透過數字看節能 高性能計算能耗分析

工業革命以來的幾百年中，人類對能源的需求爆發性增長，不僅使得能源越來越稀缺，更帶來了嚴重的環境危機。我國是能源大國，卻也是能耗大國，每年浪費的電力能源驚

　　為實現能源和環境的可持續性發展，國家已經將降低能源消耗、減少單位GDP能耗作為提高中國經濟增長質量的一項重要指標，并且明確提出節能減排是當前宏觀調控的重點工作。溫家寶總理在十屆全國人大五次會議上作的《政府工作報告》中鄭重提出確保國家"十一五"節能減排目標的實現，促進國民經濟又好又快發展。

　　IT行業作為國家新興高科技支柱行業，同樣面臨著巨大的節能降耗壓力。IT能耗問題已經成為影響全球能源和環境的重要因素之一。預計2007年，中國PC的社會保有量將超過1億臺，服務器超過200萬臺，還有數目眾多的路由器、交換機等其他IT設備，這些總量驚人的IT設備大約會消耗300億～500億度電能，等同于向大氣中排放上千萬噸的溫室氣體。

　　計算機硬件的價格遵循著摩爾定律在不斷下降，但是功耗方面的支出正隨著通貨膨脹和油價上漲而不斷地攀升。如果一個服務器的功耗為300瓦，持續運行1年，以每度電0.64元計算(工業用電)，每年的電費為1659元。當前數據中心所需要的計算能力正在大幅增加，同時隨著機架服務器、刀片式服務器的采用，設備密度極大增加，導致了功耗的增加。

　　以100個插滿機架式服務器的服務器機架為例，機架服務器耗電50千瓦，而散熱所需的冷卻耗電量幾乎等同于計算機硬件自身的耗電量，因此冷卻設備還需另耗電50千瓦。以每度電0.64元計算，一年無故障運營100臺機架服務器將花費大約55萬元電費。據統計，數據中心的電力消耗以每年15%～20%的速度在增長，而與此同時能源的價格也在飛漲。

　　數據中心每年所支付的電費，已經超出了IT硬件支出，或者說數據中心總擁有成本的四分之一要花在冷卻方面。Google公司的單項最大支出就是它那龐大服務器群的電費。正因為以上原因，Google不得不把自己的處理中心部署在水電站附近，因為那里有充足的電能，據報道，它還準備建立自己的電廠。

　　高性能計算機能耗的增加主要體現在如下幾個方面：首先是CPU功耗的增加，幾十年來，CPU的發展基本是遵循著摩爾定律，其制造工藝不斷提升，從芯片制造工藝來看，業界在1965年推出的10微米(μm)處理器后，經歷了6微米、3微米、1微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米，而0.045微米的制造工藝是目前CPU的最高工藝。

　　CPU晶體管越來越小，頻率越來越高，隨著CPU處理能力的飛速提升，其功耗同樣增長驚人，現在Intel的高功耗CPU已經達到130W的功率;其次是內存及其功耗的增加，自從馮.諾伊曼架構誕生以來，內存就成了計算機中必不可少的部件，隨著制造工藝的改進，內存容量越來越大，速度越來越快，價格越來越低，與CPU一起推動了計算能力的快速增長，而與此同時，我們卻要為之付出更多的電費，現在主流的DDR2和FBD內存均已達到10W這個量級，以至于我們不得不為內存的散熱感到頭痛;再次是芯片組和外圍設備，由于CPU和內存頻率不斷提高，這就要求和它們配合的芯片組，總線和外圍設備都需要工作在更高的頻率，才能充分發揮其性能，而更高的頻率意味著更多的電能消耗。

　　第四方面是機房制冷和供電設備的能耗，由于服務器對高溫非常敏感，因此機房必須配置大量的制冷設備，而且機房供電設備在把電壓轉換為220V時，會損失部分電能。以曙光4000A為例，曙光4000A采用2560顆AMD CPU，2TB的內存，系統功率達到370千瓦，加上制冷費用，全天運轉下來將花費達到近萬元的電費，每年運行電費高達500萬。

　　即將推出的百萬億次超級計算機-曙光5000，采用近4000顆四核處理器構建，總內存容量達64TB，存儲容量達500TB，總體功耗預期將達到700千瓦。到2010年我國將研發浮點計算性能達千萬億次的超級計算機，其功耗將高達20兆瓦左右，中國只有少數幾個超算中心能滿足這樣的要求，假設目前每度電需要花費0.64元，即使電價不變，一臺20兆瓦的超級計算機系統一年僅在電費上就要花去至少1億元，與目前的成本比較，這是一個數量級的飛躍。液冷可以使系統變得更加緊湊，從而節省空間，但是并不能從根本上解決功耗問題。更為嚴峻的是，大量的電能消耗還帶來散熱方面的難題。

　　我國正處在經濟快速增長時期，服務器作為重要的生產資料，數量急劇增長，功耗更為驚人。

　　以中石油的計算處理中心為例，從2002年到2007年CPU從340顆增長到13308，增長了40倍。運算能力當初是億次，原為189億次/秒，現在高達139萬億次，增長了3354倍，短短的五年間處理能力獲得了質的飛躍。正是因為有了強大的計算能力，處理中心在冀東南堡油田的發現過程中發揮了至關重要的的作用，為油井位置的選擇提供了重要的依據。(注：南堡油田是四十年來我國發現的最大油田，儲量超過十億噸)

　　據統計，處理中心1000個CPU軟硬件及空調PTU需要成本3千萬元，電費每年96萬元左右，每天電費是2630元，1萬個CPU每年電費是1750萬。近三年耗電統計，2005年1500個CPU，電費是334萬元。2006年的時候CPU增長到2300顆，電費達到492萬元，2007年前六個月達到4900顆CPU，到9月份電費為554萬元，2008年電費至少需要1500-1700萬元。

　　隨著經濟和社會的發展，在可預見的時期內，中國總服務器持有量還會繼續快速增加，功耗同樣會快速增長。在胡錦濤總書記的十七大報告中明確指出，"加強能源資源節約和生態環境保護，增強可持續發展能力"，為了建設新型節約型社會，高性能計算機節能刻不容緩。