劃重點

• 1包括超級計算機在內(nèi)的高性能計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%，大致相當于整個英國的耗電量。
• 2現(xiàn)代計算機可以進行大約10萬億次的計算，而其所消耗的電量與第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后一次計算的耗電量相當。
• 3芬蘭超算LUMI被安置在亞北極圈內(nèi)，其中一個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隨著各國政府承諾減少溫室氣體排放，促使計算機行業(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年將其最強大芯片的效率提高到2020年的30倍。

在芬蘭IT科學中心負責人基莫·科斯基博士（Kimmo Koski）的眼里，LUMI（芬蘭語中意為雪）是歐洲最強大的超級計算機，它被安置在芬蘭境內(nèi)北極圈以南250公里的卡賈尼鎮(zhèn)。提起這臺超算時，科斯基說：“你首先會注意到，它運行時非常安靜?！?/span>

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。它有成千上萬個獨立的處理器，每秒能夠執(zhí)行高達429千萬億次的計算操作。這使它成為世界上第三快的超級計算機。它由水力發(fā)電提供動力，其廢熱被用來幫助卡賈尼鎮(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算(HPC)的未來，無論是在專用超級計算機上，還是在運行大部分互聯(lián)網(wǎng)的云基礎(chǔ)設(shè)施中。在過去的十年里，在機器學習、基因組測序、股票市場、核武器研發(fā)再到天氣預報等各種模擬技術(shù)的推動下，全球?qū)Ω咝阅苡嬎愕男枨蠖荚诩ぴ?，而且這種需求很可能會繼續(xù)上升。與此同時，訓練尖端人工智能模型所需的計算能力每五個月就會翻一番。

然而，所有這些技術(shù)開發(fā)都對環(huán)境造成了影響。高性能計算（更廣泛地說是所有計算）正成為能源消耗大戶。國際能源機構(gòu)估計，數(shù)據(jù)中心的用電量占全球總用電量的1.5%至2%，大致相當于整個英國的耗電量。預計到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，計算機行業(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。這項工作發(fā)生在三個層面：降低單個微芯片功耗、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始。在過去的80年里，數(shù)字計算機的效率大大提高?，F(xiàn)代計算機可以進行大約10萬億次的計算，而其所消耗的能量與第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后一次計算的耗電量相當。這種巨大的技術(shù)進步在很大程度上要歸功于業(yè)界對摩爾定律的堅持。摩爾定律是指集成電路中可容納的元件數(shù)量每隔幾年就會翻一番。

計算機變得越來越節(jié)能

幾十年來，摩爾定律帶來的另一個積極影響是，隨著電路的縮小，它們也變得更加節(jié)能。這種效應被稱為登納德縮放定律(Dennard scaling)，以當時在IBM工作的科學家羅伯特·登納德(Robert Dennard)的名字命名，他在1974年寫了一篇關(guān)于這個問題的論文。然而，在2005年左右，超微小組件的物理特性意味著這種關(guān)系開始破裂。隨著組件的縮小，計算機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去免費獲得的好處。LUMI采用的CPU是一種通用芯片，用于運行程序和協(xié)調(diào)機器的其余部分，它由美國芯片設(shè)計公司AMD制造。除了超級計算機，AMD與其競爭對手英特爾的CPU也同時為數(shù)據(jù)中心提供動力，使互聯(lián)網(wǎng)得以運行。AMD的產(chǎn)品技術(shù)架構(gòu)師塞繆爾·納夫齊格(Samuel Naffziger)說，在2010年，AMD把提高能效“放在了優(yōu)先事項的首位”。

如今，AMD的芯片使用了一系列技術(shù)來幫助降低功耗。它們覆蓋著傳感器，根據(jù)分配給它們的任務(wù)，監(jiān)測并最大限度地減少發(fā)送到電路各部分的功率。其他改進集中在確保芯片在任何給定時刻都能盡可能多地做有用的工作，因為空閑電路存粹是在浪費電力。AMD希望將更聰明的設(shè)計方法與更小的組件相結(jié)合，到2025年將其最強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)學任務(wù)設(shè)計的專用芯片上。最著名的是“圖形處理單元”，簡稱GPU。GPU最初的開發(fā)目的是為電子游戲制作更時髦的圖像，但事實證明，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，每個小塊可以同時處理。類似的專用芯片被越來越多地處理諸如聯(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)級的調(diào)整是可以提高效率的第二個有效方案?；萜掌髽I(yè)負責高性能計算的賈斯汀·霍塔德(Justin Hotard)說：“當你使用數(shù)千個CPU和GPU時，它們的連接方式會影響超級計算機的能效?！?/span>

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

惠普更喜歡一種被稱為“蜻蜓拓撲”的結(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簡單地添加新節(jié)點來實現(xiàn)擴展。今年2月，巴利亞多利德大學計算機科學家弗朗西斯科·安杜賈爾（Francisco Andújar）及其同事發(fā)表了一篇論文，在進行了大量的數(shù)學分析后，他們發(fā)現(xiàn)蜻蜓的結(jié)構(gòu)接近于高效超級計算機的理想設(shè)計。

而且，提高能效并不需要以犧牲性能為代價。Top500.org網(wǎng)站根據(jù)速度和效率對超級計算機進行排名，其今年6月發(fā)布的最新報告將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嶺國家實驗室的超算Frontier是目前世界上速度最快的計算機，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)中心是能夠改進的最后一個領(lǐng)域。在這個高科技領(lǐng)域，超級計算機和為互聯(lián)網(wǎng)提供動力的普通服務(wù)器都在這里運行，計算會產(chǎn)生大量的熱量。盡管新發(fā)現(xiàn)的重點是效率，但現(xiàn)代CPU或GPU在全速運行時可以產(chǎn)生500瓦或更多的熱量。在一個數(shù)據(jù)中心里有成千上萬的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)中心效率的標準是電源使用效率(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顧問公司Uptime Institute的數(shù)據(jù)，一個典型數(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行計算機，而三分之一用于運行數(shù)據(jù)中心本身，其中大部分電力被冷卻系統(tǒng)消耗。

高性能計算跨越凈零碳排放界限

巧妙的設(shè)計可以將這個數(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。有些初創(chuàng)公司甚至將電路板完全浸入專門設(shè)計的液體浴缸中。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)一臺相鄰的計算機，利用這種免費冷卻機制，PUE等級僅為1.02。這意味著，98%的電能被轉(zhuǎn)化為有用的數(shù)學應用?？扑够┦空f：“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)中心標準組織和第三方認證機構(gòu)Uptime Institute于6月份發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過幾年的穩(wěn)步改善，全球數(shù)據(jù)中心效率自2018年以來沒有提高。但其主要原因是經(jīng)濟學，而非源自計算機科學。隨著對計算的需求激增，公司讓老舊的、效率較低的基礎(chǔ)設(shè)施運行更長時間變得更有意義。

考慮到美國、英國和歐盟等國制定的碳減排目標，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。一項新的德國法律規(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：“我們希望LUMI能夠證明，高性能計算能夠跨越凈零碳排放的界限?！蹦切┫胍@得相關(guān)經(jīng)驗的人，最好能親自到芬蘭去取經(jīng)。

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