【友学问】从专利布局角度浅谈绿色智能数据中心技术发展趋势

摘要

本文从专利布局角度阐述了近些年绿色智能数据中心的技术发展趋势，揭示了当前关于绿色智能数据中心的技术研发热点以及市场热点，努力为读者给出绿色智能数据中心的技术发展趋势以及方向。

一、相关技术概括

在过去的十几年中，数据中心业务呈现爆发式增长，数据中心的规模迅速扩大，随之而来的是高昂的建造和日常维护成本。不仅建筑需要节能，数据中心也是如此，严重的电力不足，使得机房出现能耗危机。

当管理成本、资源整合、业务响应速度、信息安全以及能源管理各方面都凸显危机时，绿色数据中心便顺势而生。密集的线路、环境的控制、机柜的保护、良好散热的数据中心，都必须要求其具备高密度、高性能、高可靠、高灵活的功能。绿色数据中心在此基础上，确保对线路布置进行合理管理以实现有效空气活动最大化，帮助实现更高的冷却与供电效率的解决方案。

经调查，62%的企业认为，他们的数据中心面临着诸如散热、供电、成本等问题；23%的企业认为，其数据中心供电和散热能力不足，限制了IT基础设施扩展，或无法充分利用高密度计算设备；19%的被访企业认为，其数据中心的耗电量太大，费用超高，无法负担；还有17%的企业认为，机房温度过高，影响了计算设备的稳定运行，随之导致一系列问题的出现。

因此，大多数企业的数据中心设施最严重的问题是：运算密度的提高导致用电密度的迅速加大，数据中心总体拥有成本随服务器的增加而成倍增加。过去的数据中心运算能力是目标，用电是“一般商品”，现在和未来的数据中心运算能力是“一般商品”，用电是焦点。

因此，努力建设绿色数据中心成了各大公司的重要目标。建设绿色数据中心的核心不仅是实现数据中心的高能耗效率，还需要引入清洁能源作为电能供给。绿色和平组织 (Green Peace) 定义了实现绿色IT的方式，那就是“高能耗效率加新能源”。

1.优化管理计算工作负载

服务器集群需要根据当前计算能力和计算工作负载的性质合理安排计算工作负载处理时段，错开负载高峰，并基于虚拟化技术最大化利用现有计算资源，同时保证各类计算工作负载(特别是对响应时间敏感的计算工作负载)的服务质量需求。

2.提升服务器能源利用效率

可以从硬件上实现能效提升，如使用低能耗处理器、高效率服务器电源等节能硬件设备，但对于已建成数据中心来说成本较高。最重要的是从算法上实现能效提升，如智能分配计算工作负载、优化控制服务器工作状态等。

3.降低数据中心制冷能耗

开展热量管理以优化数据中心热力学特性并减少热点(HotSpot)的产生，同时将服务器机房工作环境温度保持在规定的范围内。

4.集成可再生能源

为数据中心建立基于太阳能或风能的分布式可再生能源电站供电，降低环境影响并节约购电成本。

绿色数据中心建设对于我国推进可持续化发展具有重大意义：随着电力市场的发展，以绿色数据中心为主的需求侧资源越来越受到重视，具备能耗优化管理潜力的绿色数据中心参与电力需求响应的必要性进一步增强，运营商更加关注的电费优化问题也可以通过绿色数据中心参与需求响应来实现。

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二、建设绿色数据中心的意义

1.有助于低碳生活

数据中心拥有大量的IT设备及其辅助设施，每年所带来的电力消耗是不可想象的，而如此大的电力消耗又会导致过多二氧化碳的排放，与我国倡导的低碳生活相背离。我国的数据中心总量已经超过了50万个，因此，降低数据中心能耗对于环境的保护有着积极的意义。

2.带来经济效益

大量的电力消耗直接影响到数据中心的运行成本，绿色数据中心能有效降低这方面的支出，提高经济效益。

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三、申请趋势

本部分通过对绿色智能数据中心技术相关专利的分布、申请人排名和技术构成进行分析，以总体上呈现绿色智能数据中心技术专利的概况。

图1 全球申请趋势▼

申请日

图2 全球公开趋势▼

公开（公告）

绿色智能数据中心相关领域专利申请量总体呈现逐渐上升趋势，于2003年左右提出此概念，但在2003至2010年之间申请量增加的并不明显，2010年以后，专利的申请数量以及公开数据呈现一个显著上升的趋势，得互联网、5G、政策支持以及其他技术的发展，于2020以及2021年达到目前阶段的一个峰值（年申请量在2000+以上），预计2022年申请量会突破3000件。

由图1以及图2可以看出，绿色智能数据中心的全球专利申请趋势可分为3个阶段：

1.起步探索期（2003年-2010年）

这一时期，每年全球专利数量基本都维持在200以下数，且这些专利主要集中于美国、欧洲。此时，绿色智能数据中心还处于技术摸索阶段。相关申请较少，没有形成规模。

2.稳步发展期（2010年-2019年）

这一时期，绿色智能数据中心的探索走向更加成熟，随着互联网、大数据技术的飞速发展，数据机房的建设总量飞速上升，随之带来的是与之配套的相关专利申请也飞速发展，相比前一阶段伴随专利申请的大幅度增加。

3.快速发展期（2019年-至今）

近些年来，数据中心面临着严重的电力不足，使得机房出现能耗危机，绿色数据中心主题突然间从“无人所知”升至“家喻户晓”。当管理成本、资源整合、业务响应速度、信息安全以及能源管理各方面都凸显危机时，绿色数据中心便顺势而生。

由于技术积累、政策扶植以及市场需求，绿色智能数据中心专利申请进入快速发展期，专利申请大幅度增加。2003年-2019年，申请量为稳步增长态势。随着大量生产商进入，申请量持续走高。随着国内高新技术的发展和专利制度的深入，中国相关领域申请速度加快，相关专利申请量已达到世界第一。

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四、主要的申请人

过统计分析，得到全球绿色智能数据中心领域专利排名前10的申请人，参见图3。全球绿色智能数据中心领域专利统计中，国家电网公司由于在相关领域投入研发较多，具有相当多的专利布局，达到439项排名第一；郑州云海信息技术有限公司排名第二，具有202项申请；排名第三的是华为技术有限公司。此外，浪潮、微软、百度、阿里巴巴等国内企业也拥有相当数量的专利申请。通过比较，可以发现国内厂商数量较多，且申请量也较大。相比国内厂家，国外厂家技术研发介入较早，而国内企业后发势头较猛，目前位于全球绿色智能数据中心领域专利申请的前列。

图3 全球申请人排名▼

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五、专利技术分布

通过专利技术分布，也即是其相关专利申请在IPC分类表中的分布，从而可以看出绿色智能数据中心技术的技术构成，即涉及哪些技术领域。

图4 绿色智能数据中心领域IPC分布▼

通过对绿色智能数据中心技术全球专利申请的IPC研究，能够了解整个技术中各类相关技术所占比重、研发能力以及活跃领域等信息。

经过统计，由于绿色智能数据中心涉及多个领域的部件以及相关技术，其二级技术分支达到十五个，但就IPC分类而言，其中主要集中在G部、H部、F部和B部，具体情况如图4所示，其中涉及控制、计算的G部分类号的占比量最高达到42.21%，其次是涉及硬件电路及通信技术的H部，第三位是涉及物理设施部署的F部分类号，再次是涉及作业、运输的B部。

图5 绿色智能数据中心领域IPC排名▼

笔者进一步统计了不同分类号大组的专利分布情况，如图5所示，其中G06F（电数字数据处理）申请量最多，由于绿色智能数据中心技术及相关技术领域主要涉及数据监控与控制，因此占比重较高。

其次是H04L（数字信息的传输），这是由于绿色智能数据中心及相关领域多涉及设备间的信号交互，因此申请数量较大。

此外还涉及H05K(印刷电路；电设备的外壳或结构零部件；电气元件组件的制造)、F24F（空气调节；空气增湿；通风；空气流作为屏蔽的应用）、G06Q（专门适用于行政、商业、金融、管理、监督或预测目的的数据处理系统或方法）、H02J（供电或配电的电路装置或系统；电能存储系统）、G05B（一般的控制或调节系统；这种系统的功能单元；用于这种系统或单元的监视或测试装置）等不同方向，说明绿色智能数据中心技术涉及的领域是非常广泛的。

下面结合技术分类表和申请量对绿色智能数据中心领域的技术构成做进一步分析。

图6 技术分支占比▼

由图6可知，根据技术构成，将全球绿色智能数据中心的专利分为机房智能巡检技术、机房智能运维机器人、设备资产定位、增强现实在数据中心智能运维中的应用、存储技术、制冷技术、供配电技术、智能运维引擎、功耗管理等9个分支。

其中，智能运维引擎申请量为6203项，占到总申请量30%。其次是服务器功耗管理技术，其申请量也有2541项，占比12%。供配电技术的申请量也有2136项，占比达到10%。机房智能巡检技术的申请量为1981项，占比为10%。总体来说，绿色智能数据中心各技术分支之间的研发力量差异较小，因此整体占比比较均匀。

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六、总结

绿色智能数据中心领域专利申请量从1981年开始到现在总体呈现稳步上行的态势，2020年达到顶峰。

中国、美国、日本是绿色智能数据中心专利主要来源国和市场国。国家电网公司、郑州云海信息技术有限公司以及苏州浪潮、百度科技是绿色智能数据中心领域专利的主要申请人。

绿色智能数据中心领域技术分布较为广泛，其专利申请主题涉及IPC分类G部、H部、F部和B部，其中主要集中在G部和H部，由于主要涉及电数字数据处理，因此G部的申请量最多，尤其集中在G06F和G06Q两个分支。

全球绿色智能数据中心的专利分为机房智能巡检技术、机房智能运维机器人、设备资产定位、增强现实在数据中心智能运维中的应用、存储技术、制冷技术、供配电技术、智能运维引擎、功耗管理等9个分支。其中，智能运维引擎申请量为6203项，其次是服务器功耗管理技术，供配电技术和机房智能巡检技术。