高性能计算机能耗状况分析

工业革命以来的几百年中，人类对能源的需求爆发性增长，不仅使得能源越来越稀缺，更带来了严重的环境危机。我国是能源大国，却也是能耗大国，每年浪费的电力能源惊人。为实现能源和环境的可持续性发展，国家已经将降低能源消耗、减少单位GDP能耗作为提高中国经济增长质量的一项重要指标，并且明确提出节能减排是当前宏观调控的重点工作。温家宝总理在十届全国人大五次会议上作的《政府工作报告》中郑重提出确保国家“十一五”节能减排目标的实现，促进国民经济又好又快发展。

IT行业作为国家新兴高科技支柱行业，同样面临着巨大的节能降耗压力。IT能耗问题已经成为影响全球能源和环境的重要因素之一。预计2007年，中国PC的社会保有量将超过1亿台，服务器超过200万台，还有数目众多的路由器、交换机等其他IT设备，这些总量惊人的IT设备大约会消耗300亿～500亿度电能，等同于向大气中排放上千万吨的温室气体。

计算机硬件的价格遵循着摩尔定律在不断下降，但是功耗方面的支出正随着通货膨胀和油价上涨而不断地攀升。如果一个服务器的功耗为300瓦，持续运行1年，以每度电0.64元计算（工业用电），每年的电费为1659元。当前数据中心所需要的计算能力正在大幅增加，同时随着机架服务器、刀片式服务器的采用，设备密度极大增加，导致了功耗的增加。以100个插满机架式服务器的服务器机架为例，机架服务器耗电50千瓦，而散热所需的冷却耗电量几乎等同于计算机硬件自身的耗电量，因此冷却设备还需另耗电50千瓦。以每度电0.64元计算，一年无故障运营100台机架服务器将花费大约55万元电费。据统计，数据中心的电力消耗以每年15%～20%的速度在增长，而与此同时能源的价格也在飞涨。数据中心每年所支付的电费，已经超出了IT硬件支出，或者说数据中心总拥有成本的四分之一要花在冷却方面。Google公司的单项最大支出就是它那庞大服务器群的电费。正因为以上原因，Google不得不把自己的处理中心部署在水电站附近，因为那里有充足的电能，据报道，它还准备建立自己的电厂。

高性能计算机能耗的增加主要体现在如下几个方面：

1. 首先是CPU功耗的增加，几十年来，CPU的发展基本是遵循着摩尔定律，其制造工艺不断提升，从芯片制造工艺来看，业界在1965年推出的10微米（μm）处理器后，经历了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微米的制造工艺是目前CPU的最高工艺。CPU晶体管越来越小，频率越来越高，随着CPU处理能力的飞速提升，其功耗同样增长惊人，现在Intel的高功耗CPU已经达到130W的功率；
2. 其次是内存及其功耗的增加，自从冯*诺伊曼架构诞生以来，内存就成了计算机中必不可少的部件，随着制造工艺的改进，内存容量越来越大，速度越来越快，价格越来越低，与CPU一起推动了计算能力的快速增长，而与此同时，我们却要为之付出更多的电费，现在主流的DDR2和FBD内存均已达到10W这个量级，以至于我们不得不为内存的散热感到头痛；
3. 再次是芯片组和外围设备，由于CPU和内存频率不断提高，这就要求和它们配合的芯片组，总线和外围设备都需要工作在更高的频率，才能充分发挥其性能，而更高的频率意味着更多的电能消耗。
4. 第四方面是机房制冷和供电设备的能耗，由于服务器对高温非常敏感，因此机房必须配置大量的制冷设备，而且机房供电设备在把电压转换为220V时，会损失部分电能。以曙光4000A为例，曙光4000A采用2560颗AMD CPU，2TB的内存，系统功率达到370千瓦，加上制冷费用，全天运转下来将花费达到近万元的电费，每年运行电费高达500万。

即将推出的百万亿次超级计算机-曙光5000，采用近4000颗四核处理器构建，总内存容量达64TB，存储容量达500TB，总体功耗预期将达到700千瓦。到2010年我国将研发浮点计算性能达千万亿次的超级计算机，其功耗将高达20兆瓦左右，中国只有少数几个超算中心能满足这样的要求，假设目前每度电需要花费0.64元，即使电价不变，一台20兆瓦的超级计算机系统一年仅在电费上就要花去至少1亿元，与目前的成本比较，这是一个数量级的飞跃。液冷可以使系统变得更加紧凑，从而节省空间，但是并不能从根本上解决功耗问题。更为严峻的是，大量的电能消耗还带来散热方面的难题。

我国正处在经济快速增长时期，服务器作为重要的生产资料，数量急剧增长，功耗更为惊人。以中石油的计算处理中心为例，从2002年到2007年CPU从340颗增长到13308，增长了40倍。运算能力当初是亿次，原为189亿次/秒，现在高达139万亿次，增长了3354倍，短短的五年间处理能力获得了质的飞跃。正是因为有了强大的计算能力，处理中心在冀东南堡油田的发现过程中发挥了至关重要的的作用，为油井位置的选择提供了重要的依据。（注：南堡油田是四十年来我国发现的最大油田，储量超过十亿吨）据统计，处理中心1000个CPU软硬件及空调PTU需要成本3千万元，电费每年96万元左右，每天电费是2630元，1万个CPU每年电费是1750万。近三年耗电统计，2005年1500个CPU，电费是334万元。2006年的时候CPU增长到2300颗，电费达到492万元，2007年前六个月达到4900颗CPU，到9月份电费为554万元，2008年电费至少需要1500-1700万元。

随着经济和社会的发展，在可预见的时期内，中国总服务器持有量还会继续快速增加，功耗同样会快速增长。在胡锦涛总书记的十七大报告中明确指出，“加强能源资源节约和生态环境保护，增强可持续发展能力”，为了建设新型节约型社会，高性能计算机节能刻不容缓。