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东数西算枢纽 当算力网遇上电力网
| 发布时间: 2022-06-15 14:14:30 | 219 次浏览
东数西算枢纽 当算力网遇上电力网
从1958年提出的“南水北调”到1986 年设想的“西电东送”,再到 1998 年开始酝酿的“西气东输”,中国通过探索和实践分别实现了水、电、燃气的南北调配、东西互济,资源配置格局得以实现优化。这种跨区域资源调度以实现最优解的举措并非先例,如今,“东数西算”工程盛大登场。这项工程遵循了资源调度逻辑,旨在优化供求格局和资源配置,虽有相似,但它与之前的大型工程仍有着明显的不同。


最大的不同,就是来源于“东数西算”所调配的资源:算力。


从算力到算力网


当前,算力正在逐步成为一个新的衡量国家和地区经济发展的重要指标。在电气时代,电力作为重要的基础资源,是经济社会发展的动力保障,电力能否稳定、有效、快捷地获取,在一定程度上决定了经济社会能否良好运行。随着人类社会迈入数字经济时代,算力将扮演相似角色。


虽然目前受制于技术发展问题,算力还没有像电力那样对工业革命产生颠覆性的影响,但从云计算、工业互联网和人工智能所发挥的价值来看,算力能带来的改变难以估量。如今的电力已经成为经济社会良好运行的“标配”,算力则成为了各行各业高精尖发展的“顶配”。


类比于电网为各类电气电子设备提供电力,算力网络是为数据的计算提供计算力服务的网络。原有的计算力资源通过算力网络实现整合优化,其可帮助原有各机构的算力资源实现共享、弹性按需调动,节省大量分布式边缘节点的资产投资和运维成本。


从实验室里的超级计算机到单位里的服务器、办公电脑,再到个人手里的手机平板,算力遍布于我们生活的各个角落,已然成为了当下重要的生产资料。随着技术的进步,物联网正在走向成熟应用,产生的数据量越来越庞大,对计算资源及计算能力也提出了更高的要求。云计算在一段时间内曾充分满足了物联网终端设备的资源期待,但随着市场和技术的发展,物联网终端的数量飞速增长,设备不断产生实时数据,而受制于能源、土地等因素,建设在东部沿海等发达地区的云计算数据中心的增长速度远远落后于数据处理需求的增速。幸运的是5G、全光网(网络传输和交换过程全部通过光纤实现)、软件定义网络(Software Defined Network,SDN)等网络技术的发展让网络传输不再是限制算力分发的瓶颈,在新技术的支持下,算力网络应运而生:将算力资源信息通过网络进行分发,在算力资源提供方与算力消费方之间搭建一个交易平台。也正是依赖于技术革新和算力网络模式的形成,“东数西算”拥有了技术上实现的可能。


搭建全国一体化算力网络


我国发展算力网络,需要建立大规模的数据中心作为载体,但建立数据中心不仅需要土地资源,还需要消耗大量电力资源。从算力需求分布来看,东部地区算力需求旺盛而西部算力需求不足。但东部地区却面临能耗指标紧张、电力成本高等问题,数据中心建设发展面临瓶颈,树挪死人挪活,西部地区资源充沛,不管是工业用地价格还是电价均具备成本优势,至于绿色电力,西部地区更是具备丰富的风光电力资源。而启动“东数西算”,有利于破解算力资源“一二线紧张,三四线充足”的局面,推动数据中心合理布局。


“东数西算”工程采取因地制宜模式,将后台加工、离线分析、存储备份等对网络时延要求不高、访问不频繁的温冷数据调度至发电低碳、用电低成本的西部,从而优化东部数据中心资源,以承接时延要求较高的热数据计算。因而数据搬迁并不是简单地全盘打包带走,它有着更为丰富的内涵。京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝4个节点,服务于重大区域发展战略实施的需求,将进一步统筹好城市内部和周边区域的数据中心布局。贵州、内蒙古、甘肃、宁夏4个节点,将打造成面向全国的非实时性算力保障基地,积极承接全国范围的后台加工、离线分析、存储备份等非实时算力需求,并承担本地实时性算力处理。


从供需关系的视角出发,“东数西算”工程需要推动算力基础设施分级分类、梯度布局,引导非实时性温冷数据西移,而实时性算力需求热数据在东部地区实现绿色集约化布局,城区内部则作为算力“边缘”端支撑金融、智慧电力等实时性要求极高的业务需求,让需求与资源更好地匹配。


“东数西算”的说法是为了便于各行各业形象地理解这项工程,但在文件中的正式表述是“建设全国一体化算力网络国家枢纽节点”。因此,“东数西算”的最终目标,是建立全国一体化算力网络。“东数西算”工程需要实现算力枢纽间直连互联、构建算力网络,为未来算力资源跨区域灵活调配提供通道基础;打通跨行业、跨地区、跨层级的算力资源,从而形成算力服务资源池,让算力成为电力一样的公共资源。


相互交织的算力网与电力网


计算的本质是把数据从无序变成有序,熵增过程一定需要能量的输入,因此算力水平的提升会带来用电水平的提升。随着数字经济的发展,算力增长将成必然趋势,而算力的高耗能属性决定了其对电力的依赖,据不完全统计,2020年全球发电量中,约5%用于计算能力消耗,而这一数字到2030年将有可能提高到15%~25%,电力与算力天然具有密不可分的关系。


电力基础设施与算力基础设施同是“一行带百业”,分别显示出宏观经济、数字经济发展的“阴晴雨雪”,二者的发展形态呈现极为相似的演进路径。


企业的单体数据中心以自建自用为主,缺乏布局规划与建设标准,类似于早期企业的“自备电厂”或是UPS电源。数据中心集群依靠其集约型设施的规模效应,能够向更多的对象提供算力服务,满足部分缺乏自建算力设施能力的需求主体,类似于“电源基地”。算力网络则是云网融合、算网融合趋势下的新型网络形态,通过数据中心集群间的网络直联形成算力资源统筹调配的管道,类似于“电网”。


在搭建好算力网络基础设施之后,算力网络同样需要经历和电网类似的发展与变化。毕竟算力网络并不是简单地将算力直接在网络中分发,它还需要与算力交易、网络订购等业务关联起来,形成一个体系架构,才能解决供需匹配和算力交易两个层面的问题。在供需匹配上,需要实时将用户的需求与算力资源和网络资源进行匹配以满足不同用户的需求。而在算力交易层面,涉及的又不仅仅是购买和用户需求匹配的算力,也包括将相应计算结果及时反馈的网络资源,这些环节的可靠运行,高效稳定的算力交易平台必不可少。


算力网络与电网有着相似的发展路径,也有着相同的愿景:实现“双碳”目标、为经济社会稳定发展提供动力与支撑,正是这相同的愿景,让两者的未来交织在了一起。因此对数据中心电能利用效率的更高要求,将推动未来算力、电力在规划、运行机制上相互融合、协同发展。中国通信工业协会数据中心委员会常务副理事长、中国IDC圈创始人 CEO黄超告诉本刊记者:“虽然目前电网和算力网络是相互独立建设、运行的两套网络,都是各自发展的,但在实际发展中算力网络与电网相辅相成。


对于算力网络来说,电网是稳定的基础。只有具备了稳定的能源供给体系,数据中心、网络设施等数字基础设施才能稳定运行。对于电网来说,数据中心等数字基础设施能耗的不断攀升,给很多地区的供电都造成了压力。算力网络的进阶形态可以通过协调分配不同地区的数据中心的算力,减少核心地区对电力的需求,这对电网的均衡和稳定有着积极的意义。”


数据中心集群不仅是电网大用户,更是新型负荷主体,将有效提升可再生能源基地资源消纳水平。黄超向记者解释道:“数据中心本身具有较大的能源需求,同时也有储能备用的要求。绿电消纳的难题之一就是绿电的不稳定性,而数据中心的储能体系可以很好地解决这一问题,绿电先进入储能设施,出来后就是稳定的电力了。


从与电网的互动角度看,数据中心一方面具有储能的能力,另一方面也有完备的输电、供电设施,具备了与电网协作的可能。简单来说,数据中心可以在用电低谷期存储、消纳包括绿电在内的剩余电力。在用电高峰期,反向供电,帮助电网提供更多的电力。在未来,很多地区的储能型数据中心,不仅仅是本地的算力节点,也能成为本地的能源节点。”


在算力网络发展过程中,绿色低碳的目标贯穿始终,不论是引入芯片封装优化、处理器动态功耗调节、服务器液冷、数据中心节能等技术方案,还是从芯片、设备到数据中心进行端到端的系统级能效优化,有效降低数据中心PUE,都是为了实现“双碳”目标,推动经济社会可持续发展。中国信息通信研究院发布的《数据中心白皮书(2022年)》中提及了未来光伏、风电、储能、锂电池等绿色电力和供配电节能技术研发与应用在数据中心发展过程中也将不断深入,数据中心绿色低碳技术研发和应用都将进一步发展。在这条发展前路上,少不了与电网的有机协同。


国家电网有限公司有关人士告诉本刊记者:“算力网的发展目标与电网特别是新型电力系统的特征是一脉相承的,新型电力系统的特点是清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动,而算力网络也需要建设一张安全可控、清洁低碳、灵活高效、智能开放的网。”电网与算力网上的主要企业也有着许多合作机会,比如数据中心企业与电力企业可以共同探索“数据中心+新能源+储能”模式,既能助力西部地区新能源消纳,也可以提高数据中心电力供应的稳定性,有效降低数据中心用电成本。数据中心不仅可以发展为负荷可变、可调的复合体,满足电力系统灵活性调节需求,还可以在未来为新型电力系统运行提供算力支持。


现代化基础设施体系的重要一环


如何在节能减排的约束框架下建设数字化基础设施,即“东数西算”和数字产业当前最急需解答的课题。《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》中强调“加强数据中心统筹规划和规范管理,开展数据中心、网络、土地、用能、水、电等方面的政策协同,促进全国范围数据中心合理布局、有序发展。”


截至2022年年初,国内已建成的数据中心为500万标准机架,整体算力达到130EFlops(每秒百亿亿次浮点运算),并将以20%以上的速度持续增长。仅从数字上看,算力规模的增长非常乐观,但是总量的增长并不能掩盖分布的不均衡,北京、广东、上海的算力规模位列前三,浙江、广东、江苏等东部省份的算力增速超过60%。算力需求大户也主要集中在东部沿海一线城市和准一线城市。现阶段看似需求与供给十分匹配,但东部沿海、一线城市和准一线城市的各类资源有限,能够分配给数据中心的能源、土地、网络等资源都会在不远的将来见顶,如若不能未雨绸缪,那国内缺乏总体布局的算力结构势必会损害中国数字经济的整体效率。


扭转和改变这种需求不均衡导致的低效状况,无疑是一个循序渐进的系统性工程,“东数西算”本质上是一项长期规划。既然和南水北调相提并论,“东数西算”工程的基建属性不言而喻,如同传统基建“西电东送”“西气东输”等国家级重大工程作为骨干通道支撑电力、天然气等资源跨域流通与统筹调配一样,将大型和超大型数据中心布局到可再生能源等资源相对丰富的西部地区,统筹调度东西部数据中心算力需求与供给,以实现全国算力、网络、数据、能源的协同联动。正因如此,我们看待全国一体化算力网络的视角就不能执着于眼前的一年两年会带来多大量级的投资规模和怎样的产业发展机遇。


2008年,为应对全球金融危机,国家推进大量基础设施建设,依靠高铁、高速、机场等设施搭建了一张遍布全国各地的交通运输网络。在这张运输网络的建设过程中,出现了各种各样的杂音,甚至有人提出了“高铁那么快有什么用”的质疑。但正是依靠这张网,2021年中国社会物流总额达335.2万亿元,日均业务量超过2.66亿件,日均服务用户超过5亿人次;而国内物流也为国内电商的蓬勃发展奠定了坚实基础,2011~2018年全国电商交易规模增速始终保持在10%以上。


长远看来,“东数西算”工程将是一个更大时间尺度的整体性系统化工程,期间还有很多的现实问题需要解决,如果过度在意短期的产业红利,反而容易捡了芝麻丢了西瓜。随着“东数西算”实现国内经济结构和算力布局的统筹优化,未来全国统一的算力网络将推动产业数字化和数字产业化的转型,催生出新技术、新产业、新业态和新模式,进而推进中国全体系化产业升级。


与算力网络和电网息息相关的数字经济,在当下成为世界各国应对新冠肺炎疫情冲击、加快经济社会转型的重要选择。世界各国加快新型基础设施布局,以5G、人工智能、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的新型信息基础设施逐步成为全球经济增长的新动能。2020年中国数字经济规模达到39.2万亿元,占GDP比重达38.6%,保持9.7%的高位增长速度,更是稳定经济增长的关键动力。算力网络与电网是现代化基础设施体系的重要组成部分,这两张大网连接着未来数字经济的各个环节,它们相互交织,共同构成数字经济发展新的支撑。一代人有一代人的长征,织好这两张网就是我们为下一次技术革命与经济腾飞打下的坚强基石。