綠色計(jì)算由哪些部分組成

綠色計(jì)算也被稱為可持續(xù)計(jì)算，旨在設(shè)計(jì)和使用計(jì)算機(jī)芯片、系統(tǒng)和軟件的過程中最大限度地提高能效并減輕對(duì)環(huán)境的影響。

人人都想要綠色計(jì)算。

移動(dòng)用戶想要最大的性能和電池壽命；企業(yè)和政府越來越需要功能強(qiáng)大又環(huán)保的系統(tǒng)；云服務(wù)必須在不導(dǎo)致電網(wǎng)中斷的情況下響應(yīng)全球需求。

綠色計(jì)算因此在過去三十年中迅速發(fā)展，并將在未來繼續(xù)發(fā)展。

什么是綠色計(jì)算？

綠色計(jì)算或可持續(xù)計(jì)算指在設(shè)計(jì)和使用計(jì)算機(jī)芯片、系統(tǒng)和軟件的過程中，最大限度地提高能效并減輕對(duì)環(huán)境的影響。

綠色計(jì)算也被稱為綠色信息技術(shù)、綠色 IT 或可持續(xù) IT，它涵蓋了整條供應(yīng)鏈，從用于制造計(jì)算機(jī)的原材料到系統(tǒng)的回收方式。

在工作過程中，綠色計(jì)算機(jī)必須以最少的能源完成最多的工作。通常是以每瓦特性能來衡量綠色計(jì)算機(jī)的效率。

為什么綠色計(jì)算十分重要？

綠色計(jì)算是應(yīng)對(duì)氣候變化的重要工具，而氣候變化是這個(gè)時(shí)代的生存威脅。

在過去的一個(gè)世紀(jì)中，全球氣溫上升了約 1.2 攝氏度，這使冰川融化，進(jìn)而導(dǎo)致海平面上升約 20 厘米，并增加了極端天氣事件的頻率和嚴(yán)重性。

用電量的增加是引起全球變暖的原因。雖然數(shù)據(jù)中心目前的用電量為每年 200 太瓦時(shí)，只占總用電量的約 1%，但這個(gè)數(shù)字卻在不斷增加，需要引起重視。

強(qiáng)大、節(jié)能的計(jì)算機(jī)是解決方案的一部分。它們正在推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，包括人們理解和應(yīng)對(duì)氣候變化的方式。

綠色計(jì)算由哪些部分組成？

工程師們認(rèn)為綠色計(jì)算是一門綜合學(xué)科。

該行業(yè) MLPerf AI 基準(zhǔn)測(cè)試功率工作組聯(lián)合主席、在NVIDIA 從事性能分析的杰出工程師 Sachin Idgunji 表示：“能效是從軟件到芯片的全棧式問題?！?/p>

例如在分析中，他發(fā)現(xiàn) NVIDIA DGX A100 系統(tǒng)與上一代產(chǎn)品相比，在橫向擴(kuò)展 AI 訓(xùn)練基準(zhǔn)測(cè)試中的能效提高了近 5 倍。

Sachin Idgunji 表示：“我的主要職責(zé)是分析和提高 AI 應(yīng)用能效，從 GPU 和系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)到整個(gè)數(shù)據(jù)中心規(guī)模?！?/p>

Idgunji 的工作為越來越多制造智能手機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的工程師提供了工作指引。

綠色計(jì)算的歷史

綠色計(jì)算在 1992 年成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)時(shí)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局啟動(dòng)了“能源之星”項(xiàng)目來識(shí)別符合能效標(biāo)準(zhǔn)的消費(fèi)電子產(chǎn)品。

目前已有三十多個(gè)產(chǎn)品組使用“ 能源之星”標(biāo)志。

2017 年的報(bào)告發(fā)現(xiàn)，有近 22 個(gè)國(guó)家的 100 個(gè)政府和行業(yè)項(xiàng)目在推行綠色信息通信技術(shù)，即可持續(xù)的信息和通信技術(shù)。

其中綠色電子委員會(huì)組織提供了電子產(chǎn)品環(huán)境評(píng)估工具，以記錄系統(tǒng)及其能效水平。該委員會(huì)聲稱，迄今為止，全球通過使用其推薦的 15 億種綠色產(chǎn)品，已經(jīng)節(jié)省了近 4 億兆瓦時(shí)的電力。

整個(gè)行業(yè)的各個(gè)層面都在繼續(xù)開展綠色計(jì)算的工作。

例如，一些大型數(shù)據(jù)中心使用液冷技術(shù)，另一些數(shù)據(jù)中心則選址于可以使用涼爽環(huán)境空氣進(jìn)行冷卻的地點(diǎn)。施耐德電氣最近發(fā)布的白皮書推薦了 23 個(gè)衡量數(shù)據(jù)中心可持續(xù)性水平的指標(biāo)。

根據(jù)施耐德發(fā)布的白皮書，數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)性衡量指標(biāo)包括能源和水的使用以及溫室氣體排放和廢棄物。

節(jié)能先驅(qū)

弗吉尼亞理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 Wu Feng 一直致力于推動(dòng)綠色計(jì)算。出于需要，他在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)開始了這項(xiàng)工作。

當(dāng)時(shí)，Wu Feng 正在外部倉(cāng)庫(kù)中維護(hù)用于開放性科學(xué)研究的計(jì)算機(jī)集群，該集群在夏季和冬季故障率倍增，為此他建立了不會(huì)產(chǎn)生那么多熱量的低功率系統(tǒng)。

在 2001 年的超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，Wu Feng 演示了這個(gè)名為“Green Destiny”的系統(tǒng)。英國(guó)廣播公司（BBC）、美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)（CNN）和《紐約時(shí)報(bào)》等媒體對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道，引發(fā)了高性能計(jì)算（HPC）界多年來關(guān)于綠色計(jì)算潛在可靠性與效率的討論和辯論。

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心的發(fā)展和不斷刷新的功耗極限，人們對(duì)綠色計(jì)算也越來越感興趣。2007 年 11 月，F(xiàn)eng 在與約 30 位高性能計(jì)算界大咖合作并收集業(yè)界反饋后，發(fā)布了首期 Green500 榜單。該名單成為了業(yè)界高能效超級(jí)計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)。

綠色計(jì)算基準(zhǔn)

Green500 充分調(diào)動(dòng)了業(yè)界在進(jìn)一步提升性能的同時(shí)控制能耗的積極性。

Feng 表示：“計(jì)算機(jī)的能效成倍增長(zhǎng)。名列前茅的綠色超級(jí)計(jì)算機(jī)大約每一年半增加一倍每瓦特運(yùn)算量?！?/p>

一些指標(biāo)的結(jié)果顯示，全球最“綠色”系統(tǒng)的能效在過去 14 年中增長(zhǎng)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

Green500 顯示，異構(gòu)系統(tǒng)（除了搭載 CPU 之外還搭載 GPU 等加速器的系統(tǒng)）始終是最節(jié)能的系統(tǒng)。

Feng 將這些成果主要?dú)w功于加速器的使用，比如如今已被全球最快的系統(tǒng)普遍使用的 GPU。

他表示：“加速器在無需大量開銷的情況下增強(qiáng)了大規(guī)模并行執(zhí)行代碼的能力，讓系統(tǒng)的運(yùn)行速度快得驚人。”

Feng 提到了日本早期的兩代 Tsubame 超級(jí)計(jì)算機(jī)。由于使用了 NVIDIA Kepler 和 Pascal 架構(gòu)的GPU，這兩臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)在 2014 年和 2017 年的 Green500 榜單上名列前茅，并且是該榜單上 GPU 加速系統(tǒng)的一部分。

Feng 表示：“加速器對(duì)整個(gè)榜單影響巨大。”憑借在綠色超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域的工作，F(xiàn)eng 將在 11 月的這場(chǎng)超級(jí)計(jì)算活動(dòng)上領(lǐng)取專屬于他的獎(jiǎng)項(xiàng)。

他還表示：“值得一提的是，NVIDIA 非常出色地參與并支持了 Green500，保證了能效數(shù)據(jù)的報(bào)告，幫助能效成為當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的指標(biāo)?！?/p>

提高 AI 和網(wǎng)絡(luò)的效率

今天，GPU 和數(shù)據(jù)處理單元（DPU）正在為 AI 和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)以及在超級(jí)計(jì)算機(jī)和企業(yè)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的模擬等高性能計(jì)算工作帶來更高的能效。

AI 是這個(gè)時(shí)代最強(qiáng)大的技術(shù)，它將成為每個(gè)企業(yè)的一部分。麥肯錫估計(jì)，隨著 AI 部署量的增加，到 2030 年 AI 將為全球 GDP 增加高達(dá) 13 萬億美元。

NVIDIA 估計(jì)，如果所有 AI、HPC 和網(wǎng)絡(luò)卸載都在 GPU 和 DPU 加速器上運(yùn)行，那么數(shù)據(jù)中心每年可以節(jié)省高達(dá) 19 太瓦時(shí)的電力（見下圖），這相當(dāng)于 290 萬輛乘用車一年的能耗。

可見，加速計(jì)算具有驚人的節(jié)能潛力。

GPU 和 DPU 加速計(jì)算的節(jié)能潛力分析

AI 基準(zhǔn)測(cè)試衡量效率

由于 AI 在企業(yè)工作負(fù)載中的比重日益增加，因此 MLPerf AI 行業(yè)基準(zhǔn)測(cè)試從 2021 年 2 月開始就一直在衡量數(shù)據(jù)中心和邊緣推理所有提交工作的每瓦特性能。

Idgunji 表示：“在用于高性能計(jì)算工作負(fù)載和 AI 訓(xùn)練的更大分布式系統(tǒng)上衡量 AI 的能效是下一個(gè)前沿領(lǐng)域，這與 Green500 的工作類似?！彼诘?MLPerf 功率工作組包括來自其他六家芯片和系統(tǒng)公司的成員。

NVIDIA Jetson 模塊最近在 MLPerf AI 推理基準(zhǔn)測(cè)試中展現(xiàn)出每瓦特性能上的巨大代際躍升

公開的結(jié)果激勵(lì)著參與者對(duì)每一代產(chǎn)品中做出重大改進(jìn)。他們還幫助工程師和開發(fā)者了解如何在 MLPerf 所測(cè)試的主要 AI 工作負(fù)載中平衡性能和效率。

Idgunji 表示：“軟件優(yōu)化是這項(xiàng)工作的重要部分，它們會(huì)對(duì)能效產(chǎn)生巨大的影響并且讓你的節(jié)能系統(tǒng)變得更可靠?！?/p>

面向消費(fèi)者的綠色計(jì)算

NVIDIA GPU 功率架構(gòu)師 Narayan Kulshrestha 表示：“我們長(zhǎng)期投資于提高個(gè)人電腦和筆記本電腦的效率，這是最正確的做法。”

例如為了提高系統(tǒng)效率，Dynamic Boost 2.0 使用深度學(xué)習(xí)自動(dòng)將功率導(dǎo)向 CPU、GPU 或 GPU 的內(nèi)存。另外，NVIDIA 為筆記本電腦創(chuàng)造了名為 Max-Q 的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)來優(yōu)化和平衡能效與性能。

構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)

當(dāng)用戶更換系統(tǒng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的綠色計(jì)算做法是分解和回收舊系統(tǒng)。但 Matt Hull 發(fā)現(xiàn)了更好的方案。

NVIDIA 數(shù)據(jù)中心 AI 產(chǎn)品銷售副總裁 Hull 表示：“構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)，讓每個(gè)人都能用上 AI 是我們的愿景?！?/p>

因此，他的目標(biāo)是在發(fā)展中國(guó)家為該系統(tǒng)找到新的歸屬，讓這些用戶認(rèn)為它有用且價(jià)格合理。這項(xiàng)正在開展的工作需要找到合適的合作伙伴并將在現(xiàn)有的生命周期管理流程中書寫新的篇章。

綠色計(jì)算對(duì)抗氣候變化

節(jié)能的計(jì)算機(jī)是對(duì)抗氣候變化的最有效工具。

長(zhǎng)期以來，政府實(shí)驗(yàn)室以及大學(xué)的科學(xué)家們一直使用 GPU 來模擬氣候情景和預(yù)測(cè)天氣模式。在 NVIDIA GPU 的驅(qū)動(dòng)下，最新 AI 的天氣預(yù)報(bào)建模速度比傳統(tǒng)模型快 10 萬倍。請(qǐng)觀看以下視頻了解詳情：

為了加速氣候科學(xué)的發(fā)展，NVIDIA 宣布建立 Earth-2 的計(jì)劃。Earth-2 是專門用于預(yù)測(cè)氣候變化影響的 AI 超級(jí)計(jì)算機(jī)。它將使用 3D 設(shè)計(jì)協(xié)作和模擬平臺(tái) NVIDIA Omniverse 來構(gòu)建地球的數(shù)字孿生，使科學(xué)家能夠以超高的分辨率模擬氣候。

另外，NVIDIA 還與聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星中心一起加速氣候?yàn)?zāi)害管理，并在全球培訓(xùn)數(shù)據(jù)科學(xué)家使用 AI 改進(jìn)洪水檢測(cè)。

公用事業(yè)單位也在使用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)綠色、有彈性的智能電網(wǎng)。發(fā)電廠則在使用數(shù)字孿生進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)以及建立新能源模型，比如核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)等。

綠色計(jì)算的未來發(fā)展趨勢(shì)

Feng 認(rèn)為綠色計(jì)算背后的核心技術(shù)會(huì)取得多點(diǎn)突破。

短期內(nèi)，他正在研究所謂的能量比例，即如何確保系統(tǒng)在需要峰值性能時(shí)獲得峰值功率，并在系統(tǒng)放慢到空閑狀態(tài)時(shí)“優(yōu)雅”地把功率降低到零，就像現(xiàn)代汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸放慢轉(zhuǎn)速并在紅燈前停止一樣。

研究人員試圖縮小能量比例計(jì)算的差距

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，他正在探索如何通過最大限度地減少計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)來減少其能耗。他還與許多其他研究者一起研究如何使用量子計(jì)算提供新型加速。

這些持續(xù)進(jìn)行的綠色計(jì)算工作將不斷提高計(jì)算機(jī)的性能與效率。