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实探全球第九大超算中心:现有方式节能 30% 正寻求热冷转换突破

莱布尼茨超算中心建筑外景

若您是位球迷,对拜仁慕尼黑足球队肯定耳熟能详,而距离其 " 根据地 " 安联球场驾车约 10 分钟的距离,2019 年全球 TOP500 超算榜单中排名第九的莱布尼茨超算中心就位于此。做一个形象的类比,莱布尼茨超算中心在超算领域于德国而言,不输拜仁球队之于德国足球的地位。

莱布尼茨超算中心目前位居欧洲超算第一位,由德国巴伐利亚州政府支持,面向科研机构和非盈利组织等。

在海量数据源源不断产生的背景下,如何利用和处理数据成为世界性课题,超算中心因为拥有超强计算力,能够处理一般计算机解决不了的难题,吸引了越来越多的关注目光。但超强计算力的背后,是 " 吃电怪兽 " 的影子,能耗问题是超算中心绿色发展的关键。

9 月 11 日,莱布尼茨超算中心战略性发展和合作业务主管 Laura Schulz 向包括《每日经济新闻》在内的媒体介绍,该超算中心使用的是温水水冷技术,相较于普通的风冷技术节能不少,目前正寻求突破将多余的热量直接转换为制冷的能源,从而进一步降低能耗。

用洗澡水的温度为处理器降温

通过一条需要通行证的狭长通道,再推开又一道需要身份信息的门,莱布尼茨超算中心的入口就展现在面前了,Laura 将门后的整个超算系统称为 " 超算魔方 "。

最初," 超算魔方 " 仅有一个,在扩建后成为 " 双子魔方 "。为了给建筑背后的水獭留一个完整的巢穴,后建的魔方比之前的在长度上要短一米。" 科学上失去一米,环境中获得一米。" 进门前,Laura 向来访的记者讲述了这个小故事,表达莱布尼茨超算中心对于环境的态度。

据介绍," 超算魔方 " 共有五层,第五层是水冷系统,第四层是超算,第三层是集群小机器,第二层是水处理系统,第一层则是电力系统。莱布尼茨超算中心采用的是超级计算机 SuperMUC-NG,每秒峰值性能可完成 26.9 千万亿次浮点运算(即每秒完成近 3 × 1016 次运算),拥有 719TB(万亿字节)主存储器、50PB(千万亿字节)外部数据存储器和一套高速互联装置,可为物理、化学、生命科学、地理、气候研究、工程等领域的研究人员提供服务。

" 从 1995 年开始,建模和模拟开始成为许多国家的重点发展领域。因此,对超算的需求开始稳步上升。现在,在 2020 年即将来临之际,我们即将进入 ExaFlop 时代。ExaFlop 就是每秒一百京(即 1018)次的浮点运算。"Laura 表示。

据 Laura 介绍,全球算力的增长相对比较平缓,但数据的增长速率远超算力增长速率,超算对数据进行分析,可找到数据之间的模式或者逻辑。预计到 2025 年,数据量将会达到 175ZB(十万亿亿字节)。" 如果能够通过超算去发现这些海量的数据当中的一些逻辑、规则,并且对其加以使用的话,这对于人类来说就是开启了新世界的大门。"Laura 称。

但系统越大,消耗的能源就越多,更好的能效比成为全球范围内的追求。" 由于采用了新型温水冷却系统,SuperMUC-NG 是全球最节能的超级计算机之一。"Laura 表示,在研发每一代设备时,他们会先用测试设备进行测试,尝试将更多的设备部件用水冷技术降温,之后再推广到更大的系统里。

莱布尼茨超算中心的水冷系统运行模式是:温水从铜管中流过,将处理器的热量带走,进入水处理系统,最后到达屋顶,屋顶有类似于瀑布的排水设计,水会像瀑布一样流下来,之后从入口又重新流进来,由此形成一个封闭的系统。

" 我们的水冷系统进入到处理器区域的时候是洗澡水的温度,离开的时候,就变成了很热的洗澡水的温度。"Laura 表示,目前温水水冷系统入口温度最高为 50 C。

"50 度是散热效果最佳的温度,在此温度下,热量向外传导的速度最高。" 水冷技术支持方、联想集团德国数据中心展示与创新中心解释了温度选择的原理。

相较于传统的风冷技术,即单一通过空调或风扇制冷,水冷技术虽然建设成本高,但使用成本相对低。莱布尼茨超算中心方面介绍,根据最新的数据,目前采用的水冷技术相较于风冷技术节能 30%,每年可节省 140 万欧元。

莱布尼茨超算中心战略性发展和合作业务主管 Laura Schulz 在给来访记者介绍莱布尼茨超算中心

热冷转换系统仍待完善

风冷技术下的超算中心噪音相对较大,但水冷技术之下的莱布尼茨超算中心虽然仍有噪音,但在 Laura 提高说话音量后,可面对面交谈。

超算中心内的机器目前有三套系统,其中第一代和第二代系统的算力是一样的,但第二代的体积只有第一代的 1/3,第三代和第二代系统的体积是一样大,但算力是第二代的约 6 倍。" 随着设备的更新换代,超算的体积更小,算力更高。"Laura 介绍道。

一系列机器被放在玻璃罩内,玻璃罩内外的体感温度基本是夏天与秋天的差距。其实,即使是应用了水冷系统,超算中心的散热亦没能完全脱离空调制冷。据联想集团德国数据中心展示与创新中心方面介绍,玻璃罩内分冷通道和热通道,冷通道在前面,使得冷空气被吸到系统和机架里面,对机器进行降温。热通道在后面,向外部排出热量。热空气出来后,由空调降温。前冷后热,形成一个循环系统。

Laura 向《每日经济新闻》记者表示,以她的经验,目前没有比温水水冷技术更好的制冷应用。

不过,中国电子节能技术协会数据中心节能技术委员会秘书长吕天文认为,温水水冷技术仍需要空调制冷,并不是一个终极手段,而是一个折中方案。具体而言,温水水冷系统不能将服务器上的热量全部带走,服务器主板仍需要散热,这些热量如果无法全部带走,就无法脱离空调制冷。

但目前在实际应用层面仍未有更好且稳定的解决方案,超算中心和技术提供方不得不在此基础上完善现有技术方案。

Laura 向记者表示,超算中心产生了很多热量,她们也在找方法,希望能将产生的热能转化为能量储藏起来。目前,莱布尼茨超算中心采取的再利用方式是,利用产生的热量给整个大楼供暖,但即使如此,热量还有很多,她们也在想办法用剩余的热量给别的大楼供暖。

但更直接的循环是,如何将超算中心产生的热量直接转化为制冷的能源,供给需要冷水的系统。Laura 表示,目前正在研究这一技术。

而技术提供方联想集团目前正致力于将水冷系统做得更薄,并将水冷技术推广至超算及高端计算机之外的普通服务器中,例如用于 GPU(显示芯片)散热等。

每日经济新闻

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