【行业研报】中国绿色算力发展研究报告（2023年）_市场营销策划_重点报告20230704_doc.docx

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1、CAICT中国信通院m蓝皮报告1中国绿色算力发展研究报告（2023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管理委员会2023年7月一、绿色算力即算力的绿色低碳追求（-）绿色算力的内涵及价值建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎，作为一种新型生产力，算力已成为推动数字经济发展的核心力量，正强有力地支撑数字中国建设。当前，算力已广泛融合到社会生产生活的各个方面，为千行百业的数字化转型提供基础动力，是当今社会的核心资源，也是支撑经济社会加速数字化转型的重要底座。享受算力带来高价值驱动力的同时，也不能忽视算力背后的高能耗问题。据国家发展改革委高技术司公布数据显示，我国数据中心年用

2、电量已占全社会用电的2%左右，且该占比仍在快速增长。绿色算力，即算力的绿色低碳追求，是算力高质量发展的重要目标，可通过推进算力生产、算力运营、算力管理、算力应用等层次的绿色化来实现。推进绿色算力发展，具有重要战略意义。第一，发展绿色算力，将致力于在算力供给侧各层次推进绿色低碳化，这也是算力持续高能耗形势下的必然选择。第二，发展绿色算力，将致力于进一步降低算力成本，通过构建公共算力服务平台，加强数据、算力和经济之间的协同联动，从而有效赋能千行百业绿色化转型升级，促进数字经济的可持续发展。第三，发展绿色算力，是信息通信行业践行国家双碳战略、落实节能降耗的关键举措之一，可为民众营造更好的生活和生态环

3、境。（二）绿色算力发展E1I1框架结合绿色算力的内涵和特点，本报告围绕算力生产、算力运营、算力管理、算力应用四个层次，建立绿色算力高效（EffiCient）、低碳(1owcarbon)、智能(Inte11igent)、集约(Intensive)发展的E1II*妁IntCnMVe框架。旨装Inte11igent进行数据处理的存内计算，以及以GPU、NPU、TPUDPU等异构芯片为代表的异构计算，有望突破冯诺依曼架构，成为绿色算力落地的关键技术。算力规模、算效是算力生产高效性的核心指征。CP(Computiona1Power)即算力规模，指区域内计算设备产生的算力总规模，一般单位为FIOPSoCE

4、(Computiona1Efficiency)即算效，指IT计算设备的算力效率，表示单位能耗可产生的算力规模，一般单位为Fk)PS/W。图1绿色算力发展E1n框架1算力生产绿色化：高效算力生产绿色化，主要指算力生产IT计算设备运行的高效化，通过提升底层软硬件架构计算的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。算力生产的高效主要通过工艺技术进步、ChiPIet（芯粒）封装以及架构创新提升单芯片性能（芯片层），运用存算一体、网络存储融合等技术促进计算存储网络协同（系统层），以及通过异构计算资源池化实现计算平台统一调度（平台层）等方式来提高算效。在摩尔定律下的集成电路尺寸微缩提升了

5、单位面积的晶体管密度，从而提高了单芯片算力，但随着器件尺寸逐渐逼近物理极限，后续很难继续通过提升芯片面积和晶体管集成度来增加算力。同时，传统冯诺依曼存储墙与功耗墙瓶颈无法满足未来的应用需求，而直接利用存储器本身2 .算力运营绿色化：低碳算力运营绿色化，主要指算力运营层面用能的低碳化，包括用能源头方面提升可再生能源利用率与推进能源循环利用，以及能源使用方面通过运用新技术持续优化能源使用效率，是支撑算力规模化、绿色化发展的关键所在，也是绿色算力在能源消耗口观层面的集中体现。用能源头低碳化，包括绿电交易、绿证购买，采用分布式电站就近消纳及集中式绿电发电站供电，绿电直供或混合供电，以及推进资源及能源的

6、循环利用。绿电交易是“证电合一的交易，购买绿电时可以取得电能使用权和绿色电力证书；绿证交易是“证电分离”的交易，用户可以单独购买绿证，以获得绿色电力消费证明。部署分布式光伏发电，实现就近消纳绿电，降低运行成本、提高用能的安全性和可靠性。集中式绿电发电站供电，主要通过电网公司的电网将大型新能源发电站的清洁能源输送到用电侧来实现电力脱碳，主要有集中式风电、集中式光伏发电等。推进资源及能源的循环利用，包括水资源回收利用、余热回收利用、电子设备回收利用等，将废弃的可循环利用资源进行二次或多次利用。CEF(CarbonEmissionFactor)即碳排放因子，是用能源头低碳化的核心指征，指单位能耗对应

7、的碳排放量，一般单位为tCCh/MWh。能源利用低碳化，主要是优化电能使用效率。随着数据中心信息设备高密度集成化，信息设备产生的热量在不断增加，而数据中心的空调制冷占数据中心总功耗的10%50%,因此降低数据中心的空调耗电量可以有效的优化电能使用效率。当前，液冷技术是当下最有效的散热技术，其原理是通过利用液体的高热容和高热传导性能，将信息设备产生的热量传递到液体中，然后通过液体的流动将热量带走。尤其是浸没式液冷，将发热元器件完全浸没在电介质流体中，依靠冷却液吸收热量，替代冷空气给信息设备降温。相对于直接用电制冷散热，采用液冷技术不仅节约能源消耗，而且还有效地减少用电制冷过程中34倍的碳排放，从

8、而达到算力运营的绿色化。PUE(PowerUsageEffectiveness)即电能使用效率，指数据中心总能耗与IT负载能耗的比值，其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗，其值大于1,越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好。3 .算力管理绿色化：智能算力管理绿色化，主要指算力管理调度层面的智能化，依托算力网络对分散、异构的算力进行智能感知、连接和统筹调度，实现绿色算力资源的配置优化，是当前算力绿色化发展正努力实践的方向。算力管理智能化，主要包括算力调度、算网协同。算力调度实现算力区域布局优化，使算力任务倾向于能源供给绿色化和气候寒冷PUE值低的区域。算力调度是算力

9、网络的大脑，主要通过区域布局和结构调整进行全网异构算力资源的优化整合、智能编排、弹性调度，有序引导不同算力需求向相应区域合理布局和迁移，协同解决算力资源结构性失衡问题，实现总体时空布局优化和成本优化，进一步提升算网资源利用率。算网协同实现算力供需精准匹配。算网协同是算力网络的神经中枢，通过感知应用及算力，算网协同对算力进行灵活匹配、动态调度，最终将任务路由到合适的目标计算节点，实现算力与需求精准匹配，最终构建数据、计算资源、网络的一体化服务，直接通过网络调用接入的各类算力资源，实现一站式的算力服务。4 .算力应用绿色化：集约算力应用绿色化，主要指算力赋能应用的集约化，通过构建公共算力服务平台，

10、进一步降低算力成本，并深层次融入支撑应用需求侧业务，推进应用需求侧的绿色化改造与升级，其本质是推进算力基础设施的可持续发展，也是绿色算力发展的重要延伸。算力应用集约化，包括公共普惠算力服务提供与推进需求侧降本增效。能源利用效率和算力能效水平提升，在支撑产业发展方面将起到关键作用。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

11、与普惠性进一步带动数字化转型和智能化升级。二、全球绿色算力发展进入起步期(-)算力生产绿色化技术产品加速迭代世界各国加快出台算力政策推动算力生产技术的高效演进。美国在2023年出台2023年芯片和科技法案，为行业提供527亿美元，用于半导体制造、研发和劳动力发展。同年还更新了关键和新兴技术清单，新版关键和新兴技术确定了包括超级计算、边缘计算、云计算、数据存储、计算架构、数据处理和分析在内的先进计算技术领域列在了首位。欧盟在2023年出台了芯片法案，以提升欧盟在全球的芯片生产份额。日本发布了下一代计算平台开发战略、量子技术创新战略等，在国家层面开展算力生产的统一研发部署。围绕算效的提升，科技龙头

12、企业加快产品迭代升级。在单芯片性能提升方面，目前台积电和三星均已进入到3nm制程工艺时代，与5nm工艺相比，台积电3nm工艺的晶体管逻辑密度可以提升1.7倍,性能有11%的提升。而在同等性能下，3nm工艺的功耗比5nm降低25%-30%o英特尔的POnteVeCChio加速卡利用ChiP1et技术，即片内互连技术，将不同工艺下制造的多个芯片封装集成到同一芯片中，晶体管数量突破IO(X)亿个，使异构计算利用不同架构芯片形成更高效的解决方案成为了可能。计算存储网络协同方面，当前存算一体技术正在由研究领域逐步进入商用化，在云端计算的应用场景，存算一体方案主要是围绕将计算和DRAM集成做创新，以降低内

13、存访问的数据量和延迟。三星基于其HBM2DRAM技术集成了计算逻辑，使得DRAM既可以当作一块普通存储器来用，也可以在写入和读出的同时让计算逻辑去做计算。存储与网络的融合也在日益加深，通过存储网络新兴技术，有效提高主机通过远程网络访问存储的性能，解决通信协议带来的存储性能损失问题。计算平台统一调度方面，主要通过跨计算架构的统一编程框架来实现，通过时间或空间的切分和复用，以及虚拟化、算力网络等技术，实现硬件资源池化重构。英特尔推出跨架构编程工具oneAPI,旨在简化跨架构之间的编程，可以与英特尔自身设备及其他厂商的芯片配合使用,以优化工作负载，为异构计算提供了统一和简化的应用程序开发编程模型。（

14、二）算力运营绿色化建设布局全面提速全球各国统筹协调可再生能源供应与算力低碳发展。美国制定了数据中心整合计划（DCoI）,以优化现有的数据中心能源效率为目的，通过整合和重组等各种途径方式来减少能源消耗，并设定了具体的优化值和目标，从而实现低碳发展。欧洲气候中立数据中心公约提出，到2025年欧洲数据中心使用可再生能源电力要达到75%,到2030年达到100%。日本制定绿色增长战略,明确在2030年之前，将新建数据中心的能耗降低30%以上，并将日本国内数据中心的部分电力转换为可再生能源。此外，日本还在2023年出台了能源合理化使用和非化石能源转换法，要求运营商提高包括空调等在内的数据中心设施和设备的

15、能源消耗效率，降低PUE值。德国在2023年出台了能源效率法案，要求2026年7月开始投入使用的数据中心必须将PUE控制在1.3以下，同时对一定规模以上的企业按要求披露废热及PUE等相关信息。美国数据中心可再生能源的利用走在世界前列，特别是互联网、消费电子等行业巨头。根据标准普尔全球报告数据，美国数据中心运营商消耗了美国企业可用可再生能源的2/3o亚马逊、苹果、谷歌、Meta、微软、IBM等公司致力于碳中和或碳负战略，全球大型数据中心正朝着使用100%可再生能源运行的方向迈进。目前，企业所有数据中心均使用100%可再生能源运行的情况仍然少见，但一些企业脱颖而出。作为全球最大的可再生能源企业采购

16、商，亚马逊的可再生能源比例达到65%o微软2023年签署了一项购电协议，为其爱尔兰数据中心园区提供900兆瓦的风能和太阳能。SWitCh是一家数据中心运营企业，自2016年以来，其所有4个数据中心均使用可再生能源运营。聚焦优化PUE能效，全球各国的数据中心在因地施策。位于北美洲的谷歌数据中心，通过创新的市电直供、热空气隔离、水侧节能等技术和大量的运营优化，成功地将PUE值降低到1.12o同时，利用深度学习算法不断跟踪IT设备能耗、室外气温以及制冷等设备的设置情况，每30秒就计算一次PUE,依托机器学习对PUE进行研究，建立模型并预测和改善数据中心的能效情况。靠近瑞典北部的北极圈数据中心（Meta）,通过数个巨型风扇引入室外极地的自然冷风为服务器降温，形成自然冷却，PUE能效值基本维持在1.1以下。位于亚洲的新加坡微软数据中心，通过进一步净化处理水产生的再