綠色算力

浪潮信息中國信息通信研究院(以下簡稱中國信通院)聯合發布了《綠色算力白皮書》(以下簡稱《白皮書》),對綠色算力的內涵和關鍵技術、政策背景、必要性、標準與評測方法、發展趨勢和建議等予以全面闡釋。這是業界首個面向以伺服器為核心的綠色算力研究報告,將有效推動綠色節能伺服器設計與相關評測標準的發展,並為用戶選擇最優綠色算力平台提供重要參考依據。

綠色算力是衡量計算系統從部件到整機到上層套用全堆疊的計算能效,主要是通過對伺服器系統的升級、改造,使用創新的綠色算力設計方案,智慧型部件管理技術助力節能減碳,創新性整機系統設計,液冷技術理念成熟,整機櫃設計得到廣泛認可等措施來實現

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關鍵技術

綠色算力是衡量計算系統從部件到整機到上層套用全堆疊的計算能效,主要是通過對伺服器系統的升級、改造,使用創新的綠色算力設計方案,智慧型部件管理技術助力節能減碳,創新性整機系統設計,液冷技術理念成熟,整機櫃設計得到廣泛認可等措施來實現。通過對伺服器系統的升級、改造,使用創新的綠色算力設計方案,不但能夠實現系統低功耗,而且還能實現整機碳排放大幅降低。另外,通過使用液冷技術和整機櫃設計方案,不僅大幅降低了算力中心的能源消耗成本,而且能夠大大減少機房占地面積。在實際套用中,可以通過負載最佳化使伺服器工作在高能效狀態,對伺服器待機進行最佳化;同時通過創新性散熱設計,對風扇入風處風流做整流處理,加大波導網厚度可進一步提高空氣壓力。液冷技術的成熟推動液冷伺服器的快速發展,加速液冷算力中心的普及。整機櫃設計得到廣泛認可,助力高密算力中心節能減排。

必要性

算力作為推動數字產業發展的主引擎,已經成為目前國際競爭中最重要的戰略資源之一。全球超大規模算力中心的數量在持續快速增加,至2035年,超大型算力中心能量消耗將達到500兆瓦,約等於半個核電站的裝機容量。在我國,算力需求同樣高速增長,適當超前部署算力基礎設施成為重要的應對策略。但目前存在的難題是算力中心電能消耗過大,數字經濟發展激發算力需求,與其相應的是算力中心為代表的算力基礎設施對能源需求的增長同樣迅猛,算力中心規模與功耗密度不斷提高。而發展綠色算力可以從提升算力和減少碳排出發,進一步實現資源利用最大化並減少對環境造成的負面影響。在構建高效算力中心和助力傳統產業轉型升級方面,綠色算力可以提高能源使用效率和減少浪費來減少溫室氣體排放,進而推動信息產業提升、經濟社會進步的可持續性。在降本增效方面,採用集約的綠色算力、高能效的 AI技術可以實現更低的碳排放,並且在保證了企業的環保合規前提下投入更低的碳排處理費用。從國家層面來看,發展綠色算力可以保證碳排不增長或者少量增長的前提下實現算力的大幅提升,促進國民經濟平穩增長。

評測體系

“綠色算力評測體系”將數字計算的低碳方案直接定位到伺服器單元,從數據中心基礎單元出發,關注產品在使用周期內的算力碳排比,定義伺服器在各業務場景下的算力和碳排評估方案。
綠色算力評測體系是衡量伺服器在使用周期內的算力和碳排水平的重要標準。它能夠直觀展現伺服器的碳排放及算力水平,考慮到用戶的使用場景不同,壓力負載應保證多樣化,以覆蓋不同負載下的套用場景與壓力值進行負載規劃。
綠色算力評測體系設計應滿足以下要求:
壓力負載應保證多樣化;
確定壓力值時,不能以固定壓力值下的碳排水平去評判,待機、低負載、較高負載、極限負載等場景都應該納入考量;
評估各評測場景得分比重時,應結合多數用戶日常使用場景,為用戶提供不同壓力值下伺服器的碳排水平;
應支持不同硬體平台,減少用戶的部署安裝使用難度;
評測工具應以完整封裝方式提供用戶使用。綠色算力評測體系的意義在於有利於高質量設計及規劃、有利於各部件的全棧最佳化、有利於智慧型基礎軟體的發展以及有利於細化算力場景,減少算力資源浪費;
綠色算力評測拓撲結構
綠色算力
綠色算力評測拓撲結構
綠色算力評測框架
綠色算力
綠色算力評測框架
綠色算力評測集
綠色算力
綠色算力評測集

綠色算力計量

綠色算力(GrCC(Green Computing Carbon))單位定義:算力除以碳排放,數據相對值越高,表示評測機在單位碳排放下能夠輸出的算力越高,伺服器更“綠色”。 以GrCC的結果作為綠色算力的計量標準,
計算邏輯為:由總到分,GrCC由通用算力類(Eff Compute)、數據存力類(Eff Storage)、AI算力類(Eff AI)三大評測場景通過加權幾何平均值計算得出,而每類評測場景的綠色算力(Effworkload)由各自工作負載的綠色算力(Effworklet)進行幾何平均值計算得到,每個工作負載的綠色算力(Effworklet),由各壓力值下的單位碳排算力(Effload)進行幾何平均值計算得到,每個單位碳排算力(Effload)由性能值、功耗值、電力碳排放因子、評測時長來計算得到。
計算公式如下:
單位碳排下提供的算力Effload,按照公式(1)計算:
Effload = Per/(Pw*CEF*T) (1)
Per為每個負載每個壓力值下的性能數據;
Pw為該壓力值下對應的整機功耗數據;
CEF為電力碳排放因子,指單位電量的碳排放水平,排放因子法是目前適用範圍最廣、套用最為普遍的方法。2022年度工信部核算值為0.5810 tCO2/MWh;
T為單負載單壓力值評測時長,評測記錄該壓力值開始運行時間tb和結束時間ts,T=ts-tb;
每個工作負載的綠色算力Effworklet,按照公式(2)計算:
Effworklet = exp(1/n×Σni=1ln(Effload i))×1000 (2)
i表示工作負載對應的第幾個壓力值;
n表示每個工作負載下一共有幾個壓力值;
乘以1000是為使得分方便閱讀及計算;
每個工作負載下對應的不同壓力值預設如下表:
綠色算力
工作負載下對應的不同壓力值預設表
每個評測場景的綠色算力Effworkload,按照公式(3)計算:
Effworkload = exp(1/m × Σmi = 1ln(Effworklet i)) (3)
i表示每個評測場景下的第幾個工作負載;
m表示每個評測場景下一共有幾個負載;
每個評測場景下對應的工作負載數量預設如下表:
綠色算力GrCC(Green Computing Carbon)按照公式(4)計算:
綠色算力
評測場景下對應的工作負載數量預設表
GrCC = exp((0.5 * ln(Eff Compute) + 0.3 * ln(Eff Storage) + 0.2 * ln(Eff AI) ) (4)
其中,Eff Compute、Eff Storage、Eff AI權重為: Eff Compute:50%,Eff Storage:30%,Eff AI:20%;

發展趨勢

綠色算力的實現主要有兩個方向:降低算力平均能源消耗和提升計算效率。基於此目標,綠色算力的發展呈現三個趨勢:算力技術將成綠色算力落地新機遇,算力服務逐步普及將極大提升算力利用效率,人工智慧技術在綠色算力、算法效果逐步顯現。
針對綠色算力發展現狀,為引領算力領域走向高效、低碳、集約、循環的綠色發展道路,建立碳達峰和碳中和有效路徑,推動全行業低碳轉型綠色化發展,提出以下建議:做強支撐,提升異構算力套用水平;協同發展,保障域內域間算力按需調度;科創賦能,推動綠色算力技術成熟;凝神聚力,打造標準化綠色算力路線。

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