綠色計算也被稱為可持續(xù)計算，旨在設計和使用計算機芯片、系統(tǒng)和軟件的過程中最大限度地提高能效并減輕對環(huán)境的影響。

人人都想要綠色計算。

移動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大又環(huán)保的系統(tǒng)；云服務必須在不導致電網(wǎng)中斷的情況下響應全球需求。

綠色計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。

什么是綠色計算？

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

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

在工作過程中，綠色計算機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算機的效率。

為什么綠色計算十分重要？

綠色計算是應對氣候變化的重要工具，而氣候變化是這個時代的生存威脅。

在過去的一個世紀中，全球氣溫上升了約 1.2 攝氏度，這使冰川融化，進而導致海平面上升約 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，只占總用電量的約 1%，但這個數(shù)字卻在不斷增加，需要引起重視。

強大、節(jié)能的計算機是解決方案的一部分。它們正在推動科學的發(fā)展和生活質量的提高，包括人們理解和應對氣候變化的方式。

綠色計算由哪些部分組成？

工程師們認為綠色計算是一門綜合學科。

該行業(yè) MLPerf AI 基準測試功率工作組聯(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。”

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，在橫向擴展 AI 訓練基準測試中的能效提高了近 5 倍。

Sachin Idgunji 表示：“我的主要職責是分析和提高 AI 應用能效，從 GPU 和系統(tǒng)節(jié)點到整個數(shù)據(jù)中心規(guī)模?！?/p>

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

綠色計算的歷史

綠色計算在 1992 年成為公眾關注的焦點。當時美國環(huán)境保護局啟動了“能源之星”項目來識別符合能效標準的消費電子產(chǎn)品。

目前已有三十多個產(chǎn)品組使用“ 能源之星”標志。

2017 年的報告發(fā)現(xiàn)，有近 22 個國家的 100 個政府和行業(yè)項目在推行綠色信息通信技術，即可持續(xù)的信息和通信技術。

其中綠色電子委員會組織提供了電子產(chǎn)品環(huán)境評估工具，以記錄系統(tǒng)及其能效水平。該委員會聲稱，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 億兆瓦時的電力。

整個行業(yè)的各個層面都在繼續(xù)開展綠色計算的工作。

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

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

弗吉尼亞理工大學計算機科學教授 Wu Feng 一直致力于推動綠色計算。出于需要，他在洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作時開始了這項工作。

當時，Wu Feng 正在外部倉庫中維護用于開放性科學研究的計算機集群，該集群在夏季和冬季故障率倍增，為此他建立了不會產(chǎn)生那么多熱量的低功率系統(tǒng)。

在 2001 年的超級計算大會上，Wu Feng 演示了這個名為“Green Destiny”的系統(tǒng)。英國廣播公司（BBC）、美國有線電視新聞網(wǎng)（CNN）和《紐約時報》等媒體對此進行了報道，引發(fā)了高性能計算（HPC）界多年來關于綠色計算潛在可靠性與效率的討論和辯論。

隨著超級計算機和數(shù)據(jù)中心的發(fā)展和不斷刷新的功耗極限，人們對綠色計算也越來越感興趣。2007 年 11 月，F(xiàn)eng 在與約 30 位高性能計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)界高能效超級計算機的基準。

綠色計算基準

Green500 充分調動了業(yè)界在進一步提升性能的同時控制能耗的積極性。

Feng 表示：“計算機的能效成倍增長。名列前茅的綠色超級計算機大約每一年半增加一倍每瓦特運算量?！?/p>

一些指標的結果顯示，全球最“綠色”系統(tǒng)的能效在過去 14 年中增長了兩個數(shù)量級。

Green500 顯示，異構系統(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 將這些成果主要歸功于加速器的使用，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了大規(guī)模并行執(zhí)行代碼的能力，讓系統(tǒng)的運行速度快得驚人?！?/p>

Feng 提到了日本早期的兩代 Tsubame 超級計算機。由于使用了 NVIDIA Kepler 和 Pascal 架構的GPU，這兩臺超級計算機在 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：“加速器對整個榜單影響巨大?！睉{借在綠色超級計算領域的工作，F(xiàn)eng 將在 11 月的這場超級計算活動上領取專屬于他的獎項。

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)的報告，幫助能效成為當今超級計算機設計中最重要的指標?！?/p>

提高 AI 和網(wǎng)絡的效率

今天，GPU 和數(shù)據(jù)處理單元（DPU）正在為 AI 和網(wǎng)絡任務以及在超級計算機和企業(yè)數(shù)據(jù)中心運行的模擬等高性能計算工作帶來更高的能效。

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

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

可見，加速計算具有驚人的節(jié)能潛力。

GPU 和 DPU 加速計算的節(jié)能潛力分析

AI 基準測試衡量效率

由于 AI 在企業(yè)工作負載中的比重日益增加，因此 MLPerf AI 行業(yè)基準測試從 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：“在用于高性能計算工作負載和 AI 訓練的更大分布式系統(tǒng)上衡量 AI 的能效是下一個前沿領域，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 推理基準測試中展現(xiàn)出每瓦特性能上的巨大代際躍升

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

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

面向消費者的綠色計算

NVIDIA GPU 功率架構師 Narayan Kulshrestha 表示：“我們長期投資于提高個人電腦和筆記本電腦的效率，這是最正確的做法?！?/p>

例如為了提高系統(tǒng)效率，Dynamic Boost 2.0 使用深度學習自動將功率導向 CPU、GPU 或 GPU 的內存。另外，NVIDIA 為筆記本電腦創(chuàng)造了名為 Max-Q 的系統(tǒng)級設計來優(yōu)化和平衡能效與性能。

構建循環(huán)經(jīng)濟

當用戶更換系統(tǒng)時，標準的綠色計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：“構建循環(huán)經(jīng)濟，讓每個人都能用上 AI 是我們的愿景。”

因此，他的目標是在發(fā)展中國家為該系統(tǒng)找到新的歸屬，讓這些用戶認為它有用且價格合理。這項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。

綠色計算對抗氣候變化

節(jié)能的計算機是對抗氣候變化的最有效工具。

長期以來，政府實驗室以及大學的科學家們一直使用 GPU 來模擬氣候情景和預測天氣模式。在 NVIDIA GPU 的驅動下，最新 AI 的天氣預報建模速度比傳統(tǒng)模型快 10 萬倍。請觀看以下視頻了解詳情：

為了加速氣候科學的發(fā)展，NVIDIA 宣布建立 Earth-2 的計劃。Earth-2 是專門用于預測氣候變化影響的 AI 超級計算機。它將使用 3D 設計協(xié)作和模擬平臺 NVIDIA Omniverse 來構建地球的數(shù)字孿生，使科學家能夠以超高的分辨率模擬氣候。

另外，NVIDIA 還與聯(lián)合國衛(wèi)星中心一起加速氣候災害管理，并在全球培訓數(shù)據(jù)科學家使用 AI 改進洪水檢測。

公用事業(yè)單位也在使用機器學習實現(xiàn)綠色、有彈性的智能電網(wǎng)。發(fā)電廠則在使用數(shù)字孿生進行預測性維護以及建立新能源模型，比如核聚變反應堆的設計等。

綠色計算的未來發(fā)展趨勢

Feng 認為綠色計算背后的核心技術會取得多點突破。

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

研究人員試圖縮小能量比例計算的差距

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

這些持續(xù)進行的綠色計算工作將不斷提高計算機的性能與效率。