正值盛夏酷暑，IT產(chǎn)業(yè)界卻迎來一陣涼爽清風。在中國首屆綠色計算高峰論壇上，發(fā)布了綠色計算應用最新成果。隨著信息爆炸時代的到來，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量每年都在以幾何倍數(shù)增長，而大量數(shù)據(jù)中心的投入使用，會消耗海量電能。降低數(shù)據(jù)中心的能耗，不僅關乎企業(yè)利潤，還是經(jīng)濟社會發(fā)展的問題。
可以說，節(jié)能減排、綠色計算是大勢所趨。
電子工業(yè)自誕生起便用電不菲
電子工業(yè)自誕生以來就是耗電大戶。比如現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰的真空管，它的燒制過程、制做過程都是行業(yè)的“電老虎”。又比如承擔著很多電子元器件機體材料的電子窯爐，電子窯爐承擔焙燒工藝幾乎占到了電子行業(yè)30%的能耗。晶圓廠也是耗電大戶，臺積電就多次爆出缺電危機。根據(jù)臺南科技園管理局公布的資料，一個臺積電的5nm工藝線工廠能耗為72萬千瓦，其用電量是臺灣省東部地區(qū)居民用電能耗的1.2倍。
近年來，隨著ICT產(chǎn)業(yè)的技術進步，全球智能終端和人均流量不斷上漲。據(jù)估算，2020年全球?qū)⒂?60億互聯(lián)網(wǎng)設備去接入網(wǎng)絡，全球終端移動互聯(lián)的數(shù)量超過1000億，日均會有24PB以上的流量，人均會有5PB數(shù)據(jù)存儲。信息爆炸會使一大批數(shù)據(jù)中心在世界各地拔地而起。非常不幸的是，數(shù)據(jù)中心恰恰是不折不扣的電老虎。
2016年，中國數(shù)據(jù)中心用電量超過1100億千瓦時，2017年中國數(shù)據(jù)中心用電量達到1200至1300億千瓦時，這個數(shù)字已經(jīng)超過三峽大壩和葛洲壩兩座大型水力發(fā)電站全年發(fā)電量。2018年數(shù)據(jù)中心的耗電量達到1400億千瓦時。目前，中國數(shù)據(jù)中心耗電量連續(xù)八年以超12%的速度增長，預計2020年我國數(shù)據(jù)中心耗電量將達到2962億千瓦時，2025年達到3842億千瓦時。一旦這個預測變成現(xiàn)實，就意味著數(shù)據(jù)中心的耗電量會占到國家整個社會總用電量3%—5%，超過很多行業(yè)總用電量之和。
也許大家對上述數(shù)據(jù)沒有概念。那么，鐵流再舉個例子。在2018年，中國城鄉(xiāng)居民用電的總量才是9685億千瓦時，而2018年數(shù)據(jù)中心的耗電量達到1400億千瓦時。換言之，數(shù)據(jù)中心用電量相當于全國居民用電量近五分之一。
歐洲有一個預測，預計整個歐洲5—10年之后數(shù)據(jù)中心總用電量要占整個歐洲總用電量的20%。誠然，現(xiàn)在用電量還遠不到這個數(shù)字，不過，卻足見數(shù)據(jù)中心的用電量之大，必須引起高度重視。可以說，數(shù)據(jù)中心巨大的耗電量是中國IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)，也是生態(tài)文明建設，發(fā)展綠色經(jīng)濟必須解決的問題。
利用自然條件降低能耗治標不治本
正是因為數(shù)據(jù)中心能耗過大，相關部門出臺了一些政策控制PUE值。PUE是一個比值，PUE=數(shù)據(jù)中心總設備能耗/IT設備能耗，基準是2，越接近1表明能效水平越好。目前，PUE值為1.5—2.0這個區(qū)間的數(shù)據(jù)中心依然有超過80%。根據(jù)各地公布的政策，北京要求6城區(qū)之外數(shù)據(jù)中心PUE值1.4以下，最新的標準要求PUE值達到1.3以下，達到1.2算優(yōu)秀;上海要求新建的數(shù)據(jù)中心在PUE值1.3以下;深圳要求PUE值達到1.25以下。
既然政策已經(jīng)有了明確規(guī)定，那么，如何去落實呢?
目前，數(shù)據(jù)中心建成后，運營成本60%—70%是電費，而電費里面又有40%是用在制冷上。可以說，制冷完全就是電老虎，完全不產(chǎn)出價值只產(chǎn)生成本。以1度電8毛錢計算，2017年數(shù)據(jù)中心耗電1100億度就相當于是900億人民幣，這里面有40%被浪費掉，900億人民幣乘以40%是360億人民幣。同理，2018年就有四五百億人民幣被白白浪費掉了。因此，成功降低制冷成本，不僅有助于大幅降低企業(yè)運營成本，還有利于國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，因而大家都在如何降低制冷成本上動腦筋。
于是有人就提出在山洞冷卻、深水湖冷卻、海底冷卻，主要就是為了用自然環(huán)境把制冷這一塊能耗電費給降下來。這也是很多企業(yè)在貴陽建大數(shù)據(jù)中心的原因——因為貴陽地處高海拔的高原地區(qū)，處于費德爾環(huán)流圈，常年受西風帶控制，年平均氣溫為15.3℃，即便是最熱的七月，平均氣溫為24℃，數(shù)據(jù)中心可以充分利用氣候條件散熱。
然而，中國只有一個貴陽，而數(shù)據(jù)中心建設是有普遍性的，必須在全國各地都可以建，不受地域、氣候、環(huán)境的影響。而山洞冷卻、深水湖冷卻、海底冷卻則做不到這一點。具體來說，上海規(guī)劃三年6萬基站，一個基站占地約7平米，但在上海根本找不到42萬平方米的山洞。湖水冷卻也是類似，畢竟深水湖泊資源也是稀缺資源。中國擁有漫長海岸線，海水確實很豐富，但由于海水具有腐蝕性，數(shù)據(jù)中心如何抗腐蝕就成為難題。何況數(shù)據(jù)中心本身就要求可靠性，一旦發(fā)生臺風和海嘯會非常麻煩。
可以說，利用自然條件降低能耗的方案存在不足，而且只治標不治本。
綠色計算是系統(tǒng)性工程
綠色計算是節(jié)能減排，降低數(shù)據(jù)中心功耗的技術，并不與特定CPU架構掛鉤，而是一個系統(tǒng)性工程。一些單位把綠色計算和ARM架構捆綁，其實是掛羊頭賣狗肉，以綠色計算的名義，獲取國家資源傾斜攫取利益。從實踐上看，ARM芯片的低功耗，是以低性能為代價的，一旦CPU性能上去了，功耗自然水漲船高。CPU的性能、功耗等關鍵指標，與CPU的設計水平和制造工藝息息相關，與CPU的指令集的關系微乎其微，在CISC、RISC已經(jīng)殊途同歸的情況下，沒必要捧著老黃歷當圣經(jīng)了。
就實現(xiàn)綠色計算來說，首當其沖的是要在冷卻技術上有所創(chuàng)新。之前介紹了，數(shù)據(jù)中心電能損耗中，40%的能量用在了制冷上，那么，如果把傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)里面的風扇、空調(diào)、壓縮機這些耗電大戶全部去掉，并用液體代替換熱系數(shù)差的空氣，作為新的導熱媒介，可以有效控制數(shù)據(jù)中心的能耗。如果把目前國內(nèi)的主要數(shù)據(jù)中心都變成液冷的模式，每年能節(jié)約的電能接近三峽大壩40%的發(fā)電量。
就液冷方案而言，有冷板式液冷和浸沒式液冷，冷板式液冷服務器技術利用工作流體作為中間熱量傳輸?shù)拿浇椋瑢崃坑蔁釁^(qū)傳遞到遠處再進行冷卻。在該方案中，工作液體與被冷卻對象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過液冷板等高效熱傳導部件將被冷卻對象的熱量傳遞到冷媒中。中科院大氣所的“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置原型系統(tǒng)”采用的就是冷板式液冷，從實踐上看，“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置原型系統(tǒng)”自2015年運行至今，其PUE值始終保持在1.17左右。
浸沒式液冷則是冷卻液與冷卻對象直接接觸，芯片浸沒于冷卻液中。值得一提的是，曙光開發(fā)出相變式液冷，并將之與浸沒式液冷相結合。這種液冷模式有兩個好處，一是可以把PUE控制在1.05以下，額外的耗電量幾乎是0，二是更加可靠。曙光的“硅立方”就采用相變式液冷，其PUE值可降至1.04以下，相當于40瓦的功率即可冷卻1000瓦的設備，而傳統(tǒng)的風冷系統(tǒng)則需要500瓦至1000瓦的功耗。同時，采用液冷系統(tǒng)的余熱可二次利用，如用于樓宇供暖等，整套系統(tǒng)非常綠色環(huán)保。
除了在制冷技術上有所創(chuàng)新之外，在異構計算、技術融合、運維、存儲架構等方面進行優(yōu)化，也能取得一定效果。異構計算在超算上已經(jīng)有了廣泛應用，神威太湖之光就是異構超算，并在能效上取得了相對同構超算的明顯優(yōu)勢。同理，將異構計算用在數(shù)據(jù)中心上，同樣能夠降低超算能耗。技術融合也是綠色計算的發(fā)展方式，今天是計算大數(shù)據(jù)的時代，每一個用戶都有對于云大數(shù)據(jù)、人工智能、超算等等這樣一些技術各種各樣的需求。從用戶的角度來說，同樣存在這樣的困惑，如何在同一個平臺同一個架構上使用不同的模式?這就需要超融合的系統(tǒng)，既方便用戶的使用，又最大限度實現(xiàn)了資源的利用和資源的共享，使用戶可以最大程度上去減少現(xiàn)實資源的消耗。在運維方面，通過“全國一體化+通過遠程和本地運維相結合”的運維系統(tǒng)使客戶可以低成本的使用綠色運維技術，實現(xiàn)運維的快速反應和后期調(diào)整優(yōu)化。就存儲而言，通過存儲架構改進，提升這方面的能效。
結語
目前，全社會對于綠色計算是非常迫切的，綠色計算對企業(yè)發(fā)展和國家節(jié)能減排意義重大，是大勢所趨。不過，當下整個綠色計算里面也有很多的標準和概念還有待完善，甚至還不乏一些單位掛羊頭賣狗肉，借綠色計算之名兜售ARM服務器的奇葩情況。
鐵流認為，對于綠色計算應當推出從綜合能耗、成本、環(huán)境影響等一系列因素的全國標準，讓“偽綠色計算”無所遁形，使真正能夠為數(shù)據(jù)中心運營企業(yè)創(chuàng)造利潤、為國家實現(xiàn)節(jié)能減排的“真綠色計算”技術茁壯成長。
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