第 1 部分 数据中心全栈节能概论
第 1 章 数据中心与全栈节能…………… 2
1.1 数据中心发展历程 …… 2
1.1.1 数据中心的起源和演进 …… 2
1.1.2 数据中心的概念和类型 …… 4
1.1.3 超级计算中心的建设发展 … 6
1.1.4 通用数据中心的建设发展 … 7
1.1.5 智能计算中心的建设发展 … 9
1.2 数据中心的发展趋势 …………12
1.2.1 异构计算规模集约 …………13
1.2.2 多样泛在智慧互联 …………13
1.2.3 池化资源柔性供给 …………13
1.2.4 对等互联架构更新 …………14
1.2.5 节能低碳大势所趋 …………14
1.2.6 自主可控安全可靠 …………15
1.3 数据中心节能政策背景 ……………15
1.3.1 “东数西算”工程……………15
1.3.2 “碳达峰碳中和”目标………16
1.4 数据中心全栈节能需求 ……………19
1.4.1 数据中心能源困境 …………20
1.4.2 数据中心节能指标 …………22
1.4.3 全栈节能的必要性 …………24
1.5 小结 ………………28
1.6 参考文献 …………29
第 2 章 数据中心全栈技术架构…………30
2.1 数据中心技术栈 …30
2.2 基础设施层 ………31
2.3 算力资源层 ………32
2.3.1 计算资源 …32
2.3.2 存储资源 …36
2.3.3 存算一体化 47
2.3.4 前端网络资源 ………………50
2.3.5 后端网络资源 ………………52
2.4 基础系统平台层 …55
2.4.1 超级计算中心系统平台架构 55
2.4.2 通用云计算中心系统平台架构 ………………55
2.4.3 智能计算中心系统平台架构 56
2.5 中间件层和应用软件系统层 ………57
2.5.1 中间件层 …57
2.5.2 应用软件系统层 ……………58
2.6 其他技术栈 ………58
2.6.1 标准规范 …58
2.6.2 安全管理 …60
2.6.3 运维管理 …60
2.7 小结 ………………61
2.8 参考文献 …………62
第 3 章 数据中心全栈节能理念…………63
3.1 对数据中心节能的现实思考 ………63
3.1.1 基础设施过度设计 …………63
3.1.2 设备节能不等于系统节能 …64
3.1.3 基础设施与 IT 系统建设脱节65
3.2 数据中心全栈节能技术体系 ………66
3.2.1 数据中心全栈节能技术栈 …66
3.2.2 数据中心全栈节能主要理念 68
3.3 数据中心节能技术趋势 ……………75
3.3.1 以数据为中心的计算架构革新 ………………75
3.3.2 跨技术栈的协同联动节能 …76
3.3.3 基于数据分析和智能算法的节能 ……………76
3.3.4 算法创新和节俭型人工智能 77
3.3.5 节能降耗与绿色能源相结合 77
3.4 小结 ………………78
3.5 参考文献 …………78
第 2 部分 数据中心节能技术栈
第 4 章 数据中心器件级节能……………80
4.1 器件级节能概述 …80
4.2 CPU 节能技术 ……81
4.2.1 体系架构优化 ………………82
4.2.2 SRAM 缓存 84
4.2.3 自旋转移力矩随机存取存储器缓存 …………85
4.2.4 赛道存储器缓存 ……………85
4.2.5 CPU 低功耗技术 ……………86
4.2.6 CPU 睡眠技术 ………………88
4.3 异构加速器节能技术 ………………90
4.3.1 异构算力架构 ………………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 超低功耗类脑芯片 …………94
4.4 内存节能技术 ……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 混合主存架构 …………… 100
4.5 外存节能技术 … 102
4.5.1 磁盘节能技术 …………… 102
4.5.2 SSD 节能技术 …………… 103
4.5.3 PCM 外存 104
4.5.4 内外存一体化 …………… 105
4.6 器件级节能技术趋势 …………… 106
4.6.1 近结冷却技术 …………… 106
4.6.2 从晶体管到应用的“全栈优化”…………… 106
4.7 小结 …………… 107
4.8 参考文献 ……… 108
第 5 章 数据中心设备级节能………… 110
5.1 设备节能设计理念 ……………… 110
5.2 优化设备形态 … 1114
5.2.1 计算设备形态 …………… 111
5.2.2 存储设备形态 …………… 120
5.3 优化供电技术 … 121
5.3.1 提高 PSU 转换效率 ……… 121
5.3.2 提高单板供电电压 ……… 122
5.4 改进散热方式 … 122
5.4.1 风冷散热 123
5.4.2 液冷散热 123
5.5 设备级节能趋势 128
5.6 小结 …………… 128
5.7 参考文献 ……… 129
第 6 章 数据中心平台级节能………… 130
6.1 平台软件级节能技术 …………… 130
6.1.1 云计算与虚拟化技术 …… 130
6.1.2 操作系统节能技术 ……… 133
6.1.3 负载均衡调度技术 ……… 136
6.1.4 设备休眠技术 …………… 138
6.2 数据优化节能技术 ……………… 139
6.2.1 重复数据删除技术 ……… 139
6.2.2 精简置备技术 …………… 142
6.2.3 数据增量压缩技术 ……… 143
6.2.4 数据可靠性优化技术 …… 147
6.3 数据分级存储节能技术 ………… 150
6.3.1 数据分级存储 …………… 150
6.3.2 数据组织方式及云存储适配 ……………… 151
6.3.3 数据层级管理 …………… 153
6.3.4 数据迁移技术 …………… 155
6.3.5 分级存储节能 …………… 157
6.4 小结 …………… 157
6.5 参考文献 ……… 158
第 7 章 数据中心基础设施节能……… 160
7.1 数据中心选址 … 160
7.1.1 自然条件 160
7.1.2 非自然条件 ……………… 162
7.2 建筑节能技术 … 163
7.2.1 建筑结构节能 …………… 1635
7.2.2 建筑材料节能 …………… 164
7.2.3 合理规划布局 …………… 166
7.3 供电节能技术 … 168
7.3.1 新型供电节能技术 ……… 168
7.3.2 其他供电节能方法 ……… 171
7.4 制冷节能技术 … 172
7.4.1 自然冷却技术 …………… 172
7.4.2 液冷技术应用 …………… 179
7.4.3 其他制冷节能技术 ……… 184
7.5 小结 …………… 186
7.6 参考文献 ……… 187
第 8 章 数据中心运维管理节能……… 188
8.1 数据中心运维管理 ……………… 188
8.1.1 定义内涵 189
8.1.2 管理边界 189
8.1.3 组织架构 190
8.1.4 任务规划 192
8.1.5 技术体系 195
8.2 数据中心运维管理节能措施 …… 197
8.2.1 基础设施层 ……………… 197
8.2.2 系统平台层 ……………… 201
8.2.3 技术管理层 ……………… 201
8.3 数据中心智能运维 ……………… 202
8.3.1 智能运维发展趋势 ……… 203
8.3.2 智能运维关键技术 ……… 205
8.3.3 大语言模型与智能运维 … 207
8.4 基于智能算法的运维节能 ……… 208
8.4.1 基于智能算法的负载调度 208
8.4.2 基于深度学习算法的节能 208
8.4.3 基于智能算法的 PUE 寻优 209
8.4.4 面向节能的智能运维案例 210
8.5 小结 …………… 213
8.6 参考文献 ……… 214
第 9 章 数据中心模拟仿真节能……… 215
9.1 数据中心 CFD 数值模拟关键环节 216
9.1.1 模型构建 2166
9.1.2 控制方式设置 …………… 217
9.1.3 边界网格划分 …………… 218
9.1.4 数值求解 219
9.2 基于 CFD 的 IT 设备设计优化 … 220
9.2.1 风冷刀片服务器节能优化设计 …………… 220
9.2.2 风冷整机柜服务器节能优化设计 ………… 222
9.2.3 冷板式液冷服务器节能优化设计 ………… 223
9.2.4 单相浸没式液冷机箱节能优化设计 ……… 224
9.3 基于 CFD 的基础设施设计优化 … 226
9.3.1 配电区域节能评估和优化 227
9.3.2 制冷系统节能评估和优化 230
9.3.3 IT 主机房节能评估和优化 240
9.4 基于 CFD 的数据中心运维节能 … 246
9.4.1 CFD 辅助动环系统管理 … 247
9.4.2 CFD 辅助机房容量管理 … 247
9.4.3 人工智能辅助运维决策 … 248
9.5 小结 …………… 250
9.6 参考文献 ……… 250
第 3 部分 数据中心跨栈融合节能技术
第 10 章 数据中心负载感知节能 …… 252
10.1 基础软件平台感知应用负载节能 252
10.1.1 基于任务调度的节能技术 ……………… 253
10.1.2 基于虚拟机迁移的节能技术 …………… 254
10.1.3 自动精简配置技术 …… 256
10.1.4 基于定义网络的节能技术 ……………… 258
10.2 基于负载感知的平台资源调度… 260
10.2.1 基于负载感知的调度策略 ……………… 260
10.2.2 负载感知调度技术 …… 263
10.3 基于负载感知的基础设施节能… 265
10.3.1 基于传统负载感知的冷却节能 ………… 266
10.3.2 基于跨栈联动负载感知的冷却节能 …… 267
10.3.3 基于 IT 设备芯片温度感知的空调群控 … 268
10.4 平台层负载感知的环控节能技术 271
10.5 小结…………… 272
10.6 参考文献……… 2727
第 11 章 算电协同设计与算能融合 … 274
11.1 发展背景 ……… 274
11.1.1 历史沿革 ……………… 274
11.1.2 信息能源基础设施一体化 ……………… 275
11.1.3 能源互联网 …………… 276
11.1.4 算电协同设计与算能融合的区别 ……… 279
11.2 算电协同设计 … 279
11.2.1 算力负荷的时空转移特性 ……………… 281
11.2.2 储能与蓄冷的柔性调节 281
11.2.3 电力和热力系统的取长补短 …………… 282
11.2.4 算电协同设计的实施路径 ……………… 283
11.3 算能融合 ……… 283
11.3.1 算力负荷与多能互补耦合 ……………… 283
11.3.2 算力网与能源互联网一体 ……………… 284
11.3.3 算力调度与能量管理协同 ……………… 285
11.3.4 算力市场与能源价值统筹 ……………… 286
11.4 源网荷储一体化 286
11.4.1 源网荷储交互 ………… 287
11.4.2 新型电力系统 ………… 288
11.4.3 未来发展模式 ………… 290
11.5 典型应用场景 … 290
11.5.1 算电协同调度 ………… 290
11.5.2 分布式供能 …………… 291
11.5.3 新能源微电网 ………… 293
11.5.4 边缘计算与微电网 …… 294
11.5.5 新能源绿色智能计算中心 ……………… 295
11.6 发展趋势 ……… 295
11.7 小结 …………… 296
11.8 参考文献 ……… 297
第 4 部分 全栈节能数据中心设计与应用
第 12 章 绿色低碳智能计算中心 …… 300
12.1 智能计算中心的挑战…………… 300
12.1.1 电力“饕餮”…………… 301
12.1.2 延时敏感 ……………… 302
12.1.3 负荷抖动 ……………… 3038
12.1.4 迭代频繁 ……………… 305
12.1.5 运维昂贵 ……………… 305
12.2 智能计算中心的设计要点……… 306
12.2.1 建筑结构弹性优化 …… 306
12.2.2 供电架构和可靠性 …… 308
12.2.3 制冷资源和灵活性 …… 310
12.2.4 系统架构和极致计算效率 ……………… 311
12.2.5 基础设施联动调优 …… 312
12.3 算法级节俭型人工智能………… 312
12.3.1 大语言模型的架构创新 312
12.3.2 大语言模型的量化压缩 314
12.4 绿色低碳智能计算中心………… 315
12.4.1 绿色可再生能源 ……… 316
12.4.2 离网发电与并网发电 … 321
12.4.3 智能计算中心与绿电绿证 ……………… 322
12.4.4 余热回收和利用 ……… 323
12.4.5 政策与标准制定 ……… 324
12.5 小结…………… 325
12.6 参考文献……… 325
第 13 章 全栈节能信创数据中心 …… 327
13.1 信创产业的发展历程…………… 327
13.1.1 白手起家，筚路蓝缕 … 327
13.1.2 转型发展，风险浮现 … 328
13.1.3 发愤图强，迎头追赶 … 328
13.2 信创产业的生态体系…………… 329
13.3 信创产业与数据中心…………… 331
13.3.1 信创数据中心发展现状 331
13.3.2 信创数据中心节能需求 332
13.4 信创数据中心全栈节能创新…… 333
13.4.1 信创器件层节能技术 … 334
13.4.2 信创设备层节能技术 … 336
13.4.3 信创平台系统层节能技术 ……………… 337
13.5 信创数据中心的挑战与展望…… 338
13.5.1 信创数据中心面临的挑战 ……………… 338
13.5.2 信创数据中心技术与市场发展展望 …… 339
13.6 小结…………… 339
13.7 参考文献……… 3399
第 14 章 特种数据中心节能应用 …… 340
14.1 机动式数据中心节能…………… 340
14.1.1 车载数据中心节能 …… 340
14.1.2 船载数据中心节能 …… 343
14.1.3 机载航电系统节能 …… 346
14.1.4 战场无人装备节能 …… 348
14.1.5 分布式低功耗感知系统 349
14.2 特殊领域数据中心节能………… 350
14.2.1 地下数据中心节能 …… 351
14.2.2 高原数据中心节能 …… 353
14.2.3 高寒数据中心节能 …… 354
14.2.4 海岛数据中心节能 …… 355
14.2.5 荒漠数据中心节能 …… 356
14.2.6 风电塔筒数据中心节能 357
14.2.7 海底数据中心节能 …… 358
14.2.8 太空数据中心 ………… 360
14.3 小结…………… 364
14.4 参考文献……… 364
第 15 章 全栈节能数据中心系统工程 365
15.1 系统工程方法论 365
15.1.1 核心价值 ……………… 366
15.1.2 SWOT 分析 …………… 366
15.1.3 霍尔三维结构模型 …… 368
15.2 全栈节能数据中心顶层设计…… 369
15.2.1 战略决策时机 ………… 369
15.2.2 技术发展研判 ………… 370
15.2.3 业务需求分析 ………… 371
15.3 全栈节能数据中心系统工程实践 372
15.3.1 论证阶段 ……………… 373
15.3.2 设计阶段 ……………… 373
15.3.3 建设阶段 ……………… 375
15.3.4 运维阶段 ……………… 375
15.4 全栈节能数据中心规划向导…… 375
15.4.1 规划体系融入 ………… 375
15.4.2 基础设施规划 ………… 376
15.4.3 IT 系统规划 …………… 379
15.4.4 跨栈节能规划设计 …… 38210
15.5 全栈节能数据中心案例………… 382
15.6 小结…………… 383
15.7 参考文献……… 383
第 16 章 全栈节能数据中心评价 …… 384
16.1 数据中心评价… 384
16.1.1 评价类别 ……………… 384
16.1.2 评价方式 ……………… 385
16.2 数据中心节能相关评价标准…… 385
16.2.1 《绿色数据中心评价标准》 ……………… 385
16.2.2 《国家绿色数据中心评价指标体系》 …… 390
16.2.3 《绿色数据中心评价》 … 391
16.3 全栈节能数据中心评价指标体系 393
16.3.1 评价目标 ……………… 393
16.3.2 评价原则 ……………… 393
16.3.3 指标体系 ……………… 394
16.3.4 权重推荐 ……………… 395
16.3.5 指标说明 ……………… 396
16.4 小结…………… 398
16.5 参考文献……… 399
后记… 400
