實探全球第九大超算中心:溫水冷卻節能可達30%
2019年09月16日04:09

  來源:每日經濟新聞

  每經記者 李少婷 每經編輯 張海妮

  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“根據地”安聯球場駕車約10分鍾的距離,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於此。做一個形象類比,萊布尼茨超算中心在超算領域於德國而言,不輸拜仁球隊之於德國足球的地位。

  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援,面向科研機構和非盈利組織等。

  在海量數據源源不斷產生的背景下,如何利用和處理數據成為世界性課題,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注目光。但超強計算力的背後,是“吃電怪獸”的影子,能耗問題是超算中心綠色發展的關鍵。

  9月11日,萊布尼茨超算中心戰略性發展和合作業務主管 Laura Schulz向包括《每日經濟新聞》記者在內的媒體記者介紹,該超算中心使用的是溫水水冷技術,相較於普通的風冷技術節能不少,目前正尋求突破將多餘的熱量直接轉換為製冷的能源,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在面前了,Laura將門後的整個超算系統稱為“超算魔方”。

  最初,“超算魔方”僅有一個,在擴建後成為“雙子魔方”。為了給建築背後的水獺留一個完整的巢穴,後建的魔方比之前的在長度上要短一米。“科學上失去一米,環境中獲得一米。”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於環境的態度。

  據介紹,“超算魔方”共有五層,第五層是水冷系統,第四層是超算,第三層是集群小機器,第二層是水處理系統,第一層則是電力系統。萊布尼茨超算中心採用的是超級計算機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)主存儲器、50PB(千萬億字節)外部數據存儲器和一套高速互聯裝置,可為物理、化學、生命科學、地理、氣候研究、工程等領域的研究人員提供服務。

  “從1995年開始,建模和模擬開始成為許多國家的重點發展領域。因此,對超算的需求開始穩步上升。現在,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Laura介紹,全球算力的增長相對比較平緩,但數據的增長速率遠超算力增長速率,超算對數據進行分析,可找到數據之間的模式或者邏輯。預計到2025年,數據量將會達到175ZB(十萬億億字節)。“如果能夠通過超算去發現這些海量的數據當中的一些邏輯、規則,並且對其加以使用的話,這對於人類來說就是開啟了新世界的大門。”Laura稱。

  但系統越大,消耗的能源就越多,更好的能效比成為全球範圍內的追求。“由於採用了新型溫水冷卻系統,SuperMUC-NG是全球最節能的超級計算機之一。”Laura表示,在研發每一代設備時,他們會先用測試設備進行測試,嚐試將更多的設備部件用水冷技術降溫,之後再推廣到更大的系統里。

  萊布尼茨超算中心的水冷系統運行模式是:溫水從銅管中流過,將處理器的熱量帶走,進入水處理系統,最後到達屋頂,屋頂有類似於瀑布的排水設計,水會像瀑布一樣流下來,之後從入口又重新流進來,由此形成一個封閉的系統。

  “我們的水冷系統進入到處理器區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,目前溫水水冷系統入口溫度最高為50℃。

  “50℃是散熱效果最佳的溫度,在此溫度下,熱量向外傳導的速度最高。”水冷技術支援方、聯想集團德國數據中心展示與創新中心解釋了溫度選擇的原理。

  相較於傳統的風冷技術,即單一通過空調或風扇製冷,水冷技術雖然建設成本高,但使用成本相對低。萊布尼茨超算中心方面介紹,根據最新的數據,目前採用的水冷技術相較於風冷技術節能30%,每年可節省140萬歐元。

  熱冷轉換系統仍待完善

  風冷技術下的超算中心噪音相對較大,而水冷技術之下的萊布尼茨超算中心雖然仍有噪音,但在Laura提高說話音量後,可面對面交談。

  超算中心內的機器目前有三套系統,其中第一代和第二代系統的算力是一樣的,但第二代的體積只有第一代的1/3,第三代和第二代系統的體積是一樣大,但算力是第二代的約6倍。“隨著設備的更新換代,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,玻璃罩內外的體感溫度基本是夏天與秋天的差距。其實,即使是應用了水冷系統,超算中心的散熱亦沒能完全脫離空調製冷。

  據聯想集團德國數據中心展示與創新中心方面介紹,玻璃罩內分冷通道和熱通道,冷通道在前面,使得冷空氣被吸到系統和機架裡面,對機器進行降溫。熱通道在後面,向外部排出熱量。熱空氣出來後,由空調降溫。前冷後熱,形成一個循環系統。

  Laura向《每日經濟新聞》記者表示,以她的經驗,目前沒有比溫水水冷技術更好的製冷應用。

  不過,中國電子節能技術協會數據中心節能技術委員會秘書長呂天文認為,溫水水冷技術仍需要空調製冷,並不是一個終極手段,而是一個折中方案。具體而言,溫水水冷系統不能將服務器上的熱量全部帶走,服務器主板仍需要散熱,這些熱量如果無法全部帶走,就無法脫離空調製冷。

  但目前在實際應用層面仍未有更好且穩定的解決方案,超算中心和技術提供方不得不在此基礎上完善現有技術方案。

  Laura向記者表示,超算中心產生了很多熱量,他們也在找方法,希望能將產生的熱能轉化為能量儲藏起來。目前,萊布尼茨超算中心採取的再利用方式是,利用產生的熱量給整個大樓供暖,但即使如此,熱量還有很多,他們也在想辦法用賸餘的熱量給別的大樓供暖。

  但更直接的循環是,如何將超算中心產生的熱量直接轉化為製冷的能源,供給需要冷水的系統。Laura表示,目前正在研究這一技術。

  而技術提供方聯想集團目前正致力於將水冷系統做得更薄,並將水冷技術推廣至超算及高端計算機之外的普通服務器中,例如用於GPU(顯示芯片)散熱等。

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