数据中心全栈节能技术与实践

本书详细地阐述数据中心全栈节能的需求和主要理念，从数据中心全技术栈架构出发，分别讨论器件级、设备级、平台级、基础设施和运维管理等各个层面的节能技术，以及跨栈联动节能的相关技术、基于人工智能的节能技术等，并对绿色低碳智能计算中心、国产信创数据中心、特种数据中心的节能建设思路进行讨论，提出构建全栈节能数据中心的系统工程方法，并提出全栈节能数据中心能效评估的思路和基本框架。本书尝试弥合信息技术与数据中心基础设施的专业鸿沟，贯通数据中心与能源电力之间的产业壁垒，构建数据中心绿色节能低碳的完整技术体系和场景图。本书适合行业的政策制定者、研究者、投资者、设计者、建设者和管理者等阅读。

张鸿斌，中国人民解放军军事科学院军事科学信息研究中心高级工程师，专业技术大校军衔，硕士研究生导师，清华大学计算机系博士，军用网络信息系统专家。研究方向为计算机体系结构、高性能计算、网络存储、高能效数据中心等，从事军用网络信息系统和数据中心规划、论证、建设、运维和管理等工作20余年，主导多项军队网络信息系统工程建设，荣获军事科学技术二等奖1项、三等奖4项，获得授权发明专利7项、国家软件著作权12项，发表论文50余篇。

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

4.2CPU节能技术81

4.2.1体系架构优化82

4.2.2SRAM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

4.2.5CPU低功耗技术86

4.2.6CPU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

4.3.2GPU芯片91

4.3.3FPGA芯片92

4.3.4ASIC芯片93

4.3.5超低功耗类脑芯片94

4.4内存节能技术96

4.4.1DRAM96

4.4.2PCM主存97

4.4.3STTRAM主存99

4.4.4RRAM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

4.5.2SSD节能技术103

4.5.3PCM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111

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