實探全球第九大超算中心：現(xiàn)有方式節(jié)能30% 正尋求熱冷轉(zhuǎn)換突破

每經(jīng)記者 李少婷 攝影報道    每經(jīng)編輯 張海妮    

萊布尼茨超算中心建筑外景

若您是位球迷，對拜仁慕尼黑足球隊肯定耳熟能詳，而距離其“根據(jù)地”安聯(lián)球場駕車約10分鐘的距離，2019年全球TOP500超算榜單中排名第九的萊布尼茨超算中心就位于此。做一個形象的類比，萊布尼茨超算中心在超算領(lǐng)域于德國而言，不輸拜仁球隊之于德國足球的地位。

萊布尼茨超算中心目前位居歐洲超算第一位，由德國巴伐利亞州政府支持，面向科研機構(gòu)和非盈利組織等。

在海量數(shù)據(jù)源源不斷產(chǎn)生的背景下，如何利用和處理數(shù)據(jù)成為世界性課題，超算中心因為擁有超強計算力，能夠處理一般計算機解決不了的難題，吸引了越來越多的關(guān)注目光。但超強計算力的背后，是“吃電怪獸”的影子，能耗問題是超算中心綠色發(fā)展的關(guān)鍵。

9月11日，萊布尼茨超算中心戰(zhàn)略性發(fā)展和合作業(yè)務(wù)主管Laura Schulz向包括《每日經(jīng)濟新聞》在內(nèi)的媒體介紹，該超算中心使用的是溫水水冷技術(shù)，相較于普通的風(fēng)冷技術(shù)節(jié)能不少，目前正尋求突破將多余的熱量直接轉(zhuǎn)換為制冷的能源，從而進一步降低能耗。

用洗澡水的溫度為處理器降溫 

通過一條需要通行證的狹長通道，再推開又一道需要身份信息的門，萊布尼茨超算中心的入口就展現(xiàn)在面前了，Laura將門后的整個超算系統(tǒng)稱為“超算魔方”。

最初，“超算魔方”僅有一個，在擴建后成為“雙子魔方”。為了給建筑背后的水獺留一個完整的巢穴，后建的魔方比之前的在長度上要短一米。“科學(xué)上失去一米，環(huán)境中獲得一米。”進門前，Laura向來訪的記者講述了這個小故事，表達萊布尼茨超算中心對于環(huán)境的態(tài)度。

據(jù)介紹，“超算魔方”共有五層，第五層是水冷系統(tǒng)，第四層是超算，第三層是集群小機器，第二層是水處理系統(tǒng)，第一層則是電力系統(tǒng)。萊布尼茨超算中心采用的是超級計算機SuperMUC-NG，每秒峰值性能可完成26.9千萬億次浮點運算（即每秒完成近3×10¹⁶次運算），擁有719TB（萬億字節(jié)）主存儲器、50PB（千萬億字節(jié)）外部數(shù)據(jù)存儲器和一套高速互聯(lián)裝置，可為物理、化學(xué)、生命科學(xué)、地理、氣候研究、工程等領(lǐng)域的研究人員提供服務(wù)。

“從1995年開始，建模和模擬開始成為許多國家的重點發(fā)展領(lǐng)域。因此，對超算的需求開始穩(wěn)步上升?，F(xiàn)在，在2020年即將來臨之際，我們即將進入ExaFlop時代。ExaFlop就是每秒一百京（即10¹⁸）次的浮點運算。”Laura表示。

據(jù)Laura介紹，全球算力的增長相對比較平緩，但數(shù)據(jù)的增長速率遠超算力增長速率，超算對數(shù)據(jù)進行分析，可找到數(shù)據(jù)之間的模式或者邏輯。預(yù)計到2025年，數(shù)據(jù)量將會達到175ZB（十萬億億字節(jié)）。“如果能夠通過超算去發(fā)現(xiàn)這些海量的數(shù)據(jù)當(dāng)中的一些邏輯、規(guī)則，并且對其加以使用的話，這對于人類來說就是開啟了新世界的大門。”Laura稱。

但系統(tǒng)越大，消耗的能源就越多，更好的能效比成為全球范圍內(nèi)的追求。“由于采用了新型溫水冷卻系統(tǒng)，SuperMUC-NG是全球最節(jié)能的超級計算機之一。”Laura表示，在研發(fā)每一代設(shè)備時，他們會先用測試設(shè)備進行測試，嘗試將更多的設(shè)備部件用水冷技術(shù)降溫，之后再推廣到更大的系統(tǒng)里。

萊布尼茨超算中心的水冷系統(tǒng)運行模式是：溫水從銅管中流過，將處理器的熱量帶走，進入水處理系統(tǒng)，最后到達屋頂，屋頂有類似于瀑布的排水設(shè)計，水會像瀑布一樣流下來，之后從入口又重新流進來，由此形成一個封閉的系統(tǒng)。

“我們的水冷系統(tǒng)進入到處理器區(qū)域的時候是洗澡水的溫度，離開的時候，就變成了很熱的洗澡水的溫度。”Laura表示，目前溫水水冷系統(tǒng)入口溫度最高為50ºC。

“50度是散熱效果最佳的溫度，在此溫度下，熱量向外傳導(dǎo)的速度最高。”水冷技術(shù)支持方、聯(lián)想集團德國數(shù)據(jù)中心展示與創(chuàng)新中心解釋了溫度選擇的原理。

相較于傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)，即單一通過空調(diào)或風(fēng)扇制冷，水冷技術(shù)雖然建設(shè)成本高，但使用成本相對低。萊布尼茨超算中心方面介紹，根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，目前采用的水冷技術(shù)相較于風(fēng)冷技術(shù)節(jié)能30%，每年可節(jié)省140萬歐元。

萊布尼茨超算中心戰(zhàn)略性發(fā)展和合作業(yè)務(wù)主管Laura Schulz在給來訪記者介紹萊布尼茨超算中心

熱冷轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仍待完善

風(fēng)冷技術(shù)下的超算中心噪音相對較大，但水冷技術(shù)之下的萊布尼茨超算中心雖然仍有噪音，但在Laura提高說話音量后，可面對面交談。

超算中心內(nèi)的機器目前有三套系統(tǒng)，其中第一代和第二代系統(tǒng)的算力是一樣的，但第二代的體積只有第一代的1/3，第三代和第二代系統(tǒng)的體積是一樣大，但算力是第二代的約6倍。“隨著設(shè)備的更新?lián)Q代，超算的體積更小，算力更高。”Laura介紹道。

一系列機器被放在玻璃罩內(nèi)，玻璃罩內(nèi)外的體感溫度基本是夏天與秋天的差距。其實，即使是應(yīng)用了水冷系統(tǒng)，超算中心的散熱亦沒能完全脫離空調(diào)制冷。據(jù)聯(lián)想集團德國數(shù)據(jù)中心展示與創(chuàng)新中心方面介紹，玻璃罩內(nèi)分冷通道和熱通道，冷通道在前面，使得冷空氣被吸到系統(tǒng)和機架里面，對機器進行降溫。熱通道在后面，向外部排出熱量。熱空氣出來后，由空調(diào)降溫。前冷后熱，形成一個循環(huán)系統(tǒng)。

Laura向《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，以她的經(jīng)驗，目前沒有比溫水水冷技術(shù)更好的制冷應(yīng)用。

不過，中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會秘書長呂天文認為，溫水水冷技術(shù)仍需要空調(diào)制冷，并不是一個終極手段，而是一個折中方案。具體而言，溫水水冷系統(tǒng)不能將服務(wù)器上的熱量全部帶走，服務(wù)器主板仍需要散熱，這些熱量如果無法全部帶走，就無法脫離空調(diào)制冷。

但目前在實際應(yīng)用層面仍未有更好且穩(wěn)定的解決方案，超算中心和技術(shù)提供方不得不在此基礎(chǔ)上完善現(xiàn)有技術(shù)方案。

Laura向記者表示，超算中心產(chǎn)生了很多熱量，她們也在找方法，希望能將產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為能量儲藏起來。目前，萊布尼茨超算中心采取的再利用方式是，利用產(chǎn)生的熱量給整個大樓供暖，但即使如此，熱量還有很多，她們也在想辦法用剩余的熱量給別的大樓供暖。

但更直接的循環(huán)是，如何將超算中心產(chǎn)生的熱量直接轉(zhuǎn)化為制冷的能源，供給需要冷水的系統(tǒng)。Laura表示，目前正在研究這一技術(shù)。

而技術(shù)提供方聯(lián)想集團目前正致力于將水冷系統(tǒng)做得更薄，并將水冷技術(shù)推廣至超算及高端計算機之外的普通服務(wù)器中，例如用于GPU（顯示芯片）散熱等。