中國聯(lián)通基于英特爾智慧節能方案推動(dòng)數據中心節能減排

“氣候和環(huán)境危機凸顯了通過(guò)創(chuàng )新科技降低碳足跡的重要性。英特爾 與中國聯(lián)通在數據中心節能減排方面的合作體現了雙方在踐行綠色 節能方面的承諾，也為業(yè)界提供了服務(wù)器能效提升的有益參考。我 們希望能夠以這些合作成果為依托，推動(dòng)以數字化轉型和可持續發(fā) 展為綜合目標的產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?！? — 李亞?wèn)| 英特爾中國政企及全球 OEM 解決方案事業(yè)部總經(jīng)理

“中國聯(lián)通在新戰略指引下， 制定了《建設新型數字信息 基礎設施行動(dòng)計劃》和《算 網(wǎng)融合發(fā)展行動(dòng)計劃》，統 籌推進(jìn)新型數據中心、云網(wǎng) 深度融合，通過(guò)與英特爾等 業(yè)界領(lǐng)先廠(chǎng)商的合作，探索 技術(shù)引領(lǐng)與管理效能提升， 貫徹落實(shí)國家雙碳決策?！? — 康凱 聯(lián)通集團云網(wǎng)運營(yíng)中心項目經(jīng)理

概述 中國已經(jīng)明確提出 2030 年“碳達峰”與 2060 年“碳中和”目標，實(shí)現雙碳目標不僅有助 于降低對環(huán)境的壓力，同時(shí)也是實(shí)現可持續發(fā)展的必然要求。為更好地響應國家政策， 助力經(jīng)濟社會(huì )綠色發(fā)展，并為全球應對氣候變化貢獻力量，中國聯(lián)通將構建以綠色節能為主要特征的新型數字信息基礎設施作為重點(diǎn)工作，實(shí)施了大量技術(shù)與管理舉措，并取 得顯著(zhù)成效。 目前，中國聯(lián)通的綠色化發(fā)展戰略在數據中心領(lǐng)域已經(jīng)廣泛落地，有力地推動(dòng)了低碳化 發(fā)展目標的實(shí)現。為了進(jìn)一步推動(dòng)數據中心的節能減排，中國聯(lián)通與英特爾深度合作，充分利用英特爾智慧節能方案在數據中心實(shí)現節能減排。該方案能夠通過(guò)軟件和人工智 能 (AI) 模型對服務(wù)器能耗進(jìn)行預測和干預，提高數據中心的運行能效，同時(shí)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)工 作負載對于服務(wù)級別協(xié)議 (SLA) 的要求，且無(wú)需對應用進(jìn)行更改。目前，該方案已經(jīng)在 實(shí)驗室中，結合中國聯(lián)通大數據等業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗驗證，被證明能夠比基準方案節電 最多 28%1。中國聯(lián)通與英特爾還計劃進(jìn)一步推動(dòng)該方案在更多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的擴展應用， 不斷提升中國聯(lián)通的綠色發(fā)展水平。

背景：控制數據中心能耗是踐行雙碳目標 的重要方式 當前，環(huán)境危機以及能源供應挑戰日趨嚴峻，使得越來(lái)越多的人 將目光轉移到了環(huán)境保護上。降低社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展中的能源消耗、 建立人與自然和諧發(fā)展的綠色經(jīng)濟，不僅有助于降低對環(huán)境的壓 力，也是實(shí)現可持續發(fā)展的必然要求。在中國雙碳行動(dòng)規劃中， 已經(jīng)明確了 “十四五” 與 “十五五” 期間，通過(guò)能源綠色低碳轉型 行動(dòng)、節能降碳增效行動(dòng)、工業(yè)領(lǐng)域碳達峰行動(dòng)、城鄉建設碳達 峰行動(dòng)等方式，實(shí)現碳達峰、碳中和。 但同時(shí)，能耗持續增長(cháng)的整體趨勢仍未改變。研究報告顯示，由 于經(jīng)濟活動(dòng)加速，2021 年全球能源消耗量增長(cháng) 5.8%2，超過(guò)了 疫情前的水平，這凸顯了低碳發(fā)展面臨的嚴峻挑戰。要推動(dòng)社會(huì ) 經(jīng)濟整體節能減排，實(shí)現云與數據中心的綠色發(fā)展至關(guān)重要。數 據顯示，截至 2020 年底，中國數據中心耗電量已經(jīng)突破 2000 億千瓦時(shí)，能耗占全國總用電量的 2.7%，預計 2022 年耗電量 將達到 2700 億千瓦時(shí)3。

作為全球領(lǐng)先的知名電信運營(yíng)商，中國聯(lián)通在 2021 年發(fā)布的 《“碳達峰、碳中和” 十四五行動(dòng)計劃》4 中，明確提出要 “不斷 提高通信網(wǎng)絡(luò )基礎設施綠色化水平，助力行業(yè)綠色低碳高質(zhì)量 發(fā)展邁上新臺階”。對于通信云的構建、管理和運維，中國聯(lián)通 希望在保障 5G 等各類(lèi)通信業(yè)務(wù)高效發(fā)展的同時(shí)，盡可能降低能 耗開(kāi)銷(xiāo)。 為了降低數據中心的能耗水平，業(yè)界普遍以?xún)?yōu)化數據中心能源使 用效率 (Power Usage Effectiveness，PUE) 為目標，降低空 調等附加設備的能耗。但是，PUE 降低到一定程度之后會(huì )進(jìn)入 瓶頸期，而且，部分以降低 PUE 為目標的方案較為復雜，需要 大量的部署、建設工作，不僅建設周期較長(cháng)，而且會(huì )導致總體擁 有成本 (TCO) 顯著(zhù)提升。 基于上述考慮，中國聯(lián)通在推動(dòng)降低數據中心 PUE 的同時(shí)，從 數據中心 IT 設備入手，進(jìn)一步提升節能減排能力。要做到這一點(diǎn)，就需要更好地提升數據中心核心 IT 設備 — 服務(wù)器的能效水 平，對 CPU 功耗進(jìn)行更加精準的調節，但這也會(huì )面臨如下重要挑戰：

? 雖然 CPU 制程與工藝在不斷進(jìn)步，但是由于數據中心工作負 載對于計算能力和算力密度提出了更高的要求，CPU 芯片整 體的熱設計功率 (TDP) 不斷攀升，這對于服務(wù)器的整體能耗 帶來(lái)了嚴峻的挑戰。 

? 傳統的 CPU 能耗控制方案通常采用業(yè)務(wù)彈性編排的方式，實(shí) 現部分冗余主機休眠、空閑核深度節能、輕負載核調頻的目 標。但是，傳統方案通常采用的是靜態(tài)調整的策略，無(wú)法根據 業(yè)務(wù)調度進(jìn)行靈活調整配置。在傳統方案中，主機和內核常常 會(huì )整體關(guān)停，難以實(shí)現更細粒度的控制，能耗控制效果不盡如 人意。 

? 傳統的 CPU 能耗控制方案無(wú)法精準洞察、預測 CPU 的負載， 難以在精確控制功耗的同時(shí)有效管理 SLA，也就無(wú)法針對業(yè)務(wù) 的 SLA 要求對于能耗進(jìn)行精細控制。

解決方案：

采用英特爾智慧節能方案實(shí)現 數據中心節能減排 為了進(jìn)一步推動(dòng)數據中心綠色發(fā)展進(jìn)程，中國聯(lián)通與英特爾于 2021 年開(kāi)始合作，雙方制定了整體的數據中心節能減排計劃， 并從 5G 核心網(wǎng)開(kāi)始探索，逐步擴展到大數據等領(lǐng)域，不斷推進(jìn) 智慧節能方案的落地。雙方將現階段合作的重點(diǎn)放在服務(wù)器節能 減排領(lǐng)域，并采用英特爾智慧節能方案更加精準、智慧地預測、 控制服務(wù)器的能耗，從而在滿(mǎn)足業(yè)務(wù)工作負載對 SLA 要求的前 提下，更大程度地提升節能水平。 

英特爾智慧節能方案 

英特爾智慧節能方案是依托英特爾? 人工智能方案和服務(wù)器平臺 技術(shù)的節能減排方案，通過(guò) AI 模型和軟件方案進(jìn)行預測和干預， 提高數據中心的運行能效。英特爾智慧節能方案采用智能遙測 (Intelligent Telemetry)、基于 Chronos 的時(shí)序數據分析、 英特爾? 至強? 平臺級能效控制、基于容器運行時(shí)接口的資源管 理器 (CRI-RM) 動(dòng)態(tài)資源管理策略等構件，能夠有效滿(mǎn)足業(yè)務(wù)工 作負載的 SLA 要求，且無(wú)需對應用進(jìn)行更改。

智能遙測 

英特爾智慧節能方案選擇了開(kāi)源監控組件 Prometheus。 作為云原生事實(shí)上的標準遙測工具，Prometheus 用于收 集和聚合指標作為時(shí)間序列數據，并提供了 collectd 作為 系統統計數據收集守護進(jìn)程，可以通過(guò)多種方式發(fā)布這些 數據。英特爾還開(kāi)發(fā)了高性能 Python 插件來(lái)獲取不受支 持的指標，以提高性能、減少開(kāi)銷(xiāo)。 

基于 Chronos 的時(shí)序數據分析 

Chronos 框架源自英特爾開(kāi)源的統一大數據分析和人工 智能平臺 BigDL，在模型訓練中能夠使用全部參數訓練回 歸模型，自動(dòng)分析提取重要參數，僅使用重要參數訓練預 測模型。在模型推理中，Chronos 框架能夠預測工作負 載變化，在查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )中尋找更優(yōu)控制參數，通過(guò) CRI-RM webhook 來(lái)應用新的更優(yōu)控制參數。

英特爾? 至強? 平臺級能效控制 

英特爾智慧節能方案提供了英特爾? 至強? 平臺級功耗控制 選項，融合操作系統層面的系統能源調節、CPU Turbo、 驅動(dòng)，處理器能效級別的 EEP 控制、SAPM 控制、動(dòng)態(tài) 切換，以及能級狀態(tài)的 PCS 狀態(tài)調整，以針對不同場(chǎng)景 提供更佳配置。方案提供細粒度的硬件控制旋鈕，動(dòng)態(tài)切 換控制處理器內部的眾多算法。 

基于容器運行時(shí)接口的資源管理器 (CRI-RM) 動(dòng)態(tài)資源管理策略 

該特性能夠通過(guò)在節點(diǎn)上的動(dòng)態(tài)劃分系統資源，配合 Kubernetes 調度器，實(shí)現在節點(diǎn)層面上的合理任務(wù)編排， 將英特爾平臺的特性高效適配到 Kubernetes 的集群環(huán)境。 CRI-RM Balloon Policy 支持控制 CPU 核心頻率與非核心 頻率，用戶(hù)可以基于 CRI-RM Balloon Policy 創(chuàng )建 CPU 資 源池，為不同類(lèi)型的工作負載定義 Balloon 類(lèi)型，并能夠動(dòng) 態(tài)更改 CPU 類(lèi)和 Balloon 大小配置。

英特爾智慧節能方案能夠對英特爾? 至強? 可擴展處理器的各種運行指標進(jìn)行智能遙測，在提供可視化監視支持的同時(shí)，將遙測數據 輸入到閉環(huán)控制邏輯之中，在操作系統層面、處理器能效級別、處理器能級狀態(tài)進(jìn)行細粒度控制，以針對不同場(chǎng)景提供更佳的能效控 制。在單節點(diǎn)閉環(huán)控制的基礎上，英特爾智慧節能方案能夠便捷地擴展到集群閉環(huán)控制（如圖 3 所示），有效提升數據中心的整體能效水平。

與傳統服務(wù)器節能方案相比，英特爾智慧節能方案能夠進(jìn)行更加智慧的峰谷預測，在閑時(shí)支持更多冗余主機休眠，顯著(zhù)提升節能效果。 英特爾智慧節能方案還可根據業(yè)務(wù) SLA 進(jìn)行智能調頻，提供更細粒度控制，以及更多功耗控制抓手，在業(yè)務(wù) SLA 要求與節能效果之 間實(shí)現更佳的平衡。

中國聯(lián)通采用英特爾智慧節能方案優(yōu)化數據中心能耗 

中國聯(lián)通在通信云資源池的 5G 網(wǎng)元、大數據等業(yè)務(wù)上，對業(yè)務(wù) 數據、處理器占用率進(jìn)行了分析。結果顯示業(yè)務(wù)量與時(shí)間相關(guān)， 且存在波峰波谷特性，在業(yè)務(wù)運行期間，可通過(guò)實(shí)時(shí)檢測業(yè)務(wù) 負載、業(yè)務(wù)質(zhì)量指標的變化，來(lái)靈活調整服務(wù)器的運行狀態(tài)，實(shí) 施動(dòng)態(tài)節能減排。 基于英特爾智慧節能方案豐富的組件和集成的優(yōu)化策略，中國聯(lián) 通從如下流程入手，提升節能減排效果：

 ? 在服務(wù)器運行過(guò)程中，利用英特爾智慧節能方案支持的眾多組 件對于服務(wù)器的各種運轉狀態(tài)進(jìn)行智能遙測，將相關(guān)信息提供 給閉環(huán)控制邏輯； 

? 基于業(yè)務(wù)數據進(jìn)行建模，由英特爾智慧節能方案提供的 API 接口對時(shí)間序列數據快速執行填充、縮放等操作，并開(kāi)展自動(dòng) 特征生成； 

? 實(shí)現超參數搜索，并根據預測目標檢索出更佳超參數集，優(yōu)化 模型和數據處理工序并形成時(shí)間序列預測模型；

? 使用這一模型對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數據進(jìn)行推理（或進(jìn)行效果評估和優(yōu) 化），獲得最終的處理器占用率預測數據； 

? 根據預測數據來(lái)進(jìn)行基于 AI 的智能控制，使得 C/UFreq 緊密 跟隨工作負載變化，在節省更多功耗的同時(shí)，時(shí)延性能可以滿(mǎn) 足業(yè)務(wù)工作負載的 SLA 需求。 

在前期，中國聯(lián)通與英特爾針對 5GC 網(wǎng)元業(yè)務(wù)應用場(chǎng)景進(jìn)行測試。如今，雙方又針對大數據業(yè)務(wù)進(jìn)行方案部署與測試驗證。在 中國聯(lián)通大數據業(yè)務(wù)中，工作負載隨時(shí)間有著(zhù)明顯的波動(dòng)，波峰 波谷差異較大，通過(guò)在波谷時(shí)采用節能措施，有望實(shí)現較為顯著(zhù) 的節能效果。

基于上述特征，中國聯(lián)通設計了基于英特爾智慧節能方案的節能 原型。該原型從批處理業(yè)務(wù)場(chǎng)景入手，首先利用負載峰谷時(shí)的場(chǎng) 景特征，通過(guò)在波峰時(shí)使用默認高性能配置，波谷時(shí)使用自動(dòng)低 功耗配置，并根據需要設置 CPU cfreq 和 ufreq 等手段，達到節能效果。

測試數據如圖所示，英特爾智慧節能方案比基準方案節能 28.6%5。這在很大程度上是由于英特爾智慧節能方案能夠支持 Cfreq 自適應調節，而基準方案則一直保持高頻，因此前者耗能遠低于后者。

推衍到整體云資源池中，這一舉措預計每年可直接節電數千萬(wàn)度，再加上數據中心既有 PUE 方案帶來(lái)的節能降耗，預計每年 可減少二氧化碳排放數萬(wàn)噸。

展望 基于英特爾智慧節能方案的中國聯(lián)通節能減排策略實(shí)現了預期的成效，在不對數據中心進(jìn)行硬件改造的前提下，雙方顯著(zhù)降低了 5GC 網(wǎng)元、大數據業(yè)務(wù)中的服務(wù)器能耗，同時(shí)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)工作負 載的 SLA 級別。得益于服務(wù)器的節能減排，并疊加其他節能措 施，中國聯(lián)通能夠大范圍、更大規模地提升節能減排水平，助力綠色數據中心建設。英特爾還發(fā)布了 “英特爾綠色數據中心技術(shù)框架”，與客戶(hù)和產(chǎn)業(yè)鏈共同推動(dòng)數據中心綠色可持續發(fā)展。在當前合作成就的基礎上，中國聯(lián)通與英特爾計劃開(kāi)展進(jìn)一步合作，持續增強節能水平，合作方向包括： 

? 將英特爾智慧節能方案擴展到更多的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，助力中國聯(lián)通 實(shí)現雙碳目標。 

? 將節能范圍擴展到網(wǎng)絡(luò )、外設、數據中心環(huán)境等領(lǐng)域，盡可能 地降低數據中心整體能耗水平。 

? 充分利用新一代英特爾? 處理器上的性能核和能效核策略，基于 工作負載對內核進(jìn)行高效調度，實(shí)現性能與能耗的卓越平衡。 ? 在對 CPU 能耗進(jìn)行精準控制的同時(shí)，推動(dòng)創(chuàng )新的節能技術(shù)在 GPU 等更多加速器中的應用。 

? 強化實(shí)時(shí)學(xué)習、自動(dòng)機器學(xué)習 (AutoML) 和增強學(xué)習等創(chuàng )新技 術(shù)的應用，進(jìn)一步提升節能效果。 

通過(guò)上述合作探索，英特爾將助力中國聯(lián)通形成更高效、更智能 的數據中心能耗管理策略，顯著(zhù)提升節能減排水平，更快更好地 將構建新型數字信息基礎設施行動(dòng)計劃落到實(shí)處。