研究报告全文：可持续计算蓝皮报告2022年中国信息通信研究院泰尔系统实验室IBM中国有限公司2022年12月版权声明本报告版权属于中国信息通信研究院IBM中国有限公司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IBM中国有限公司违反上述声明者编者将追究其相关法律责任前言2015年联合国发展峰会上通过的2030年可持续发展议程提出了17项可持续发展目标旨在解决社会环境和经济问题让全球走向可持续发展道路党中央国务院高度重视经济社会绿色低碳发展习总书记多次作出重要指示强调要把碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局这是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体同时党的二十大报告提出我们要加快发展方式绿色转型实施全面节约战略发展绿色低碳产业推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式积极参与应对气候变化全球治理促进数字经济和实体经济深度融合信息技术已经成为推动高质量发展经济社会全面绿色转型的重要创新力量而其中的计算技术已经融入到国计民生的方方面面小到视频浏览大到探索太空海量精密的计算技术不仅为通信和互联网行业所专属而越来越多地为生产生活生态数字化转型注入新动能基于此中国信息通信研究院泰尔系统实验室联合IBM中国有限公司结合双方对可持续计算的深刻洞察技术研究和业务实践共同发布此报告致力于推动行业可持续发展本蓝皮报告首先阐述了可持续计算的概念演进和定义以及国内外标准和政策现状其次对可持续计算的总体架构进行了介绍进而给出了可持续计算的技术内涵评价体系战略选择及实践最后对可持续计算的未来发展进行了展望目录一可持续计算概念1一可持续计算的概念演进1二可持续计算定义及架构3二可持续计算内涵5一可持续计算基础设施5二可持续云计算技术与平台14三可持续业务应用19三可持续计算评价23一安全合规23二稳定可靠27三便捷高效29四绿色低碳31四可持续计算实施34一可持续计算的实施阶段35二可持续计算的实施路径37三可持续计算的实施方案38五可持续计算展望42参考文献42附录一可持续计算的全球及中国标准45一ISO中可持续计算相关标准45二ITU中可持续计算相关标准45三我国可持续计算相关标准46附录二可持续计算评价指标及相关标准47图目录图1可持续计算概念演变进程3图2可持续计算架构4图3可持续计算技术架构5图4可持续环境基础设施能耗占比10图51路市电1路保障电源供电方案11图6可持续计算评价体系23图8可持续计算实施四阶段解析35图9可持续计算实施方案总体架构39表目录表1不同存储介质各指标排名8表2安全合规评价体系24表3稳定可靠评价体系27表4便捷高效评价体系29表5绿色低碳评价体系31可持续计算蓝皮报告2022年一可持续计算概念全球气候变化的影响正对全人类生存与发展带来重大挑战全球主要国家和地区纷纷加速向碳中和迈进自2020年我国提出2030年碳达峰2060年碳中和的发展目标至今我国已基本建立了以中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见及2030年前碳达峰行动方案为顶层统领的1N政策体系可持续发展已成为各大企业良性发展的紧迫要求同时数字经济作为一种全新的经济形态以数据资源为关键要素以现代信息网络为主要载体以信息通信技术融合应用全要素数字化转型为重要推动力已成为我国继工业经济之后的主要经济形态数字中国建设更是我国统筹推进五位一体总体布局协调推进四个全面战略布局的重要实践本蓝皮报告结合我国碳达峰碳中和发展目标与数字中国发展战略创新性融合可持续性与数字化两部分社会发展诉求首次提出可持续计算概念并深入阐释了可持续计算的内涵评价体系与实施路线旨在推动并引领全社会数字化绿色化协同发展助力我国双碳目标实现推进双碳战略与数字中国建设一可持续计算的概念演进全球计算技术主要经历了大型机小型机及PC机云计算三个时代即将迎来以量子计算等新兴计算技术为代表的新时代大型机时代以IBMSystem360大规模商用电子计算机系列为代表采用服务端集中的计算模式小型机及PC机时代以美国数字设备公司1可持续计算蓝皮报告2022年DEC推出的PDP系列小型机及IBM的商用PC机系列为代表采用服务端和终端并重的计算模式云计算时代3以AWS公有云和IBM混合云为代表采用服务端为主终端为辅的计算模式量子计算以量子比特为基本单元利用量子叠加和干涉原理实现并行计算与传统计算模式相比运算速度更快将给现有计算能力带来质的飞跃中国计算机产业历经70年发展至今我国超算数量及规模均已跻身世界前列2可持续发展的概念最早于1987年由世界环境与发展委员会WCED在报告我们共同的未来中提出定义为能满足当代人的需要又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展3从内涵来看可持续发展包括社会环境经济三个方面我国早在1995年9月中共十四届五中全会便将可持续发展战略写入关于制定国民经济和社会发展九五计划和2010年远景目标的建议把可持续发展作为基本战略之一可持续计算概念伴随可持续发展以及计算技术迭代而诞生并演进图1展示了可持续计算的演变进程1992年美国环境保护局EnvironmentalProtectionAgencyEPA启动能源之星EnergyStar计划4由此衍生出绿色计算或者绿色IT随着IT能耗问题逐渐突出业界提出了负责任的计算可持续计算等相关概念2007年绿色网格TheGreenGrid5成立并提出了数据中心电能使用效率PUE概念2可持续计算蓝皮报告2022年来源IBM中国信息通信研究院图1可持续计算概念演变进程我国政府和各机构也相继颁发了相关政策2021年11月由国家发改委等机构制定的贯彻落实碳达峰碳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中提出加快建设绿色数据中心62021年11月工信部制定了十四五信息通信行业发展规划提出深化基础设施共建共享促进形成绿色生产生活方式形成数网协同数云协同云边协同绿色智能的多层次算力设施体系推动计算资源集约部署和异构云能力协同共享提高计算资源利用率72022年1月国务院发布了十四五数字经济发展规划提出加快实施东数西算工程推进云网协同发展提升数据中心跨网络跨地域数据交互能力加强面向特定场景的边缘计算能力强化算力统筹和智能调度8二可持续计算定义及架构广义的可持续计算是以环境友好为目标以IT软硬件配套设施及业务应用为要素实现全局绿色高效可靠安全的计算模3可持续计算蓝皮报告2022年式而狭义的可持续计算以新材料新技术等科技创新为驱动力以技术与平台基础设施在规划设计开发运行维护升级废弃回收等全生命周期的所有活动为重点环节以优化清洁用能提升计算水平保障不间断服务快速响应安全事件为目标的计算模式来源IBM中国信息通信研究院图2可持续计算架构可持续计算基础设施云计算技术与平台可持续业务应用成为可持续计算三个要素其中可持续计算基础设施涵盖面向新材料新工艺新技术新产品的可持续计算基础要素以计算存储及网络先进设备为代表的可持续IT基础设施以及可持续环境基础设施等可持续云计算技术与平台致力于实现应用开发部署运维管理自动化安全保障等功能以满足业务敏捷创新与核心业务可靠运行的双重需求可持续业务应用基于可持续计算基础设施及可持续云计算技术与平台结合实际应用推动各行业绿色发展4可持续计算蓝皮报告2022年安全合规稳定可靠便捷高效绿色低碳成为可持续计算四大特征这四个特性为可持续计算设置了标准基线并为可持续计算技术的发展提供规范参考其中安全合规给出了企业实施可持续计算不可逾越的红线帮助企业规避风险稳定可靠对于企业的可持续计算提供保障确保计算过程不间断便捷高效是在整个可持续计算的生命周期中实现最优运行及维护绿色低碳是可持续计算的最重要特征碳达峰碳中和目标是可持续计算的内在要求合规优化转型引领四个层次将成为评估企业及机构可持续计算成熟度的重要阶段帮助其明晰实现可持续计算的挑战及差距确定战略选择并规划实施路径合规是指符合国家和地方政府相关的政策和法规优化是指进一步提升企业及机构运营效率转型是指重塑企业及机构业务模式引领是指带动行业发展共创可持续生态5可持续计算蓝皮报告2022年二可持续计算内涵来源IBM中国信息通信研究院图3可持续计算技术架构一可持续计算基础设施可持续计算基础设施由基础要素IT基础设施数据中心基础设施三部分构建而成由下至上支撑承托相互作用1可持续基础要素可持续计算基础要素指为可持续计算基础设施提供底层支撑的新材料新工艺新技术新产品四个方面新材料泛指新近研发中具有优异性能的结构材料和有特殊性质的5可持续计算蓝皮报告2022年功能材料包括石墨烯超导材料新型合金新型半导体等新材料的应用能有效提高对清洁能源的高效利用促进关键技术突破并推动产业化提升产品安全稳定高效绿色性能例如石墨烯材料因其优异的光学电学力学特性在高敏传感器新能源电池微纳等的研发制作中发挥独特作用新工艺泛指创新研究出的产品制造加工方法包括超导储能碳纳米管工艺X纳米制程等能够帮助节约能源减少废物污染提升制作精度和应用性能等例如超导储能运用了超导磁体环流具有功率大质量轻体积小损耗小反应快的特点应用于电网存储传送可以避免用电高峰和低谷时的供求矛盾新技术指随着近年来节能减排要求日益提高而不断涌现的相比于传统方案更具环境友好性的新一代技术例如硅光子技术量子技术机密计算液体冷却自然冷却气隙隔离等各类新技术的应用可有效提升计算能力与节能绿色水平新产品泛指基于新材料新工艺新技术而逐渐兴起的具有巨大可持续潜力的新兴技术成果包括专用芯片量子芯片加密芯片叶脊架构网络高压直流等这类新产品不仅保证数据中心在多云与混合云场景下计算存储通信的高性能高扩展性高可靠性及高安全性也为可持续云计算技术与平台带来可演进及前瞻性例如叶脊架构的扁平化设计帮助提高东西向通信转发率且支持灵活灵活扩展水平带宽以动态调整数据中心规模对优化新型数据中心布局起到推动作用6可持续计算蓝皮报告2022年2可持续IT基础设施基于可持续基础要素可持续IT基础设施聚焦于计算存储和网络三个方面推动计算资源间的合理平衡对于企业和组织实现可持续计算的目标非常关键1计算基础设施计算方面的可持续性体现在通用服务器人工智能服务器等的高性能高扩展性高资源利用率和高RASReliability可靠性Availability可用性Serviceability服务性和易运维的特点上高性能的服务器在处理计算密集型工作负载时提升服务器资源利用率高扩展性要求服务器应能同时支持纵向扩展和横向扩展满足企业在发展过程中对IT系统建设需求的多样性和复杂性高资源利用率要求服务器应具备较强的硬件资源管理能力不同业务间灵活智能调度以资源共享错峰使用等方式实现能源资源应用最大化高RAS的服务器将进一步降低机房能耗易运维指服务器应满足可持续计算高效运维的特性2存储基础设施存储方面的可持续性一是体现在存储技术上二是体现在存储介质的选择上三是体现在存储的应用上对于存储技术数据分层存储技术提出了将在线数据信息与存储介质进行最佳匹配的概念防止访问频率低的信息占用过多昂贵的存储资源数据压缩技术按照一定的算法对数据进行重新组织减少数7可持续计算蓝皮报告2022年据的冗余和存储的空间有效降低磁盘读写资源占用采用重复删除技术可以将存储数据的空间缩减为原来的120延长磁盘备份数据的保存时间节约离线存储所需带宽对于存储介质当前数据中心常用的存储介质可按照延迟的快慢分为闪存高性能磁盘高容量磁盘以及磁带但是他们之间的能耗和占地却差别巨大如表1所示闪存相较于其它同等容量的存储介质体现出高性能低功耗和低占地的特点且内部不存在任何机械活动部件不会发生机械故障也不怕碰撞冲击振动采用闪存的存储系统更加符合可持续计算稳定可靠的理念磁带存储虽然是最古老的存储技术但其所具有的容量大占地少耗能低的特点使之成为现代化可持续存储不可或缺的一部分特别是在新兴的互联网企业等非结构化数据密集型企业得到了广泛的应用表1不同存储介质各指标排名存储介质延迟同等性能下功耗相同容量下占地相同容量下闪存122高性能磁盘244高容量磁盘333磁带411本表格为存储介质四个大类的比较不考虑每种介质下的具体分类同等性能对于磁盘闪存来说性能指的是每秒读写次数IOPS对于磁带来说性能指的是带宽固定时间可传输的数据量对于存储应用可通过软件应用实现分级存储管理模式其功能与数据分层存储技术类似使之既可以实现准实时数据访问同时又将整个数据中心的存储成本及功耗降到最低3网络基础设施网络基础设施的可持续性着力于网络硬件设施和网络技术两个8可持续计算蓝皮报告2022年方面在硬件层面目前热度较高的设施及设计架构包括硅光技术叶脊架构和大容量交换机等硅光技术采用基于硅材料的CMOS互补式金氧半导体微电子工艺实现光子器件的集成制备将原来众多光电元件分离的器件缩小并集成到一个独立的微芯片中帮助缩小组件体积减少空间占用降低芯片成本网络的叶脊架构克服了传统三层网络构架的局限符合未来网络高密度布线的趋势为数据中心提供了一种可扩展高效高安全性的数据传输方式为企业可持续发展提供更大的潜能分布式缓存架构下交换机比普通交换机缓存能力更大大幅度避免网络拥堵造成的服务质量下降实现对业务的精确识别与控制符合可持续计算稳定高效目标技术层面主要关注可持续的微单元网格技术网络设备虚拟化能源感知技术和可编程网络可持续的微单元网络技术通过计算不同时间段需要保持活动单元的最佳数量动态调整最佳的接入和回程策略以减少流量功耗降低资源成本ErrorReferencesourcenotfound网络设备的虚拟化通过模拟现实世界包括路由器交换机防火墙在内的物理硬件功能打破物理结构之间的壁垒减少对特定硬件和操作系统的依赖提高网络灵活性降低制冷空间等方面的资源消耗具有能源意识的可编程网络通过将携带能源意识的流量工程加入到SDN软件定义网络中帮助企业灵活管理能源的同时减少能源消耗符合绿色低碳高效运维的可持续计算特性ErrorReferencesourcenotfoundErrorReferencesourcenotfound9可持续计算蓝皮报告2022年3可持续计算环境基础设施面向数据中心的环境基础设施是为IT基础设施提供运行所需环境的设备系统以及场所包括供电系统温控系统机柜系统综合布线系统监控与管理系统消防系统等IT信息化和移动互联网的飞速发展带来信息行业数据中心的设备数量大幅增加由此导致数据中心机房能耗制冷空间成本的大幅增长其中能耗占比较高的是供电系统和温控系统超过整体能耗的50如图4所示可持续环境基础设施涉及电气传感制冷等多个技术领域复杂度高在提质增效绿色低碳发展方面具有较大的优化空间但值得注意的是当IT基础设施环境适应性更高对其供能的电网可靠性进一步提升时会逐步简化环境基础设施的配置从而大幅减少所对应的能耗与碳排放因此随着IT基础设施绿色低碳发展其能耗与碳排放在整个可持续计算即将起到决定性作用来源中国信息通信研究院图4可持续环境基础设施能耗占比1供电基础设施供配电系统是从市电到用户经过高低压供配电设备实现能源10可持续计算蓝皮报告2022年供给的系统是支撑可持续计算载体数据中心运行的核心基础设施为数据中心的主设备和辅助设备提供电力运行保障随着数据中心节能减排工作的不断深入供配电领域涌现出了各种先进技术分别围绕着减少转换环节智能化管理等方式演进主要有1路市电加1路保障电源巴拿马电源以及末端母线配电系统等代表性技术为兼顾建设成本和系统效率业内已逐步采用1路市电1路不间断电源UPS作为可持续计算供电方案同时随着240V336V直流供电技术的逐步成熟1路市电1路240V336V直流供电的方案也受到越来越高的关注及应用来源中国信息通信研究院图51路市电1路保障电源供电方案10kV交流输入的直流不间断电源技术巴拿马电源技术在数据中心内替代了原有的10kV交流配电变压器低压配电传统240V336V直流供电系统和输出配电单元等设备及相关配套设施具有高效率节省空间低成本易安装和易维护等显著优势主要适用于大型超大型数据中心末端母线配电系统是即插即用式的智能化末端配电系统具有体积小容量大施工周期短拆装方便便于扩容使用寿命长等优11可持续计算蓝皮报告2022年点相比于传统配电系统末端母线配电系统取消了配电列头柜在同等的数据中心面积下可放置更多服务器此外智能母线系统具有集成化电路监控能够实时监控传输和控制末端配电通过人机界面将母线分布图关键点温升参数预告警信息历史参数等通过图形表单曲线等多种形式直观显示为决策层提供最直接可靠的数据依据达到能效管理与节能降耗等目的2温控基础设施温控系统是将数据中心内IT设备工作时所产生的热量通过热交换带出数据中心外保持数据中心运行在规定环境温度范围内的基础设施系统数据中心空调系统主要由控制系统通风系统制冷循环及除湿系统加湿系统和加热补偿系统组成水冷机组一般还包括冷却水循环系统蒸发冷却技术是指利用干空气在干热地区实现能冷量利用的一项制冷新技术利用蒸发冷却技术的空调设备和传统机械空调相比不使用压缩机耗电设备仅为风机和水泵充分利用自然冷源运行功耗低按照水和空气是否直接接触可将蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却蒸发冷却空调采用间接蒸发直接蒸发复合技术先利用间接蒸发冷却换热器降低空气的湿球温度再利用直接蒸发冷却技术等焓降温最终达到高效制冷目的背板空调的工作原理是冷空气在机柜内部设备风扇的作用下被吸入机柜并对设备进行降温吸热后的空气流向安装在机柜背部的冷却盘管将热量传递给换热器内的制冷剂温度降低后的冷空气从背12可持续计算蓝皮报告2022年板吹出完成空气循环背板空调的优势主要体现在以下几方面一是采用无风机设计减少能耗和噪音二是由于靠近机柜并安装在背面可直接对局部热点进行降温三是占用空间小不需要架空地板提升数据中心利用率全年能效比的广泛应用推动了在室外环境温度较低情况下采用自然冷却技术的发展其中氟泵自然冷却技术及产品已经得到大规模应用PUE优化效果明显氟泵双循环空调系统是采用智能双循环设计在冬季或过渡季室外温度较低时利用制冷剂泵氟泵对制冷剂进行室外循环换热充分利用室外自然冷源在夏季或过渡季室外温度较高时采用压缩机对制冷剂进行压缩循环换热此种智能双循环设计能够在全年一定时间内不必开启压缩机制冷大大降低空调能耗3监控与管理系统数据中心监控系统一般包括供配电监控空调监控消防监控安保监控包括门禁闭路监视通道报警漏水检测监控等更为重要的是融合了数据中心的管理措施对发生的各种事件都结合具体情况给出处理信息提示运维人员进行操作实现科学化管理设备资产管理是实现可持续计算的重要组成不仅管理资产本身还管理与资产有关的能耗环境人员安全等要素资产管理能够管理设备设施及全部的运维过程借助平台对关键设备的运行状态进行实时监控同时AI模块能够对大量设备数据进行综合分析对设备的运行及能耗异常情况通过自动化模型分析提供预警问题诊断及13