2024年電力算力協(xié)同：需求、理念與關(guān)鍵技術(shù)報告-南網(wǎng)數(shù)研院（蔡田田）

馬溪原，王鵬宇，錢琳，蔡田田南網(wǎng)數(shù)研院研發(fā)中心，南網(wǎng)大數(shù)據(jù)公司南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司電算協(xié)同背景與意義目錄目錄2Al的盡頭是能源，算力的盡頭是電力?！拔覀兇_實需要比之前認為的更多的能源，未來兩種重要貨幣是智能計算和能源”?！拔覀冃枰司圩?，或者更便宜的太陽能加上超大規(guī)模的存儲或其他技術(shù)，是那種從沒人真正規(guī)劃過的規(guī)模水平。”——2024年達沃斯世界經(jīng)濟論壇，奧特曼2025年，Al就會由缺“芯”轉(zhuǎn)為缺“電”。——2024博世互聯(lián)世界大會，馬斯克3用電量(用電量(億千瓦時)南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司隨著數(shù)字經(jīng)濟飛速發(fā)展，到2035年，中國數(shù)據(jù)中心和5G總用電量將達6951-7820億千瓦時，將占中國全社會用電量5%-7%1。數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施將成為影響電力系統(tǒng)能量供需平衡的重要負荷。全社會用電量占比全社會用電量占比和考平圓二和考平圓二櫥調(diào)督罩衡二用電量(萬千瓦時)湖增情基量一6%中國2020-2035年5G能耗增長中國2020-2035年數(shù)據(jù)中心能耗增長中國數(shù)據(jù)中心用電需求預(yù)測(至2030年)2中國數(shù)據(jù)中心和5G總用電量(至2035年)3數(shù)據(jù)來源：1.國際環(huán)境保護組織綠色和平、工業(yè)和信息化部電子第五研究所計量檢測中心《中國數(shù)字基建的脫碳之路：數(shù)據(jù)中心與5G減碳潛力與挑戰(zhàn)(2020-2035)》,2021年5月42.中國電力發(fā)展促進會電力與算力協(xié)同發(fā)展專業(yè)委員會《電力與算力協(xié)同發(fā)展監(jiān)皮書》,2024年8月3./2021/05/28/china-digital-infrastructure-carbon-emission-2035/3.4中國智算服務(wù)器計算能力與算力單位能耗與歐美英偉達等存在一定差距，導(dǎo)致建設(shè)相同算力的智算數(shù)據(jù)中心，需要更加高昂的建設(shè)和運營成本。測算數(shù)據(jù)顯示，萬P算力中心造價成本預(yù)計多花費34億元，運營成本每年多花費約2億元1。3333臺8卡服務(wù)器1250臺8卡服務(wù)器英偉達英偉達H100萬P算力集群單位：(億元)可提升點12共享UPS、柴發(fā)直流供電3新型算力配電網(wǎng)新型電價機制5綜合造價17.19/年9.325/年--全國一體化算力網(wǎng)建設(shè)中華人民共和國國家發(fā)屬和改革要員會門全國一體化算力網(wǎng)建設(shè)中華人民共和國國家發(fā)屬和改革要員會門算力調(diào)度體系、推動算力與綠色電力一體化融合，實現(xiàn)電算協(xié)同高質(zhì)量發(fā)展。實施算力與電力協(xié)同項目國家發(fā)展改革委、數(shù)據(jù)局關(guān)于印統(tǒng)籌數(shù)據(jù)中心發(fā)展需求和新能源資源稟賦，開展算力、電力基礎(chǔ)設(shè)力協(xié)同運行水平，提高數(shù)據(jù)中心綠電占比，降低電網(wǎng)保障容量需求數(shù)據(jù)中心綠色低碳要求中華人民共和國中央人民政府s布局，國家樞紐節(jié)點數(shù)據(jù)中心項目電能利用效率不得高于1.2。國家樞紐節(jié)點新建數(shù)據(jù)中心綠電占比超過80%。o一、電算協(xié)同背景與意義南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司電算協(xié)同：“西電東送”與“東數(shù)西算”戰(zhàn)略全方位、深層次的協(xié)同，是落實國家重大戰(zhàn)略的迫切要求?！皷|數(shù)西算”工程分布“西電東送”示意“東數(shù)西算”工程分布京津唐樞綠樞綠京津算張家口座群寧夏柜細柜組寧夏柜細北部通道中部通道南部通道長三角地區(qū)北部通道中部通道南部通道長三角柜理貴州柜級柜理貴州柜級重慶集群壽港溪重慶集群框細超關(guān)集群框細超關(guān)集群17南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司目錄目錄8總體目標：數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗，促進數(shù)據(jù)中心綠電消納，提升算力電力協(xié)同運行水平。分布式資源新能源集群(風(fēng)電場、光伏電站)新型電力系統(tǒng)9對外對內(nèi)數(shù)據(jù)中心對外對內(nèi)分布式資源IT設(shè)備分布式資源光伏風(fēng)電光伏芯片機柜柴發(fā)制冷系統(tǒng)其他系統(tǒng)主板風(fēng)扇照明1風(fēng)扇器高壓配電器高壓配電低壓配電電池二、電算協(xié)同基本原理與路徑南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司對內(nèi)綠色高效算力中心關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制綠色高效算力中心關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制元器件級：√低功耗高性能芯片研制裝備級：√高效能算力服務(wù)器√高效能分布式存儲裝備√高效能制冷裝備研制√數(shù)字化柔性直流算力裝備調(diào)控方法：√異構(gòu)算力精準感知與控制技術(shù)√分布式存儲節(jié)點自適應(yīng)伸縮技術(shù)√制冷系統(tǒng)自適應(yīng)熱管理控制技術(shù)√冷卻需求AI算法預(yù)測數(shù)據(jù)中心算力節(jié)點源網(wǎng)荷儲一體化數(shù)據(jù)中心算力節(jié)點源網(wǎng)荷儲一體化對外算力節(jié)點源網(wǎng)荷儲可靠供電技術(shù)算力節(jié)點源網(wǎng)荷儲可靠供電技術(shù)源分布MS%境屋授光伏車桂光伏，發(fā)電機等發(fā)電設(shè)備網(wǎng)保安負荷：如T設(shè)備(基站沒備)等菏分布式儲能EMS系統(tǒng)決設(shè)備，包括電化學(xué)儲能、M沖店等 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)節(jié)能12%。節(jié)能節(jié)能溫材料即力能耗占70%液沖電氣系統(tǒng)能耗占21%節(jié)稻變壓漏/高壓直流光伏/同能/儲能其他能耗占8%理平臺風(fēng)房能耗換浸沒式液冷原理及裝備南網(wǎng)大數(shù)據(jù)公司自研裝備氟泵空調(diào)模塊化機柜CFD熱仿真封閉冷鉛通道NX1節(jié)能變壓器光伏智能照明光伏智能照明體能體能自然光照明自然光照明當前高效供電方式一巴拿馬系統(tǒng)六移相變壓器36脈波整流器◆半控整流，THD高達8%◆工頻開關(guān)，動態(tài)特性差◆不適用于直流配網(wǎng)◆到板峰值效率92%值效率η=92%+◆電網(wǎng)負荷小◆適應(yīng)未來全直流供電數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢◆超高頻開關(guān)，動態(tài)特性優(yōu)越◆到板峰值效率峰值效率98%高效中間母線電源峰值效率97%輕載DCX休眠增效切換開關(guān)兼容口使用相同云服務(wù)：2VCPU,4GB內(nèi)存阿里云：負載(Sort)運行時間為226秒，所用費用：0.45元/小時*(226/3600)=0.03元華為云：負載(Sort)所用費用：0.4元/小時*(187/3600)=0.02元異構(gòu)異屬算力缺少算力的統(tǒng)一計量標準現(xiàn)有算力計量方法是供給側(cè)計量(按時長計費)不繡鋼管架空地線鋁合金絲架空地線填充油音延長桿哪連提頭預(yù)絞絲度度(2)“線”關(guān)鍵技術(shù)：跨域數(shù)據(jù)中心直連高速通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)超高速收發(fā)超高速收發(fā)設(shè)備原型備原型光幅璃由示意國石治給發(fā)a路由2(新理)aLCC素材來源：鵬城國家實驗室二、電算協(xié)同基本原理與路徑南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司里新能源集群(風(fēng)電場、光伏電站)發(fā)電二、電算協(xié)同基本原理與路徑南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范電源要求數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范電源要求中華人民共和國國家標準PP數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范電源系統(tǒng)要求：8.1.7電子信息設(shè)備宜由不間斷電源系統(tǒng)供電。8.1.12A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)設(shè)置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路。201705-04發(fā)布2018-01-01實施中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部算力中心的建設(shè)成本除IT設(shè)備及土建工程外，電氣系統(tǒng)(變配電、外電、柴發(fā)、不間斷電源)和暖通系統(tǒng)合計成本占比最高，一般超過總成本的50%以上，以某數(shù)據(jù)中心B為例，基礎(chǔ)設(shè)施總建設(shè)成本為8.49億元，暖通占總成本25.04%,電氣部分(變配電、外電、柴發(fā)和不間斷電源)占總成本的數(shù)據(jù)中心A數(shù)據(jù)中心B_5%_5%南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司削峰填谷削峰填谷能源、負荷特征d能源、負荷特征d算力時間轉(zhuǎn)移電力供應(yīng)電力消耗算力時間與空間轉(zhuǎn)移電力供應(yīng)電力消耗算力-電力互動差輔助服務(wù)算力空間轉(zhuǎn)移輔助服務(wù)互動調(diào)節(jié)元素DAGlobslobHeterogeneitySchw數(shù)據(jù)中心，從而使南通機房相關(guān)電力負荷下降約100千瓦，約150千瓦時電量轉(zhuǎn)移至張北機房，提高了該時段華北電網(wǎng)可再DAGlobslobHeterogeneitySchw·全球范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心和電力系消納為目標的協(xié)同調(diào)度；·國內(nèi)首次跨區(qū)域“算力·電力”優(yōu)化調(diào)度驗證實驗。N△O口Nw△N△O口Nw△·算力負荷可隨智算任務(wù)在數(shù)據(jù)中心間轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移。A機房服務(wù)器(1)功率平均值(kw)算力轉(zhuǎn)移結(jié)束OO-平均值-二、電算協(xié)同基本原理與路徑南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司 0CPU占用率算力轉(zhuǎn)移結(jié)束 存儲磁盤占用率結(jié)論：1)算力任務(wù)過程中，對接受任務(wù)服務(wù)器CPU占用率較高；2)算力任務(wù)轉(zhuǎn)移后，GPU功耗、內(nèi)存、存儲磁盤和顯存占比顯著提高。01算力轉(zhuǎn)移開始顯存占比算力轉(zhuǎn)移結(jié)束 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司節(jié)點1的電力計平電力能酒及橫規(guī)劃算力中心交互節(jié)點交互節(jié)點算力中心電力能酒及橫規(guī)劃算力中心交互節(jié)點系統(tǒng)用戶平臺應(yīng)用服務(wù)于大統(tǒng)銜力家?guī)煜稻€及方旅生戶系所大數(shù)據(jù)場景中中史電算協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)震置力震置力中心電中心電網(wǎng)供應(yīng)電力供電網(wǎng)供應(yīng)甲算網(wǎng)配套電力配套 、電算協(xié)同基本原理與路徑南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司“東數(shù)西算”工程分布和林格爾集群和林格爾集群津算蛋家口集群中衛(wèi)集群班蛋家口集群中衛(wèi)集群慶陽集群蕪油集群天府集群算力節(jié)點中部通道電力節(jié)點三角生態(tài)綠色一體化發(fā)屬爾范區(qū)集群天府集群算力節(jié)點中部通道電力節(jié)點重慶集群超關(guān)集群責(zé)安集群算力網(wǎng)絡(luò)算力節(jié)點責(zé)安集群電力網(wǎng)算力網(wǎng)“西電東送”+“東數(shù)西算”二、電算協(xié)同基本原理與路徑電力算力協(xié)同第一性原理(本質(zhì))是“經(jīng)濟-綠色-可靠”三者之間“三角”不可能難題。算力用戶需求：(1)可靠：算力(低時延、準確率);(2)經(jīng)濟：低算力價格算力運營商要求：(2)經(jīng)濟：低用電成本、低能耗設(shè)備(PUE低)(3)綠色：新能源等綠電占比提高對電網(wǎng)公司要求：(1)安全可靠：供電可靠性、電能質(zhì)量(2)經(jīng)濟：利用算力可調(diào)節(jié)靈活特性，挖掘調(diào)節(jié)支撐電網(wǎng)潛力(3)清潔低碳：新能源消納電力算力網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)譜系工電算協(xié)同交易電算協(xié)同調(diào)度·電算融合的算能計量技術(shù)·電算協(xié)同交易電算協(xié)同調(diào)度·電算融合的算能計量技術(shù)·電網(wǎng)友好型數(shù)據(jù)中心技術(shù)·算網(wǎng)協(xié)同調(diào)度引擎與算法·電力智算節(jié)點異構(gòu)GPU池化與融合管控約化·電力網(wǎng)-算力集群-通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)同規(guī)劃·數(shù)據(jù)中心高速直連通信技術(shù)技術(shù)·確定性電算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及裝備·分布式云本體安全防護技術(shù)·綠色高效算力中心技術(shù)與裝備·電力市場機制引導(dǎo)下的算力交易技術(shù)·電算市場協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)、商業(yè)模式及交易平臺南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司目錄目錄三、近期重要進展南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司8月29日，2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會成功舉辦。南方電網(wǎng)公司聯(lián)合中國電力企業(yè)聯(lián)合會、中國信息通信研究院在貴陽舉辦“電力算力協(xié)同暨電力數(shù)據(jù)要素市場發(fā)展”交流活動，發(fā)布《電力算力協(xié)同行動計劃》。《電力算力協(xié)同行動計劃》發(fā)布現(xiàn)場《電力算力協(xié)同行動計劃》10項重點任務(wù)：一一是創(chuàng)新突破電算能耗模型、通感算一體高速通信、算力計量、電算協(xié)同定價交易和結(jié)算等協(xié)同規(guī)劃、協(xié)同建設(shè)、協(xié)同調(diào)度、協(xié)同交易“4”類關(guān)鍵技術(shù)。二是孵化高效能算力服務(wù)器等綠色高效算力設(shè)備，以及電算協(xié)同調(diào)度交易平臺“2”類關(guān)鍵產(chǎn)品。三是建設(shè)“源網(wǎng)荷儲“一體化零碳數(shù)據(jù)中心集群、電算協(xié)同區(qū)域數(shù)據(jù)中心集群、大范圍協(xié)調(diào)互濟算力網(wǎng)、跨行業(yè)電算協(xié)同等“4”個工程示范。以“清潔瓦特”催生“綠色比特”以“充裕瓦特”支撐“規(guī)模比特”以“高效瓦特”助力“能效比特”三、近期重要進展南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司電力算力協(xié)