高性能计算时代，如何达成“低排放”？

文 | 曾响铃

来源 | 科技向令说（xiangling0815）

当前，“碳达峰”与“碳中和”已经成为全球共识，各个国家、地区正在按照各自时间表向目标前进。我国更是已经全面确立了2030年前碳达峰、2060年前碳中和的“双碳”目标。

当“双碳”背景成为高性能计算发展的一抹底色，低碳计算正成为继算力之后影响高性能计算领域的又一重要因素。在这样的大环境下，该如何继续发展高性能计算？低碳计算究竟意味着什么？具体又需要如何做？这些问题都在成为行业关注的焦点。

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一场持续由“高性能计算”

引爆的价值革命

在回答上面的问题时，不妨先来了解下什么是高性能计算。用最通俗易懂的话来说，高性能计算是指运算能力非常强大的计算机、服务器，它的计算能力是普通家用电脑的几千万甚至上亿倍，因此可以处理很多普通电脑根本无法处理的任务。

那它又有什么能力？在“十四五”规划下，提出了建设数字中国的愿景，而高性能计算则能被视为这数字中国的底座。原因则是高性能计算的应用覆盖范围已经越来越广，从前高性能计算大都被应用于航天、军事、科研等普通人感知相对遥远的领域。当下，高性能计算也逐渐从科研神坛，走向了生活应用，例如金融、教育、城市管理、网络游戏、动画制作等行业高性能计算的存在都已不可或缺。

国内高性能计算领域的发展并非那么一帆风顺，在不短的时间内，该领域一直被美国、欧洲、日本等发达国家所把持。一直到2002年才首次冲破高性能计算被欧美国家垄断的格局。

起到关键性作用的企业则是联想，从1999年开始，联想正式布局HPC领域，2002年联想深腾1800超级计算机出现，并由此引领高性能计算领域集群体系结构迅速走向主流。2002年11月的全球高性能计算TOP500榜单中，深腾1800不仅代表我国高性能计算第一次入围世界TOP500，还排在43名的高位。

2003年，仅深腾1800发布之后仅一年，联想深腾6800超级计算机研制成功，运算速度超过4万亿次。在短短一年的时间里性能提升了4倍，在随后2003年的TOP500排名中，这台超算系统排名全球第14位，并创造出多项世界纪录。

时间飞逝，经历多年不断探索2018年联想以117套的份额，成为TOP500榜单中占比份额冠军，这也意味着联想已经成为全球最大的TOP500高性能计算提供商。而据最新全球高性能计算机TOP500榜单显示，在全球浮点运算性能最强的500台高性能计算机中，联想入围184台，连续7次蝉联全球高性能计算提供商份额第一名。

现阶段，联想高性能计算已经在各个行业得到普及应用，在前不久发布的《联想高性能计算解决方案白皮书》，就详细介绍了联想高性能计算在政府、科研教育、气象和海洋、石油石化、CAE仿真计算、生命科学等五大行业解决方案。这也是联想首次系统、场景化地展示高性能计算在“算力+产业”、“科技+场景”的阶段性成果。

当然发展至今，高性能计算也并非可以“高枕无忧”，“低碳计算”需求的出现就为高性能计算提出了新的考验，如何能解决高能效所带去的高能耗，又一次成为诸多行业、企业所关注的焦点。

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“低碳”≠“山河湖海”，

高性能计算减排应有更多选择

不少人都看到过类似新闻，说越来越多的科技公司开始将自己的服务器、数据中心送进“深山老林”，甚至是“江河湖海”之中。

例如，微软于2014年就开始着手于将服务器放置于水下的计划，同年开始在海里做投放实验。同样将服务器放在水里的还有阿里巴巴，其将自家服务器藏在了著名景区千岛湖里面。

苹果、华为、腾讯则将服务器放到了贵州大山之中，像华为2017年时就在贵州着手建立自己的服务器中心，第一期项目就已经有40万平方米，华为在这里共存放了170多个的服务器。这样大规模的项目几乎将一座山掏空。

这些公司为何要如此“劳师动众”呢？两个原因“省钱”与“减排”。众所周知，数据中心运行时将产生大量的热能，温度过高会导致数据中心宕机甚至崩溃，而为了保障数据中心的持续正常运行，不得不通过外部制冷的方式为设备降温。数据显示，全球数据中心每年消耗的电量占全球总电量的2%左右，其中的能源消耗成本是整个IT行业的30%到50%。仅美国每年就吸收相当于34个燃煤电厂的能源输出，其中大部分用于为实际服务器供电，近一半用于保持服务器良好和凉爽，不让它们过热崩溃。

此时，“山河湖海”就相当于天然的制冷散热设备。在为他们省去了大量费用同时，也相当于减少了大量碳排放。但显然，无论是走进深山，还是搬入大海，对于绝大多数企业都不现实，无论是技术层面还是经济成本都不是每一家公司都能负担得起的，低碳计算需要有更加普适性的方案。

“梦工厂”想必很多人都知道，这是一家全球数一数二的动画制作公司。也许有人会问动画制作与高性能计算有什么关系？一般来说，一部动画电影需要四年制作周期，在此过程中，几百位艺术家和工程师会创作出5亿多个数字文件，这些文件用一台计算机来进行渲染的话，大约需要2亿个计算小时(即一台计算机需要2.2万年计算，或者2.2万台计算机算一年），如此大的负荷与科研上对高性能计算的需求相比也毫不逊色。

2020年梦工厂进行了数据中心升级，而为他们提供解决方案的正是联想。联想为其对管道进行改造，整合冷却系统，确保系统可以快速投入运行，从而为动画内容制作提供高速计算支持。并凭借联想专有的海神(Neptune?)液态冷却系统，能耗消耗降低了三分之一。

可见，“高效、低碳”绝不是只有走向“山河湖海”，在高性能计算成为越来越多行业数字化基石之时，更加有效、便捷的“低碳”模式才更加具备可复制性。

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联想企业科技集团——打通“高性能计

算”与“低碳环保”一共需要几步？

在数据中心遍布全国之时，解决高性能计算与低碳环保之间的“矛盾”已成为当务之急。在近日举办的“HPC China 2021”上，联想企业科技集团HPC&AI营销总经理于涛进行了以《如何实现HPC“低”碳计算》为主题的发言，其中有关温水水冷技术让人眼前一亮。

联想企业科技集团HPC&AI营销总经理于涛

在HPC China 2021发表演讲

加上前不久，2021年度中国企业ESG案例评选榜单发布。联想集团蝉联“2021中国企业ESG最佳案例奖”，说明联想在相关领域已经收获广泛认可。所以不妨来看看作为高性能计算领域的领头玩家，探索出的这条帮助HPC实现低碳计算的“减排四步法”究竟有何妙处。

1、拒绝“隐含碳”，一切从低碳出发

在解决高性能计算碳排放问题上，一直以来联想的方式是从源头做起。高性能计算的能耗，绝不仅仅只是在设备运行时才产生。在上游加工、运输、包装等各个环节，都会产生碳排放，并且这些碳排放都是由用户买单。

在这些方面联想进行了诸多尝试，例如联想能够蝉联ESG的一个重要指标就是“科学减碳”。在相关目标推动下，联想从2010年到2020年总共实现了能源节省92%，2020年被CDP碳排评级为A即领导级；到2030年再降50%，2050年实现碳中和，这便意味着届时用户再购买联想的计算机或服务器将不再包含任何“隐含碳”。

又例如在包装环节，自2008年以来，通过可降解竹及甘蔗纤维包装等技术创新，减少包装材料用量3,240吨。仅在2020/21财年，包装物料消耗量就减少140吨。

从低碳出发，选择零碳供应商等于从源头减少了碳排放。

2、增效、节能

高性能计算在降低碳排放的路径上最优的方式还是增效节能。前面有提到，高性能计算产品运行时，传统模式下还需要额外的大量电力为设备进行降温操作，于涛在“HPC China 2021”上同样分享了一组数字。

当前绝大多数服务器都是采用的风冷模式，其能耗PUE高达1.9，即每用一度电进行计算，就需要额外0.9度电去冷却这些计算设备，相当于散热与冷却环节将占据能耗1/3。能耗溢价太不划算，计算的经济效益也会大打折扣。

为此，联想推出了全新的“温水水冷”技术。简单来说就是通过温水流动直接带走热量，保障服务器正常运行。相比较风冷模式，“温水水冷”能使PUE最低达1.1以下，且使用50℃的温水水冷技术，可以提升计算能力的5%以上，能耗比以往降低42%。在HPC China 2021上，联想凭借冷水水冷技术更是荣获“技术创新奖”。

联想温水水冷技术荣膺“技术创新奖”

在即将到来的北京冬奥会上，为实现精确到分钟级和百米级的这一冬奥会赛事服务史上最高标准的气象预报，联想为北京气象局搭建了800台高性能计算系统，满足7*24销售无休天气、气候及环境气象业务应用，其中温水水冷技术将再一次起到重要作用。

不得不说，这将是低碳计算领域的一个巨大跨越，将对整个碳排放工程起到关键作用。

3、“余热回收”释放能源最大价值

在使用“温水水冷”技术以前，关于数据中心、服务器所产生热能是否可以进行“余热回收”话题也不是没有被提及过，但是由于热源分散，不聚集且四散性特征明显，有关他们的热源回收工作并不好完成。

然而，“温水水冷技术”让这一切成为了可能，更让联想实现了过去无法想象的“热能回收”。现阶段，联想已经开始尝试将多余热能应用于如大楼供暖、泳池加热等诸多环节，实现了能源的循环再利用，产生了新的“碳补偿”。

4、坚持使用清洁能源

现阶段全球69%依旧是火力发电，可再生能源使用率仅23%。显然，这个问题相当严峻，需要全球所有人为之努力。

联想则称得上是“使用清洁能源”领头人之一。联想通过大规模购买清洁能源，已实现能源结构中可再生能源占比70%以上。并且在2020/21财年ESG报告中，联想首次将温室气体减排目标上升至集团关键绩效指标考核的高度，承诺到2025/26财年，联想全球运营活动90%的电力将来自可再生能源；全球供应链将减少100万吨温室气体排放。

正是在这种可持续发展的理念下，联想才会连续获得中国企业ESG最佳案例奖，在MSCI明晟ESG评级中表现亮眼，成为创新头部企业中唯一一个达到A等级以上的企业，在2020年底升至AA级，也是全球同行业企业中的最高等级。

至此，一套联想的低碳计算模式展现在眼前，作为领域的头部玩家，这些对其他行业或都将具备一定的借鉴意义。

总结

毫无疑问，联想不仅使中国高性能计算迈出了从0到1的关键一步，同时也在用高性能计算为整个社会发展开启加速。进一步实现了绿色科技的社会发展理念，成为发展与环保共存共进的最佳代表。

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（张泓杨 ）