劃重點(diǎn)

• 1包括超級(jí)計(jì)算機(jī)在內(nèi)的高性能計(jì)算正成為能源消耗大戶。容納超算的數(shù)據(jù)中心用電量占全球總用電量的1.5%至2%，大致相當(dāng)于整個(gè)英國(guó)的耗電量。
• 2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行大約10萬(wàn)億次的計(jì)算，而其所消耗的電量與第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后一次計(jì)算的耗電量相當(dāng)。
• 3芬蘭超算LUMI被安置在亞北極圈內(nèi)，其中一個(gè)原因是可以利用那里的涼爽空氣，以節(jié)省冷卻需要消耗的電能。
• 4隨著各國(guó)政府承諾減少溫室氣體排放，促使計(jì)算機(jī)行業(yè)試圖找到用更少資源做更多事情和提高產(chǎn)品能效的方法。AMD希望到2025年將其最強(qiáng)大芯片的效率提高到2020年的30倍。

在芬蘭IT科學(xué)中心負(fù)責(zé)人基莫·科斯基博士（Kimmo Koski）的眼里，LUMI（芬蘭語(yǔ)中意為雪）是歐洲最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它被安置在芬蘭境內(nèi)北極圈以南250公里的卡賈尼鎮(zhèn)。提起這臺(tái)超算時(shí)，科斯基說(shuō)：“你首先會(huì)注意到，它運(yùn)行時(shí)非常安靜。”

LUMI于去年被投入使用，用于氣候建模、尋找新藥等諸多領(lǐng)域。它有成千上萬(wàn)個(gè)獨(dú)立的處理器，每秒能夠執(zhí)行高達(dá)429千萬(wàn)億次的計(jì)算操作。這使它成為世界上第三快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。它由水力發(fā)電提供動(dòng)力，其廢熱被用來(lái)幫助卡賈尼鎮(zhèn)的居民取暖，其二氧化碳排放幾乎為零。

LUMI讓我們看到了高性能計(jì)算(HPC)的未來(lái)，無(wú)論是在專用超級(jí)計(jì)算機(jī)上，還是在運(yùn)行大部分互聯(lián)網(wǎng)的云基礎(chǔ)設(shè)施中。在過(guò)去的十年里，在機(jī)器學(xué)習(xí)、基因組測(cè)序、股票市場(chǎng)、核武器研發(fā)再到天氣預(yù)報(bào)等各種模擬技術(shù)的推動(dòng)下，全球?qū)?duì)高性能計(jì)算的需求都在激增，而且這種需求很可能會(huì)繼續(xù)上升。與此同時(shí)，訓(xùn)練尖端人工智能模型所需的計(jì)算能力每五個(gè)月就會(huì)翻一番。

然而，所有這些技術(shù)開(kāi)發(fā)都對(duì)環(huán)境造成了影響。高性能計(jì)算（更廣泛地說(shuō)是所有計(jì)算）正成為能源消耗大戶。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，數(shù)據(jù)中心的用電量占全球總用電量的1.5%至2%，大致相當(dāng)于整個(gè)英國(guó)的耗電量。預(yù)計(jì)到2030年，這一比例將上升到4%。在政府承諾減少溫室氣體排放的情況下，計(jì)算機(jī)行業(yè)正試圖找到用更少資源做更多事情和提高產(chǎn)品能效的方法。這項(xiàng)工作發(fā)生在三個(gè)層面：降低單個(gè)微芯片功耗、在電腦上搭載低功耗芯片以及在數(shù)據(jù)中心采納低功耗電腦。

讓我們首先從微芯片本身開(kāi)始。在過(guò)去的80年里，數(shù)字計(jì)算機(jī)的效率大大提高?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行大約10萬(wàn)億次的計(jì)算，而其所消耗的能量與第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后一次計(jì)算的耗電量相當(dāng)。這種巨大的技術(shù)進(jìn)步在很大程度上要?dú)w功于業(yè)界對(duì)摩爾定律的堅(jiān)持。摩爾定律是指集成電路中可容納的元件數(shù)量每隔幾年就會(huì)翻一番。

計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越節(jié)能

幾十年來(lái)，摩爾定律帶來(lái)的另一個(gè)積極影響是，隨著電路的縮小，它們也變得更加節(jié)能。這種效應(yīng)被稱為登納德縮放定律(Dennard scaling)，以當(dāng)時(shí)在IBM工作的科學(xué)家羅伯特·登納德(Robert Dennard)的名字命名，他在1974年寫了一篇關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的論文。然而，在2005年左右，超微小組件的物理特性意味著這種關(guān)系開(kāi)始破裂。隨著組件的縮小，計(jì)算機(jī)的效率仍在不斷提高，但其速度已大幅放緩。

這迫使芯片制造商更加努力地追求過(guò)去免費(fèi)獲得的好處。LUMI采用的CPU是一種通用芯片，用于運(yùn)行程序和協(xié)調(diào)機(jī)器的其余部分，它由美國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司AMD制造。除了超級(jí)計(jì)算機(jī)，AMD與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手英特爾的CPU也同時(shí)為數(shù)據(jù)中心提供動(dòng)力，使互聯(lián)網(wǎng)得以運(yùn)行。AMD的產(chǎn)品技術(shù)架構(gòu)師塞繆爾·納夫齊格(Samuel Naffziger)說(shuō)，在2010年，AMD把提高能效“放在了優(yōu)先事項(xiàng)的首位”。

如今，AMD的芯片使用了一系列技術(shù)來(lái)幫助降低功耗。它們覆蓋著傳感器，根據(jù)分配給它們的任務(wù)，監(jiān)測(cè)并最大限度地減少發(fā)送到電路各部分的功率。其他改進(jìn)集中在確保芯片在任何給定時(shí)刻都能盡可能多地做有用的工作，因?yàn)榭臻e電路存粹是在浪費(fèi)電力。AMD希望將更聰明的設(shè)計(jì)方法與更小的組件相結(jié)合，到2025年將其最強(qiáng)大芯片的效率提高到2020年的30倍。

另一種選擇是將工作從通用CPU轉(zhuǎn)移到專門為更小范圍的數(shù)學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)的專用芯片上。最著名的是“圖形處理單元”，簡(jiǎn)稱GPU。GPU最初的開(kāi)發(fā)目的是為電子游戲制作更時(shí)髦的圖像，但事實(shí)證明，現(xiàn)在它在許多任務(wù)上表現(xiàn)出色。這些任務(wù)可以被分解成小塊，每個(gè)小塊可以同時(shí)處理。類似的專用芯片被越來(lái)越多地處理諸如聯(lián)網(wǎng)之類的任務(wù)，而這些任務(wù)以前通常由CPU處理。

這種系統(tǒng)級(jí)的調(diào)整是可以提高效率的第二個(gè)有效方案?；萜掌髽I(yè)負(fù)責(zé)高性能計(jì)算的賈斯汀·霍塔德(Justin Hotard)說(shuō)：“當(dāng)你使用數(shù)千個(gè)CPU和GPU時(shí)，它們的連接方式會(huì)影響超級(jí)計(jì)算機(jī)的能效。”

確切地說(shuō)，如何最好地將所有芯片連接起來(lái)，仍然是一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。向計(jì)算機(jī)其他地方的另一個(gè)芯片發(fā)送信號(hào)要消耗大量的能量。因此，我們的目標(biāo)是盡量減少這種情況發(fā)生的頻率，并盡量減少信號(hào)傳播的距離。

惠普更喜歡一種被稱為“蜻蜓拓?fù)洹钡慕Y(jié)構(gòu)，這是一種兩層系統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)中，芯片組以簇的形式相互連接，而這些簇又依次相互連接。該系統(tǒng)是模塊化的，這使得它很容易通過(guò)簡(jiǎn)單地添加新節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。今年2月，巴利亞多利德大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家弗朗西斯科·安杜賈爾（Francisco Andújar）及其同事發(fā)表了一篇論文，在進(jìn)行了大量的數(shù)學(xué)分析后，他們發(fā)現(xiàn)蜻蜓的結(jié)構(gòu)接近于高效超級(jí)計(jì)算機(jī)的理想設(shè)計(jì)。

而且，提高能效并不需要以犧牲性能為代價(jià)。Top500.org網(wǎng)站根據(jù)速度和效率對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行排名，其今年6月發(fā)布的最新報(bào)告將LUMI列為世界上效率第七高、速度第三快的超算。安裝在田納西州橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超算Frontier是目前世界上速度最快的計(jì)算機(jī)，大約比LUMI快四倍。然而，在能效方面，F(xiàn)rontier排名則降至第六。

數(shù)據(jù)中心是能夠改進(jìn)的最后一個(gè)領(lǐng)域。在這個(gè)高科技領(lǐng)域，超級(jí)計(jì)算機(jī)和為互聯(lián)網(wǎng)提供動(dòng)力的普通服務(wù)器都在這里運(yùn)行，計(jì)算會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。盡管新發(fā)現(xiàn)的重點(diǎn)是效率，但現(xiàn)代CPU或GPU在全速運(yùn)行時(shí)可以產(chǎn)生500瓦或更多的熱量。在一個(gè)數(shù)據(jù)中心里有成千上萬(wàn)的CPU或GPU，這意味著它們散發(fā)的熱量非常驚人。

讓這些芯片保持涼爽同樣需要消耗能量。衡量數(shù)據(jù)中心效率的標(biāo)準(zhǔn)是電源使用效率(PUE)，即數(shù)據(jù)中心的總功耗與其中用于完成有用工作的電量之間的比率。根據(jù)IT顧問(wèn)公司Uptime Institute的數(shù)據(jù)，一個(gè)典型數(shù)據(jù)中心的PUE為1.58。這意味著，該中心大約三分之二的電力用于運(yùn)行計(jì)算機(jī)，而三分之一用于運(yùn)行數(shù)據(jù)中心本身，其中大部分電力被冷卻系統(tǒng)消耗。

高性能計(jì)算跨越凈零碳排放界限

巧妙的設(shè)計(jì)可以將這個(gè)數(shù)字大大降低。大多數(shù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心依靠空氣冷卻。液體冷卻提供了更好的熱傳遞，但需要付出額外的工程努力為代價(jià)。有些初創(chuàng)公司甚至將電路板完全浸入專門設(shè)計(jì)的液體浴缸中。由于使用了液體冷卻，F(xiàn)rontier的PUE降到了1.03。

LUMI之所以被部署在北極圈附近，其中一個(gè)原因是可以利用亞北極的涼爽空氣。在同一設(shè)施內(nèi)一臺(tái)相鄰的計(jì)算機(jī)，利用這種免費(fèi)冷卻機(jī)制，PUE等級(jí)僅為1.02。這意味著，98%的電能被轉(zhuǎn)化為有用的數(shù)學(xué)應(yīng)用。科斯基博士說(shuō)：“這接近了可能的極限。”

即使是最好的商業(yè)數(shù)據(jù)中心也達(dá)不到這樣的數(shù)字。例如，谷歌數(shù)據(jù)中心的平均PUE值為1.1。數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)組織和第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)Uptime Institute于6月份發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)幾年的穩(wěn)步改善，全球數(shù)據(jù)中心效率自2018年以來(lái)沒(méi)有提高。但其主要原因是經(jīng)濟(jì)學(xué)，而非源自計(jì)算機(jī)科學(xué)。隨著對(duì)計(jì)算的需求激增，公司讓老舊的、效率較低的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間變得更有意義。

考慮到美國(guó)、英國(guó)和歐盟等國(guó)制定的碳減排目標(biāo)，這些政府正在考慮新的規(guī)則，以迫使數(shù)據(jù)中心變得更高效。一項(xiàng)新的德國(guó)法律規(guī)定，到2027年，數(shù)據(jù)中心最低PUE將降至1.5，到2030年降為1.3?？扑够┦空f(shuō)：“我們希望LUMI能夠證明，高性能計(jì)算能夠跨越凈零碳排放的界限?！蹦切┫胍@得相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的人，最好能親自到芬蘭去取經(jīng)。

本文僅代表作者觀點(diǎn)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)?jiān)谖闹凶⒚鱽?lái)源及作者名字。

免責(zé)聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系進(jìn)行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com