可持续计算蓝皮报告(2022年).docx
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1、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
2、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
3、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“1+N”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
4、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IBMSystem/360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(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
5、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。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
6、,1992年美国环境保护局(EnvironmentalProtectionAgency,EPA)启动能源之星“EnergyStar”计划,由此衍生出“绿色计算”或者“绿色IT”O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(TheGreenGrid)成立并提出了数据中心电能使用效率(PUE)概念。2006年.ISO”可持康发展咨询.标准和2015年联合BKtt布2022年,电动保ISO环境管理-生命周期评估标)发布.2030年可持续发展目标-敷西JT11992年,美商环保局EPA启动能2007年,绿色网格2020年,制定碳中2021年,嫌出源之星
7、-EnergyStar-itGreenGrtd”姐织成立和破达峰.目标新型IMg中心”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一推动数据中心和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;2021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;2022年1月国务院发布了“十
8、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。(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
9、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。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
10、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
11、续生杰Q二、可持续计算内涵风险合规治理自动化平台可持馁云计算技术与平台可特续业务应用身份和访问管理运雉和自动化技术与平台服务水平管理变更管理人工智能技术与平台物联网技术与半台区块徒技术与平台大数据技术与平台混合云技术与半台数据安全安全防护控制安全合JK技术与平台资源管理问题曾理可持馁计埠茶础设施威胁检雳安全事件响应和 恢复来源: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
12、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
13、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
14、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。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RAS(Reliability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
15、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
16、删除技术可以将存储数据的空间缩减为原来的1/20,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
17、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(I0PS);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方面。在硬件层面,目
18、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
19、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EiTOr!Referencesourcenotfound.。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。EiTor!Ref
20、erencesourcenotfound.Error!Referencesourcenotfound.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。
21、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。其他辅助设备,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供给的系统,是支撑可持续计算载体一一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
22、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240V/336V直流供电技术的逐步成熟,1路市电+1路240V/336V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IOkV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IOkV交流配电、变压器、低压配电、传统240V/336V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
23、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
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