“芯”技术，助力“双碳”下数据中心新发展

一、背景与政策

随着4K/8K高清技术、大数据应用的普及，以及AIoT、HPC/HPDA、5G、元宇宙等新技术不断发展，各行各业对于数字化转型升级的进度明显加快，数据总量明显呈爆发式增长，催生出了海量多元化的数据。2025年将是“十四五”规划的收官之年，全球数据量将突破175 ZB，而中国的数据量也将增至48.6 ZB，占全球27%，成为全球最大宗的数据量。随着技术进步以及大数据的国家战略加速落地，我国的数据中心数量和机架规模也有着明显高速增长，省级的大型、超大型的数据中心也逐渐成为建设的主流，包括互联网、金融等行业的数据中心也已进入了快速扩张期。如图1，截止到 2022 年年底，我国在用数据中心机架数量达到 670万架，近五年年均复合增速超过 30%。其中，大型以上数据中心机架规模增长更为迅速，按照标准机架 2.5kW 统计，大型规模以上机架数量为540万架，占比达到80%。

图1 我国数据中心机架规模预测

（来源：网上公开资料整理）

与此同时，数据中心也面临着前所未有的挑战。数据中心作为事实上的耗电大户，目前全球数据中心的耗电大约占据全球每年总用电量的2% - 3%，电费在数据中心运营成本中占比超过50%。而国家的“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式，因此加快降低碳排放步伐，有利于引导绿色技术创新，提高产业和经济的全球竞争力。因此数据中心的能耗问题总能引发多方关注，而有关节能减排的相关政策法规也正在密集发布。

2021 年 10 月，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布。同月，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》。

2021 年 11 月，工业和信息化部印发《“十四五”工业绿色发展规划》，针对工业领域提出加速生产方式数字化转型，利用数字技术赋能绿色制造。

2022年8月，科技部、国家发展改革委、工业和信息化部等9部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》，统筹提出支撑2030年前实现碳达峰目标的科技创新行动和保障举措，并为2060年前实现碳中和目标做好技术研发储备。

针对数据中心的能耗问题，发文中提出：

“要分业施策，分类推进，加快技术推广，强化对标达标，系统提升能效水平。持续开展国家绿色数据中心建设，引导数据中心扩大绿色能源利用比例，推动老旧数据中心实施系统节能改造。到2025年，新建大型、超大型数据中心电能利用效率（PUE，指数据中心总耗电量与信息设备耗电量的比值）优于1.3。”

在明确的政策目标的情况下，面对新的要求和挑战，数据中心将往新型数据中心进行不断创新与发展。

二、新型数据中心的挑战与新发展

1. 合理规划存算比例及提高利用率，将实现有效降低新型数据中心能耗的目标

伴随着高性能计算、大数据、AI等先进生产技术的结合，我国数据业务已经由计算密集型走向了数据密集型，因此数据中心也将由高性能计算集群（HPC）向高性能数据分析集群（HPDA）演进。数据中心建设需求呈现出承载数据源多，数据量大，节点性能要求高，吞吐高等多元化的特点。企业数字化和智能化转型，将不断的驱动数据走向生产系统和决策系统，因而数据本身的价值也在不断提升。

而在当前，我们对数据中心的能力指标简单衡量为算力。响应“双碳”的政策，如果将算力比喻为电动汽车的发动机，那么存力则为电动汽车的动力电池，是存储系统在数据采，存，算，管，用各方面的一种综合能力。在过去的数据中心建设过程中，摩尔定律不断的提高了“发动机”的功率，让算力不断冲击着人们的视角，但却忽视了“动力电池”的品质、安全和供应。

另外，数据中心的算力和存力的能力需要相互匹配，才能有效降低能耗，提高效率。业内通常是采用每秒浮点运算次数（Floating-point Operations Per Second，Flops）或者调整后的峰值性能（Adjusted Peak Performance，APP）定义算力，算力的使用率可以通过CPU的使用率进行衡量，而定义存储能力是采用存储容量及性能，容量的大小决定了保存数据量的多少，数据量决定了算力的使用率。经过调研发现，当前全球数据中心的CPU利用率并不高，比如谷歌数据中心的CPU利用率最高约为75%，而中国某大型电商的CPU利用率约为45%。可见，即使在虚拟化技术非常流行的今天，数据中心的算力利用率还有较大的提升空间。

而我国数据中心的存力建设已跟不上我国数据增长的速度，也成为我国数字经济高速发展最大的瓶颈。以美国为例，存力与算力的能力比达到1:1，投资比例达到了1:2，而中国这两个数字仅为1:2和1:3。以我国的数据量和增长速度，按照目前的数据中心建设模式，几年后我国数据中心势必会出现存力短缺和算力极大浪费的危机。所以，提升存算比例到1:1，让存力和算力规划建设更合理，资源更加高效联动，是当前新型数据中心建设的当务之急。

2. 闪存占比，是牵引“双碳”目标达成的核心指标

据国家能源局数据显示，2020年中国数据中心耗电量突破2000亿千瓦时，创历史新高，耗能占全国总用电量2.7%。有人曾打过这样的比方，2020年全国数据中心耗电量2000亿度电相当于两个三峡与两个葛洲坝水电站的发电总量。

数据中心能耗高居不下，除了处理器之外，大量机械硬盘的存在亦是关键因素。当前数据的承载方式主要为磁介质的机械硬盘（HDD）和闪存介质的闪存盘（SSD）。

从性能上来看，SSD相比于以往的HDD，单盘吞吐量提升千倍以上，时延也缩短了数十倍。尤其是采用 NVMe 协议以后，缩短了软件层面CPU到SSD的路径，使得闪存性能得到进一步提升。从IOPS、低延时、吞吐量三个常用的存储性能指标具体来看，SSD在性能上远超HDD。从能耗上来看，闪存的能耗将降低70%，空间占用也会节省50%。最后从可靠性来看，SSD内部没有机械部件，所以使用时即便高速移动甚至震动，一般也不影响，但是HDD在使用时，是通过磁头读取盘片来完成数据读写，因此非常怕震动，特别是在使用时遭遇撞击或震动，极有可能发生损坏。

因此提升数据中心闪存比例，不仅能大幅降低数据中心TCO总成本，还能有效推进数据中心低碳化运转。根据Gartner近五年数据中心数据载体的分析统计（见图2），美国数据中心的闪存半导体介质容量占比是中国的2.2倍（53% vs 24%），中国的闪存介质普及率还很低，仍然以机械硬盘为数据主流载体媒介。但比较积极的消息是，从2021年发布的《行动方案》开展与落地，数据中心对于数量和质量都会有着极高的建设需求，绿色节能、安全可靠的全闪存数据中心必然会成为建设的主要方向，也将加速推动闪存相关技术与产品的普及。预计到2025年，中国全闪存数据中心新建普及率有望达到100%，有望在 2021-2025 年累计节约 750 亿 KWh，将进一步为我国绿色节能及“双碳”目标做出重要贡献。

图2 闪存半导体介质容量占比

（来源：网上公开资料整理）

3. 存储介质闪存化，SSD将是未来5年新型数据中心的核心

面对数据中心不断演进发展，存力也在爆发式的增长，因此存储系统在其中也扮演着越来越重要的角色，而闪存介质亦是当前数据中心发展的大势所趋。如图3，根据 IDC 统计，2020年，全球范围内，在企业级固态硬盘上的支出已经超过传统硬盘，这一趋势将继续加大，预计在2023年SSD将是HDD的2倍以上。类似地，Gartner 也有同样的统计结果。另外，2022 年SSD与HDD的TCO已经形成黄金交叉，意味采购SSD的花费将更少。

图3 2018-2023全球机械硬盘和固态硬盘出货量

（百万个）（来源：网上公开资料整理）

而在数据中心的业务来看，全闪存正向全场景扩展。闪存的应用从之前单一的核心业务逐渐扩宽至普通及边缘非核心业务，多种场景的存储介质都由 HDD 向 SSD 升级替代方向发展；主要体现在主存储系统借助SSD介质，可以对热数据进一步加速，时延低至微秒级；在备份系统上，通过闪存加速，有效提升备份系统性能，将原来的备份时间由小时级缩短为分钟级，确保备份数据即时可用；在归档系统上，SSD作为归档缓存提供高访问性能，归档数据访问时间从小时级降低到分钟级。

上述是从成本与性能上来看，SSD相比HDD的优势十分明显，另外针对“双碳”下的数据中心如何解决数据存储节能的问题，进一步推动新型数据中心整体低碳化发展，业界提出了一种“全闪存数据中心”解决方案。“全闪存数据中心”的核心观点是介质全闪存化，即逐步提升数据中心存储介质闪存化比例，最终实现全闪存化。加速数据中心向“磁退硅进”战略方向演进。由此也可以看出，SSD将是未来5年新型数据中心的核心。

三、华存PCIe 5.0“芯”技术助跑“双碳”目标实现

通过全闪存介质来解决新型数据中心的能耗问题，同时优化存储系统的能力，已成为最佳实践路径。因此闪存介质尤其是能够拥有NVMe的SSD的主控芯片自主研发能力的厂家选择，是存储系统优化的关键核心要素之一。华存电子自主研发的PCIe 5.0企业级固态硬盘主控芯片HC9001，在新型数据中心存储系统的高性能架构优化、智能数据管理、安全可靠稳定性上都有大幅的提升。针对能耗优化，华存HC9001的优势主要体现在以下两方面：

架构能耗优化

当前主流的磁盘阵列服务器，其机械硬盘在物理上是7*24小时不间断高速转动运行，在温度到达警戒与临界温度时，才会做适当地降载动作，对于长期的高功率运行而言，短时的降载对于节能而言显得微不足道。相比之下，采用搭载华存HC9001作为PCIe 5.0 SSD主控的服务器，能通过华存先进的iPower技术，主动依照接口数据情况决定负载模式；或进入低负载模式后，主动与系统同步并将模式切换时间上报给系统，降低由SSD所造成服务器内的无效功耗，最终可依比例降低SSD 30%至50%的功耗，从而更有效地帮助新型数据中心达到监管层面降低PUE的要求。

算法能耗优化

如图4，华存创新的XSDirectA智能算法，通过华存PCIe 5.0 HC9001主控芯片的处理，深入分布式存储数据布局，能够智能感知固态硬盘内的数据布局，解决“写入放大比”与“热数据属性”这两个数据的管理问题，同时也依照数据类型，以物理隔离方式，适当安排物理存储空间，提高缓存读命中率比例达到50%，并能有效减少磨损固态硬盘，提高固态硬盘整体使用寿命。即由华存所支持的闪存存储系统可以提供更低的总拥有成本(TCO)和每个I/O的支出。

图4 华存智能数据管理

四、共同优化，为推进“双碳”目标继续努力

随着人工智能、物联网、云计算、边缘计算等新兴技术的发展，各行业数字化转型升级进度的加快，中国将在2025年成为全球最大数据量的国家。能够科学合理的获取、存储、分析以及利用数据，将是我国在数字文明时代成为全球领先的数字经济强国的最有效途径。数字经济时代，全场景闪存化已成为大势所趋，尽管相比机械硬盘，全闪存具备性能好、耗能少等卓越优点，但是当前全闪存占比仍然很低。加快推进SSD替代HDD的进程，推动全场景闪存化，既是存储产业发展的大势所趋，亦是践行社会责任的必然方向。

作为国内拥有企业级固态硬盘主控芯片自主研发能力的核心厂家之一，华存电子将继续保持初心，在存储主控芯片领域不断研发超越，加速芯片和产品迭代，扎根本土、辐射全球，不断提高在核心技术上的自主研发能力，更高效、更节能地创造出满足新型数据中心的智能存储，以全新更具竞争力的产品服务市场和客户，全面且持续创造更大价值。

另外，许多供应链厂商都在推进 PCIe 5.0 接口的适配工作，在国内服务器生态市场，华存也希望能与整个产业链进行深度合作，共同挖掘下一代服务器生态的技术潜力，在提高整体效能、降低整体功耗、释放高性能算力等方面，一起把契合国内市场需求的生态共建完善。