數據中心全棧節能技術與實踐

張鴻斌，中國人民解放軍軍事科學院軍事科學信息研究中心*工程師，專業技術大校軍銜，碩士研究生導師，清華大學計算機系博士，軍用網絡信息系統*。研究方向為計算機體系結構、高性能計算、網絡存儲、高能效數據中心等，從事軍用網絡信息系統和數據中心規劃、論證、建設、運維和管理等工作20余年，主導多項軍隊網絡信息系統工程建設，榮獲軍事科學技術二等獎1項、三等獎4項，獲得授權發明專利7項、國家軟件*權12項，發表論文50余篇。 吳曉暉，中國建築標準設計研究院有限公司副總工程師，數據中心工程部主任，教授級*工程師，註冊公用設備工程師，北京工業大學博士研究生導師，西安交通大學能源與動力工程學院西安市數據中心節能與低碳技術重點實驗室學術委員會委員。此外，還擔任國家節能中心、北京市發展和改革委員會、中國電子學會，中國計算機用戶協會等機構的數據中心*。從業期間主持完成數十個數據中心的規劃設計及總承包項目，屢獲行業獎項。主編、參編數十項國家標準、地方標準和團體標準，獲得數據中心相關國家發明專利5項、軟件*權2項，在國內知名刊物發表相關學術論文30余篇。

第 1 部分 數據中心全棧節能概論
第 1 章 數據中心與全棧節能 2
1.1 數據中心發展歷程 2
1.1.1 數據中心的起源和演進 2
1.1.2 數據中心的概念和類型 4
1.1.3 *計算中心的建設發展 6
1.1.4 通用數據中心的建設發展 7
1.1.5 智能計算中心的建設發展 9
1.2 數據中心的發展趨勢 12
1.2.1 異構計算規模集約 13
1.2.2 多樣泛在智慧互聯 13
1.2.3 池化資源柔性供給 13
1.2.4 對等互聯架構更新 14
1.2.5 節能低碳大勢所趨 14
1.2.6 自主可控*可靠 15
1.3 數據中心節能政策背景 15
1.3.1 “東數西算”工程15
1.3.2 “碳達峰碳中和”目標16
1.4 數據中心全棧節能需求 19
1.4.1 數據中心能源困境 20
1.4.2 數據中心節能指標 22
1.4.3 全棧節能的*要性 24
1.5 小結 28
1.6 參考文獻 29
第 2 章 數據中心全棧技術架構30
2.1 數據中心技術棧 30
2.2 基礎設施層 31
2.3 算力資源層 32
2.3.1 計算資源 32
2.3.2 存儲資源 36
2.3.3 存算一體化 47
2.3.4 前端網絡資源 50
2.3.5 後端網絡資源 52
2.4 基礎系統平臺層 55
2.4.1 *計算中心系統平臺架構 55
2.4.2 通用雲計算中心系統平臺架構 55
2.4.3 智能計算中心系統平臺架構 56
2.5 中間件層和應用軟件系統層 57
2.5.1 中間件層 57
2.5.2 應用軟件系統層 58
2.6 其他技術棧 58
2.6.1 標準規範 58
2.6.2 *管理 60
2.6.3 運維管理 60
2.7 小結 61
2.8 參考文獻 62
第 3 章 數據中心全棧節能理念63
3.1 對數據中心節能的現實思考 63
3.1.1 基礎設施過度設計 63
3.1.2 設備節能不等於系統節能 64
3.1.3 基礎設施與 IT 系統建設脫節65
3.2 數據中心全棧節能技術體系 66
3.2.1 數據中心全棧節能技術棧 66
3.2.2 數據中心全棧節能主要理念 68
3.3 數據中心節能技術趨勢 75
3.3.1 以數據為中心的計算架構革新 75
3.3.2 跨技術棧的協同聯動節能 76
3.3.3 基於數據分析和智能算法的節能 76
3.3.4 算法創新和節儉型人工智能 77
3.3.5 節能降耗與綠色能源相結合 77
3.4 小結 78
3.5 參考文獻 78

第 2 部分 數據中心節能技術棧
第 4 章 數據中心器件級節能80
4.1 器件級節能概述 80
4.2 CPU 節能技術 81
4.2.1 體系架構優化 82
4.2.2 SRAM 緩存 84
4.2.3 自旋轉移力矩隨機存取存儲器緩存 85
4.2.4 賽道存儲器緩存 85
4.2.5 CPU 低功耗技術 86
4.2.6 CPU 睡眠技術 88
4.3 異構加速器節能技術 90
4.3.1 異構算力架構 90
4.3.2 GPU 芯片 91
4.3.3 FPGA 芯片 92
4.3.4 ASIC 芯片93
4.3.5 *低功耗類腦芯片 94
4.4 內存節能技術 96
4.4.1 DRAM 96
4.4.2 PCM 主存 97
4.4.3 STTRAM 主存 99
4.4.4 RRAM 主存 99
4.4.5 混合主存架構 100
4.5 外存節能技術 102
4.5.1 磁盤節能技術 102
4.5.2 SSD 節能技術 103
4.5.3 PCM 外存 104
4.5.4 內外存一體化 105
4.6 器件級節能技術趨勢 106
4.6.1 近結冷卻技術 106
4.6.2 從晶體管到應用的“全棧優化” 106
4.7 小結 107
4.8 參考文獻 108
第 5 章 數據中心設備級節能 110
5.1 設備節能設計理念 110
5.2 優化設備形態 1114
5.2.1 計算設備形態 111
5.2.2 存儲設備形態 120
5.3 優化供電技術 121
5.3.1 提高 PSU 轉換效率 121
5.3.2 提高單板供電電壓 122
5.4 改進散熱方式 122
5.4.1 風冷散熱 123
5.4.2 液冷散熱 123
5.5 設備級節能趨勢 128
5.6 小結 128
5.7 參考文獻 129
第 6 章 數據中心平臺級節能 130
6.1 平臺軟件級節能技術 130
6.1.1 雲計算與虛擬化技術 130
6.1.2 操作系統節能技術 133
6.1.3 負載均衡調度技術 136
6.1.4 設備休眠技術 138
6.2 數據優化節能技術 139
6.2.1 重覆數據刪除技術 139
6.2.2 精簡置備技術 142
6.2.3 數據增量壓縮技術 143
6.2.4 數據可靠性優化技術 147
6.3 數據分級存儲節能技術 150
6.3.1 數據分級存儲 150
6.3.2 數據組織方式及雲存儲適配 151
6.3.3 數據層級管理 153
6.3.4 數據遷移技術 155
6.3.5 分級存儲節能 157
6.4 小結 157
6.5 參考文獻 158
第 7 章 數據中心基礎設施節能 160
7.1 數據中心選址 160
7.1.1 自然條件 160
7.1.2 非自然條件 162
7.2 建築節能技術 163
7.2.1 建築結構節能 1635
7.2.2 建築材料節能 164
7.2.3 合理規劃布局 166
7.3 供電節能技術 168
7.3.1 新型供電節能技術 168
7.3.2 其他供電節能方法 171
7.4 制冷節能技術 172
7.4.1 自然冷卻技術 172
7.4.2 液冷技術應用 179
7.4.3 其他制冷節能技術 184
7.5 小結 186
7.6 參考文獻 187
第 8 章 數據中心運維管理節能 188
8.1 數據中心運維管理 188
8.1.1 定義內涵 189
8.1.2 管理邊界 189
8.1.3 組織架構 190
8.1.4 任務規劃 192
8.1.5 技術體系 195
8.2 數據中心運維管理節能措施 197
8.2.1 基礎設施層 197
8.2.2 系統平臺層 201
8.2.3 技術管理層 201
8.3 數據中心智能運維 202
8.3.1 智能運維發展趨勢 203
8.3.2 智能運維關鍵技術 205
8.3.3 大語言模型與智能運維 207
8.4 基於智能算法的運維節能 208
8.4.1 基於智能算法的負載調度 208
8.4.2 基於深度學習算法的節能 208
8.4.3 基於智能算法的 PUE 尋優 209
8.4.4 面向節能的智能運維案例 210
8.5 小結 213
8.6 參考文獻 214
第 9 章 數據中心模擬仿真節能 215
9.1 數據中心 CFD 數值模擬關鍵環節 216
9.1.1 模型構建 2166
9.1.2 控制方式設置 217
9.1.3 邊界網格劃分 218
9.1.4 數值求解 219
9.2 基於 CFD 的 IT 設備設計優化 220
9.2.1 風冷刀片服務器節能優化設計 220
9.2.2 風冷整機櫃服務器節能優化設計 222
9.2.3 冷板式液冷服務器節能優化設計 223
9.2.4 單相浸沒式液冷機箱節能優化設計 224
9.3 基於 CFD 的基礎設施設計優化 226
9.3.1 配電區域節能評估和優化 227
9.3.2 制冷系統節能評估和優化 230
9.3.3 IT 主機房節能評估和優化 240
9.4 基於 CFD 的數據中心運維節能 246
9.4.1 CFD 輔助動環系統管理 247
9.4.2 CFD 輔助機房容量管理 247
9.4.3 人工智能輔助運維決策 248
9.5 小結 250
9.6 參考文獻 250

第 3 部分 數據中心跨棧融合節能技術
第 10 章 數據中心負載感知節能 252
10.1 基礎軟件平臺感知應用負載節能 252
10.1.1 基於任務調度的節能技術 253
10.1.2 基於虛擬機遷移的節能技術 254
10.1.3 自動精簡配置技術 256
10.1.4 基於定義網絡的節能技術 258
10.2 基於負載感知的平臺資源調度 260
10.2.1 基於負載感知的調度策略 260
10.2.2 負載感知調度技術 263
10.3 基於負載感知的基礎設施節能 265
10.3.1 基於傳統負載感知的冷卻節能 266
10.3.2 基於跨棧聯動負載感知的冷卻節能 267
10.3.3 基於 IT 設備芯片溫度感知的空調群控 268
10.4 平臺層負載感知的環控節能技術 271
10.5 小結 272
10.6 參考文獻 2727
第 11 章 算電協同設計與算能融合 274
11.1 發展背景 274
11.1.1 歷史沿革 274
11.1.2 信息能源基礎設施一體化 275
11.1.3 能源互聯網 276
11.1.4 算電協同設計與算能融合的區別 279
11.2 算電協同設計 279
11.2.1 算力負荷的時空轉移特性 281
11.2.2 儲能與蓄冷的柔性調節 281
11.2.3 電力和熱力系統的取長補短 282
11.2.4 算電協同設計的實施路徑 283
11.3 算能融合 283
11.3.1 算力負荷與多能互補耦合 283
11.3.2 算力網與能源互聯網一體 284
11.3.3 算力調度與能量管理協同 285
11.3.4 算力市場與能源價值統籌 286
11.4 源網荷儲一體化 286
11.4.1 源網荷儲交互 287
11.4.2 新型電力系統 288
11.4.3 未來發展模式 290
11.5 典型應用場景 290
11.5.1 算電協同調度 290
11.5.2 分布式供能 291
11.5.3 新能源微電網 293
11.5.4 邊緣計算與微電網 294
11.5.5 新能源綠色智能計算中心 295
11.6 發展趨勢 295
11.7 小結 296
11.8 參考文獻 297

第 4 部分 全棧節能數據中心設計與應用
第 12 章 綠色低碳智能計算中心 300
12.1 智能計算中心的挑戰 300
12.1.1 電力“饕餮” 301
12.1.2 延時敏感 302
12.1.3 負荷抖動 3038
12.1.4 疊代頻繁 305
12.1.5 運維昂貴 305
12.2 智能計算中心的設計要點 306
12.2.1 建築結構彈性優化 306
12.2.2 供電架構和可靠性 308
12.2.3 制冷資源和靈活性 310
12.2.4 系統架構和*計算效率 311
12.2.5 基礎設施聯動調優 312
12.3 算法級節儉型人工智能 312
12.3.1 大語言模型的架構創新 312
12.3.2 大語言模型的量化壓縮 314
12.4 綠色低碳智能計算中心 315
12.4.1 綠色可再生能源 316
12.4.2 離網發電與並網發電 321
12.4.3 智能計算中心與綠電綠證 322
12.4.4 余熱回收和利用 323
12.4.5 政策與標準制定 324
12.5 小結 325
12.6 參考文獻 325
第 13 章 全棧節能信創數據中心 327
13.1 信創產業的發展歷程 327
13.1.1 白手起家，篳路藍縷 327
13.1.2 轉型發展，風險浮現 328
13.1.3 發憤圖強，迎頭追趕 328
13.2 信創產業的生態體系 329
13.3 信創產業與數據中心 331
13.3.1 信創數據中心發展現狀 331
13.3.2 信創數據中心節能需求 332
13.4 信創數據中心全棧節能創新 333
13.4.1 信創器件層節能技術 334
13.4.2 信創設備層節能技術 336
13.4.3 信創平臺系統層節能技術 337
13.5 信創數據中心的挑戰與展望 338
13.5.1 信創數據中心面臨的挑戰 338
13.5.2 信創數據中心技術與市場發展展望 339
13.6 小結 339
13.7 參考文獻 3399
第 14 章 特種數據中心節能應用 340
14.1 機動式數據中心節能 340
14.1.1 車載數據中心節能 340
14.1.2 船載數據中心節能 343
14.1.3 機載航電系統節能 346
14.1.4 戰場無人裝備節能 348
14.1.5 分布式低功耗感知系統 349
14.2 特殊領域數據中心節能 350
14.2.1 地下數據中心節能 351
14.2.2 高原數據中心節能 353
14.2.3 高寒數據中心節能 354
14.2.4 海島數據中心節能 355
14.2.5 荒漠數據中心節能 356
14.2.6 風電塔筒數據中心節能 357
14.2.7 海底數據中心節能 358
14.2.8 太空數據中心 360
14.3 小結 364
14.4 參考文獻 364
第 15 章 全棧節能數據中心系統工程 365
15.1 系統工程方法論 365
15.1.1 核心價值 366
15.1.2 SWOT 分析 366
15.1.3 霍爾三維結構模型 368
15.2 全棧節能數據中心頂層設計 369
15.2.1 戰略決策時機 369
15.2.2 技術發展研判 370
15.2.3 業務需求分析 371
15.3 全棧節能數據中心系統工程實踐 372
15.3.1 論證階段 373
15.3.2 設計階段 373
15.3.3 建設階段 375
15.3.4 運維階段 375
15.4 全棧節能數據中心規劃向導 375
15.4.1 規劃體系融入 375
15.4.2 基礎設施規劃 376
15.4.3 IT 系統規劃 379
15.4.4 跨棧節能規劃設計 38210
15.5 全棧節能數據中心案例 382
15.6 小結 383
15.7 參考文獻 383
第 16 章 全棧節能數據中心評價 384
16.1 數據中心評價 384
16.1.1 評價類別 384
16.1.2 評價方式 385
16.2 數據中心節能相關評價標準 385
16.2.1 《綠色數據中心評價標準》 385
16.2.2 《國家綠色數據中心評價指標體系》 390
16.2.3 《綠色數據中心評價》 391
16.3 全棧節能數據中心評價指標體系 393
16.3.1 評價目標 393
16.3.2 評價原則 393
16.3.3 指標體系 394
16.3.4 權重推薦 395
16.3.5 指標說明 396
16.4 小結 398
16.5 參考文獻 399
後記 400