力碳效白皮书 ODCC-2022-0500A1 先进工艺制程制程是指特定的半导体制造工艺及其设计规则。不同的制程意味着不同的电路特性。通常，制程节点越小意味着晶体管越小、速度越快、能耗表现越好。我们常说的 7nm，3nm 等，是指的晶体管内部控制电子流动的栅极长度。一个晶体管是由源极source 、漏极Drain 、栅极Gate组成，电流从源极经栅极流向漏极，就代表晶体管导通，栅极就是控制导通与否的开关。而先进的制程就是将这个开关做的尽量窄，当栅极做窄之后，所需要的控制电压对应也会降低，从而整体降低了晶体管开关的功耗以及发热问题。目前， Intel 仍在使用 14nm 工艺， AMD 则使用了更为先进的 GlobalFoundries 的 12nm 工艺和台积电的 7nm工艺。采用 7nm 技术意味着 AMD 可以构建更廉价、更快、更密集的芯片，集成更多核心的同时依然保持功耗在特定的范围内。 2 先进封装技术随着集成电路的集成度和复杂度不断提高，传统的片上系统（ System onChip，SoC ）的设计和制造费用急剧攀升，导致摩尔定律难以维持，先进封装技术 chiplet 受到更多人的重视，该技术具有高效率、规模化程度高的特点，可以在降低生产成本的同时，提高芯片运转过程的工作速度。 Chiplet 技术是 SoC 集成发展到一定程度之后的一种新的芯片设计方式，它通过将 SoC 分成较小的裸片，再将这些模块化的小芯片（裸片）互联起来，采用新型封装技术，将不同功能不同工艺制造的小芯片封装在一起，成为一个异构集成芯片。目前，各芯片厂家针对 Chiplet技术都有一定研究。Intel 公司 2019 年利用一种名为 Foveros 的芯片互连方法，推出了 3DCPU 平台，为 CPU 处理器引入 3D 堆叠设计，可以实现芯片上堆叠芯片，而且能整合不同工艺、结构、用途的芯片。 17 数据中心