分析中国高性能计算机在500亿千瓦时的能耗

工业革命以来的数百年中，人类对能源的需求呈爆炸性增长，这不仅使能源越来越稀缺，而且还带来了严重的环境危机. 中国是能源大国，但也是能源消费大国. 每年，能源浪费都是惊人的. 为了实现能源和环境的可持续发展，中国已将减少能源消耗和单位国内生产总值的能源消耗作为提高中国经济增长质量的重要指标，并明确提出了节约能源和减少排放的建议. 当前宏观调控的重点. 温家宝总理在第十届全国人民代表大会第五次会议上发表的《政府工作报告》中，郑重建议确保实现国家“十一五”节能减排目标，促进节能减排目标的实现. 国民经济又好又快发展.

作为该国新兴的高科技支柱产业，IT行业还面临着巨大的节能和降耗压力. IT能耗已成为影响全球能源和环境的重要因素之一. 预计到2007年，中国PC的社会拥有量将超过1亿台，服务器数量将超过200万. 也将有大量的路由器，交换机和其他IT设备. 这些惊人的IT设备总数将消耗大约300亿到500亿. 千瓦时的电力相当于向大气排放数千万吨的温室气体.

根据摩尔定律，计算机硬件的价格继续下降，但是随着通货膨胀和油价的上涨，电力消耗的支出不断增加. 如果服务器的功耗为300瓦，并且连续运行1年，则以每千瓦时0.64元（工业功率）计算，每年的电费为1659元. 当前，数据中心所需的计算能力正在急剧增加. 同时，随着机架服务器和刀片服务器的采用，设备密度大大增加，导致功耗增加. 以装满机架式服务器的100个服务器机架为例. 机架服务器消耗50千瓦的电能，而冷却所需的冷却功率几乎等于计算机硬件本身的功耗. 因此，冷却设备需要另外消耗50千瓦的功率. 按每千瓦时0.64元计算，一年运行100台机架式服务器不会出现问题，大约需要花费55万元. 据统计，数据中心的能耗以每年15％到20％的速度增长，与此同时，能源价格也在飞涨. 数据中心每年支付的电费超过了IT硬件支出，或者数据中心总拥有成本的四分之一用于散热. Google最大的一笔支出是其庞大的服务器场的电费. 由于这些原因，Google必须在水力发电厂附近部署其处理中心，因为那里的电力充足，而且据报道，它也在准备建造自己的发电厂.

高性能计算机的能耗增加主要体现在以下几个方面: 首先是CPU功耗的增加. 几十年来，CPU的发展基本上遵循摩尔定律，其制造工艺也在不断改进. 看看它，在1965年业界推出10微米（μm）处理器之后，它经历了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，0.045微米的制造工艺是目前最高的CPU技术. CPU晶体管越来越小，频率越来越高. 随着CPU处理能力的迅速提高，其功耗也惊人地增长. 现在，英特尔的大功率CPU的功率已达到130W. 其次是内存和功耗. 增加. 自从冯·诺依曼（von Neumann）架构诞生以来，内存已成为计算机中不可或缺的组件. 随着制造工艺的改进，存储容量越来越大，价格越来越低. 它与CPU一起促进了计算能力的快速增长，但与此同时，我们必须为电费付出更多. 现在主流的DDR2和FBD内存已达到10W的量级，因此我们不得不在散热方面头疼；再次，由于CPU和内存的频率增加，芯片组和设备需要与之配合工作的芯片组，总线和设备需要以更高的频率工作高性能计算机房辐射，以充分发挥其性能，并且更高的频率意味着更多的功耗. 第四个方面是机房中冷却和供电设备的能耗. 由于服务器对高温非常敏感，因此机房必须配备大量冷却设备，并且机房中的电源设备将电压转换为220V时，会损失一部分电源.

以曙光4000A为例. Dawning 4000A使用2560个AMD CPU，2TB内存，系统功率达到370千瓦. 除了制冷成本外，一整天的电费也将近一万元，年电费高达500万. 即将面世的超级计算机Dawning 5000将配备近4,000个四核处理器，总存储容量为64TB，存储容量为500TB. 总体功耗预计将达到700千瓦. 到2010年，中国将开发具有数万亿次浮点计算性能的超级计算机，其功耗将高达20兆瓦左右. 在中国，只有少数超级计算中心可以满足这些要求. 假设当前成本为0.64元，即使电价保持不变，一个20兆瓦的超级计算机系统每年仅需花费至少1亿元的电费. 与当前成本相比，这是一个数量级的飞跃. 液体冷却可以使系统更紧凑并节省空间，但是不能从根本上解决功耗问题. 更严重的是，大量的功耗也会带来散热困难.

中国正处于经济快速增长时期. 作为重要的生产手段，服务器的数量已大大增加，功耗也变得更加惊人. 以中国石油计算处理中心为例，从2002年到2007年，CPU从340增加到13,308，增长了40倍. 最初的计算能力为1亿次，最初为每秒189亿次，现在高达139万亿次，增加了3354倍. 在短短的五年中，加工能力实现了质的飞跃. 正是由于强大的计算能力，加工中心在冀东堡油田的发现过程中发挥了至关重要的作用，为选择油井位置提供了重要依据. （注: 南埔油田是近40年来中国发现的最大油田，储量超过10亿吨. ）据统计，加工中心1000个CPU软件，硬件和空调PTU耗资3000万元高性能计算机房辐射，每天的电费约为96万元. 电费为2630元，1万个CPU的年电费为1750万. 过去三年的耗电量统计. 2005年，1,500个CPU和电费为334万元. 2006年，CPU数量增加到2300个，电费支出达到492万元. 在2007年前六个月中，它达到了4,900个CPU. 到9月份，电费支出554万元. 2008年，电费至少需要15-17百万元.

随着经济和社会的发展，在可预见的时期内，中国服务器总数将继续快速增长，功耗也将迅速增长. 在十七届全国人大常委会秘书长胡锦涛的报告中，明确提出“加强节能和生态环境保护，增强可持续发展能力”，以建设新型的节约型社会，高性能迫切需要计算机节能.

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