绿色算力技术创新发展态势分析_绿色算力技术创新发展态势分析

通信世界网消息（CWW）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。工业和信息化部等六部门发布《算力基础设施高质量发展行动计划》，提出“提升资源利用和算力碳效水平”“引导市场应用绿色低碳算力”“算力赋能行业绿色低碳转型”等多项要求。中国信息通信研究院（以下简称“中国信通院”）云计算与大数据研究所数据中心部在深入研究算力行业技术发展与创新趋势，总结绿色算力在新技术、新产品、新解决方案落地应用上的积极进展之后，编制了《绿色算力技术创新研究报告（2024年）》，以期为我国算力产业绿色高质量发展提供有益参考。

绿色算力发展态势

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，把自然资源、环境资源作为算力发展需要考虑的关键，把经济效益、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”绿色发展共识。

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、核心算法等多个方面，并需要考虑碳排放、水资源、废弃物、土地、生态系统等多种资源。

在政策方面，从《关于数据中心建设布局的指导意见》提出充分考虑资源环境条件，到《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》引导数据中心向新能源发电侧建设，再到《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，可以看出我国算力绿色发展的侧重点，正逐步从数据中心布局绿色转向全产业链条绿色。

在产业方面，随着算力应用场景不断拓展，算力需求愈发旺盛，据中国信通院与开放数据中心委员会最新测算，截至2023年底，全国在用数据中心机架总规模达到810万架，我国算力总规模达到230EFlops。此外，我国算力市场具有产业链条长、参与主体多、应用范围广等特性，企业在面对效益和成本的现实需求时，纷纷转向绿色技术和管理创新，追求节约资源和提高能效。

1996年以来，绿色算力经历了初级阶段、起步阶段和发展阶段。当前，我国及部分先进国家正处于发展阶段，算效（CE）、算力碳效（CEPS）等性能评价指标被相继提出，企业已经将绿色意识与业务发展深度结合。未来，绿色算力将进入成熟阶段，绿色算力技术也将全面普及并赋能千行百业。

全局性、先导性以及长期性是绿色算力具有的属性特征。算力与绿色发展的深度融合，既需要产业外各相关体系协同联动，又需要产业内各领域间汇聚合力。绿色算力产业关联系数大，技术连带功能强，可有效带动数字经济发展。此外，算力实现全面绿色发展是一项长期的综合性任务，需要稳扎稳打、循序渐进。

近年来，我国发布的多项推动数据中心发展政策都将“数据中心绿色低碳等级4A”作为标准。为了更好地推进我国算力基础设施绿色低碳高质量发展，中国信通院联合多家企事业单位编制了《互联网数据中心（IDC）技术和分级要求》（GB/T 43331-2023）国家标准，规定了IDC在绿色、可用性、安全性、服务能力、算力算效、低碳等六大方面的技术及分级要求。同时，开放数据中心委员会联合中国信通院积极开展“数据中心绿色等级认证”“数据中心低碳等级认证”等DC-TECH等级系列认证，其含金量和公信力已受到业界的广泛认可。

绿色算力设施层技术创新

算力设施为IT及网络设备提供基础的动力来源、能源配送和可靠性保障，供配电系统、储能系统、制冷散热系统是算力设施绿色创新技术发展的关键。

数据中心主要依赖电力驱动，因此，稳步提升太阳能、风能、水能等可再生能源电力在数据中心的应用是算力绿色发展的关键。一方面，可以从源头上将数据中心所需的驱动电力替换为可再生能源电力，不断扩大可再生能源的消纳比例和规模，探索“源网荷储”模式，逐步实现“碳中和”或者“零碳”。另一方面，通过创新供电模式减少传输损耗，缩短电力传输路径，节能增效。例如，“一路市电+一路高压直流”相结合的模式，可以使供电效率提升，在负荷侧就近建立电源供电，有效缩短“源”“荷”距离，减少传输损耗。

储能技术是推动算力在设施层实现绿色转型的重要因素。储能可分为数据中心级储能和数据中心内储能，不同的储能部署方式可满足数据中心多样储能需求。储能介质以及储能材料在绿色低碳产业趋势下，也要具备安全可靠、性价比高、环境友好、循环寿命长等优点。但是目前寿命短、能量密度低、可造成环境污染的铅酸电池仍是提供短暂供电的主要后备电源，因此锂电池储能成为数据中心主要探索的方向。

制冷系统是数据中心除IT系统外最大的耗能单元，是影响数据中心高效节能的重要因素。数据中心运营方应根据数据中心环境情况以及自身规模充分利用自然冷源制冷，减少和避免使用机械制冷。同时，液冷作为数据中心新兴制冷技术，实现了服务器高效散热，能够有效满足发热量大的元件及高功率密度机柜的散热需求，大幅减少数据中心能耗。除此之外，余热回收作为有效的能源节约手段，也有着广泛的应用前景。

针对基础设施绿色技术创新，中国信通院依托开放数据中心委员会的“冰河”项目组，牵头制定了我国数据中心液冷领域首批通信行业标准，涵盖冷板式、浸没式等主要液冷方式的设计、实施、运营等环节技术要求和测试方法，有效填补了数据中心液冷领域的标准空白，对于企业应用液冷技术及我国液冷行业的有序建设具有重要指导意义。

绿色算力设备层技术创新

算力设备是算力产生的源头，包含了计算、存储等IT和网络设备，以服务器、芯片为核心部件，实现对数据的处理与输出。针对算力设备的绿色技术包括服务器计算高效、存储先进、网络传输无损等。

服务器承载数据处理和结果输出的功能，是算力供给的核心装备，也是数据中心最主要的耗能设备。从指令集架构、产品形态等维度对服务器进行工艺和产品创新，可以实现高效节能。

存储设备随着数据产生量的激增也面临着巨大挑战，高性能、低能耗的存储需求逐渐攀升。数据分级、冷热数据分治、优化存储设计成为降低单位容量数据成本和功耗、提升数据存储效率和密度的有效方式；存算分离架构、高密度设计以及风液冷融合设计都可以大幅降低能耗；数据融合技术、软件编码技术和数据重删技术也是业界研究的绿色技术方向。

打造无损高效的网络运载服务能力，是保障算力的传输和供给、实现绿色低碳的重要部分。部署超低损耗光纤、实现全光接入网络覆盖是降低损耗、提升网络传输效率的关键。此外，通过网络动态适配技术和网络弹性智能技术，可优化网络资源利用，减少能源消耗。

对于算力设备层的绿色技术，中国信通院具有完备的测试能力。针对产品级测试，中国信通院依托开放数据中心委员会和国家市场监管重点实验室联合发起“算力强基行动”。“算力强基行动”涵盖“计算、存储、网络、其他”四大方向，构建起目前业界完整权威的产品测试体系。

针对数据中心级的能力认证，中国信通院联合开放数据中心委员会积极开展了“数据中心算力等级认证”“数据中心存力等级认证”“数据中心智能化运行等级认证”，推动算力、存力与智能化水平协调发展。

中国信通院在2022—2023年先后发布了《中国算力白皮书》《中国存力白皮书》和《中国运力白皮书》，分别聚焦算力、存力和运力的技术发展和产业趋势，为我国算力发展规划提供了重要参考。

绿色算力平台层技术创新

算力平台是以算力设备为基础，集成了操作系统、应用程序、算法等多样化工具和软件，为业务提供算力的平台。可通过全局资源调度优化技术提高算力利用效率，结合产品开发简化和资源监测评估智能化等技术，实现算力平台层面的绿色低碳发展。

新型计算架构提供了一种可扩展和适应不断变化的硬件、软件环境的方案，通过屏蔽异构硬件差异，减少用户跨架构编程的重编译和迁移代价；提供统一异构硬件开发工具，以及便捷化业务开发和部署方式，如无服务器与人工智能工具可帮助简化产品开发，实现算力资源高效利用。

算力平台的能效监测与评估功能用于监测、管理能源消耗和碳排放，旨在保障数据中心及算力设备的资源利用效率，同时降低碳排放，实现绿色、低碳、可持续的运营效果。其中，资源和碳排放监测是实现低碳运营的基础，能效分析和人工智能调优是实现低碳运营的关键，在综合分析数据中心的能源效率和性能情况的基础上，利用人工智能技术作出更优的资源分配和调度决策。

目前，中国信通院正在编制算力应用平台的计算效用提升评价标准及CPU利用效率指标评价方法，以期在软件层面建立算力利用效率评价体系。

绿色算力技术赋能经济社会发展

随着经济社会对算力的需求与日俱增，能耗和环境压力也随之而来，亟需采用绿色算力创新技术以降低成本、提高效率，实现经济社会高质量发展和绿色转型同步进行。

随着AI的蓬勃发展，信息通信行业对算力和能源提出了更高的需求，建立兼顾性能和能耗的绿色算法度量标准，构建绿色集约的大模型成为行业绿色高质量发展的必然要求。此外，工业、智慧城市等也成了重要的应用场景。绿色算力技术和工业互联网平台融合协同，一方面可以助力工业提质增效；另一方面，绿色随算力流动，融入全产业链，为降低产业能耗和碳排放提供新思路。智慧城市建设也成为多地的重点工作，智慧交通、智慧水务、智慧旅游等场景的应用离不开绿色算力的支持。

在算力赋能方面，中国信通院也拥有相应的“算力赋能等级认证”。该认证针对数据中心的服务品质评价、服务支持评价及赋能的实际成效等维度，对数据中心自身在对外赋能时的能力与价值进行分级认证，以期助推算力赋能千行百业转型升级。

对绿色算力发展的展望与建议

为实现绿色算力的高效发展，政策引导与技术创新缺一不可，前瞻性政策为绿色算力发展明确方向并提供有力保障，技术的不断创新为绿色算力的实现提供强大动力。

加强绿色算力政策保障

构建高效协同的绿色算力技术产业生态，支持算力企业提升自主创新水平，加大研发投入，提升核心技术竞争力。要建立和完善绿色算力标准体系，推进标准在算力基础设施等相关重点企业和重点领域中的应用。夯实绿色能源底座支撑全面夯实绿色算力底层基础，引领算力能源供给侧关键核心技术创新，支持数据中心等用能主体加快提升新能源用电比例，加快以数据中心为负荷的“源网荷储”一体化研究和实践探索。

巩固绿色设备技术创新

继续巩固算力设备绿色化发展基础，鼓励绿色新技术研发和实践应用，支持深度应用冷板式、浸没式液冷服务器，推动研发高性能的AI芯片，使用先进闪存介质，探索存算分离架构及高密存储，降低设备层面的能源消耗。

聚焦绿色平台能力建设

关注软件和平台技术，充分激发硬件的性能，结合人工智能技术实现算力在时间和空间上的可调可控，进一步优化平台算法策略和参数设置，降低代码运行能耗。深入挖掘应用场景价值。

继续拓展算力在数字经济、数字社会上的赋能范围，促使产业上游供给绿色算力以满足业务需求，引导应用方和消费者在日常生活中选择绿色算力以促进生产，从而在全产业链实现绿色低碳。

中国信通院云计算与大数据研究所数据中心部将继续在政策支撑、标准制定、技术研究、能力测试、生态构建和产业推进等方面开拓进取，向着既定目标迈出坚实步伐，推动绿色算力产业高质量发展！

*本文刊载于《通信世界》

总第940期 2024年3月25日 第6期