超算中心能耗智能管控與碳排放優(yōu)化研究

中圖分類號(hào)：X22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）05-0235-03

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.071

Abstract： Under thebackground of the global promotion of the“double carbon”goal，supercomputing centers，as major energy consumers，urgently need to addresstheir energy consumption and carbon emissions issues.Based on this，an indepth analysis of theenergy consumption status of thesupercomputing center is conducted，and relevant strategies are proposed to addressthe problems in the energy management mechanism.The aim is to help the supercomputing center achieve sustainable development underthe dual carbon drive and provide reference for related fields.

Keywords： supercomputing center; intelligent energy control; carbon emission optimization

在全球應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵時(shí)期，“雙碳”目標(biāo)成為各行業(yè)發(fā)展的重要導(dǎo)向。超算中心作為科技創(chuàng)新的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，在推動(dòng)科研、工程等領(lǐng)域發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，然而其能耗問題也十分突出。權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，超算中心的能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中的占比高達(dá) 20%～30% ，且隨著超算技術(shù)的不斷升級(jí)與應(yīng)用需求的增長，比例仍呈上升趨勢[。高能耗不僅給電力供應(yīng)帶來沉重負(fù)擔(dān)，也致使超算中心碳排放持續(xù)增加。每消耗 1kW?h 電量，按照當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)與碳排放系數(shù)估算，超算中心會(huì)產(chǎn)生 0.8～1.0kg 二氧化碳。如此規(guī)模的碳排放，與“雙碳”目標(biāo)背道而馳[2。在此背景下，深入研究超算中心能耗智能管控與碳排放優(yōu)化策略，不僅是超算中心實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在需求，更是助力全球?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。

1雙碳驅(qū)動(dòng)下超算中心能耗現(xiàn)狀分析

超算中心能耗受多種因素影響，各部分能耗相互關(guān)聯(lián)且隨作業(yè)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化，其具體情況可通過圖1直觀呈現(xiàn)。

1.1硬件設(shè)備能耗構(gòu)成

超算中心的硬件設(shè)備主要包括計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為核心運(yùn)算單元，其處理器、內(nèi)存等組件持續(xù)運(yùn)行，會(huì)消耗大量電能。例如，高性能處理器為實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算，需維持較高功率，即便在低負(fù)載狀態(tài)，也有一定的基礎(chǔ)能耗。為確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性與可靠性，存儲(chǔ)設(shè)備的磁盤陣列等部件需不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)讀寫等操作均會(huì)產(chǎn)生能耗。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，交換機(jī)、路由器等設(shè)備需保持網(wǎng)絡(luò)暢通，信號(hào)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能使其能耗不容小。這些硬件設(shè)備的能耗構(gòu)成超算中心能耗的主體部分。

圖1超算中心能耗構(gòu)成及負(fù)載關(guān)聯(lián)

1.2環(huán)境支撐系統(tǒng)的能耗特征

超算中心的環(huán)境支撐系統(tǒng)涵蓋制冷、供電等子系統(tǒng)。為保障硬件設(shè)備在適宜溫度下運(yùn)行，制冷系統(tǒng)需持續(xù)制冷。由于超算中心發(fā)熱量大且集中，制冷設(shè)備需具備高制冷功率。從壓縮機(jī)、冷凝器到蒸發(fā)器等組件，整個(gè)制冷循環(huán)過程能耗巨大。供電系統(tǒng)則涉及電力轉(zhuǎn)換、分配等環(huán)節(jié)，在將市電轉(zhuǎn)換為適合超算設(shè)備使用的電源過程中，變壓器、不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）等設(shè)備存在能量損耗。為確保供電穩(wěn)定性，冗余電源配置也會(huì)增加額外能耗。環(huán)境支撐系統(tǒng)的能耗與硬件設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)緊密相關(guān)，且受外界環(huán)境因素影響，進(jìn)一步增加能耗管理的復(fù)雜性。

1.3作業(yè)負(fù)載波動(dòng)與能耗關(guān)聯(lián)

超算中心的作業(yè)負(fù)載具有動(dòng)態(tài)變化特性。不同類型的科研項(xiàng)目、工程模擬任務(wù)對計(jì)算資源的需求差異大，導(dǎo)致作業(yè)負(fù)載在時(shí)間維度上波動(dòng)頻繁。當(dāng)作業(yè)負(fù)載較高時(shí)，硬件設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行，能耗急劇上升；而在作業(yè)低谷期，設(shè)備未完全停止運(yùn)行，但部分資源處于閑置狀態(tài)，仍會(huì)消耗電能。這種負(fù)載波動(dòng)使得超算中心的能耗難以穩(wěn)定控制，增加能耗管理難度。若不能有效應(yīng)對作業(yè)負(fù)載波動(dòng)與能耗的關(guān)聯(lián)，則易造成能源浪費(fèi)，不利于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

2雙碳驅(qū)動(dòng)超算中心能耗智能管控策略

超算中心要構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的能耗精準(zhǔn)監(jiān)測平臺(tái)，在超算中心各關(guān)鍵部位部署智能傳感器，實(shí)時(shí)采集硬件設(shè)備、環(huán)境支撐系統(tǒng)等的能耗數(shù)據(jù)。通過高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)匯聚至大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)[3]。運(yùn)用數(shù)據(jù)清洗、特征提取等技術(shù)，對海量能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲與冗余信息。在此基礎(chǔ)上，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如深度學(xué)習(xí)中的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RecurrentNeuralNetwork，RNN）及其變體長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-TermMemory，LSTM），對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，構(gòu)建能耗預(yù)測模型。該模型要能夠精準(zhǔn)預(yù)測不同作業(yè)負(fù)載、環(huán)境條件下的能耗趨勢，為能耗智能管控提供可靠依據(jù)。

2.1基于大數(shù)據(jù)的能耗精準(zhǔn)監(jiān)測

2.2智能硬件設(shè)備節(jié)能調(diào)控

超算中心要研發(fā)智能硬件設(shè)備節(jié)能調(diào)控系統(tǒng)，針對計(jì)算節(jié)點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（Dynamic VoltageandFrequencyScaling，DVFS）技術(shù)。根據(jù)作業(yè)負(fù)載實(shí)時(shí)變化，智能調(diào)節(jié)處理器的電壓與頻率。當(dāng)負(fù)載較低時(shí)，降低電壓與頻率，在滿足運(yùn)算需求的前提下減少能耗；當(dāng)負(fù)載升高時(shí)，及時(shí)提升電壓與頻率，確保運(yùn)算性能。對于存儲(chǔ)設(shè)備，引人智能磁盤休眠機(jī)制。當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)無數(shù)據(jù)讀寫操作時(shí)，自動(dòng)將磁盤陣列中的部分磁盤切換至休眠狀態(tài)，減少磁盤旋轉(zhuǎn)能耗。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面，采用自適應(yīng)鏈路速率調(diào)整技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)鏈路速率，避免高帶寬鏈路在低流量時(shí)的能耗浪費(fèi)。

2.3環(huán)境支撐系統(tǒng)智能優(yōu)化

在制冷系統(tǒng)中，超算中心應(yīng)采用智能溫控技術(shù)。通過在超算中心內(nèi)部署溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)感知環(huán)境溫濕度分布[4]。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測模型，預(yù)測硬件設(shè)備發(fā)熱量變化趨勢?；诖耍悄苷{(diào)節(jié)制冷設(shè)備的制冷功率與風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)制冷。例如，采用變制冷劑流量（VariableRefrigerantFlow，VRF）空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)不同區(qū)域的熱負(fù)荷需求，精確控制制冷劑流量，避免過度制冷。在供電系統(tǒng)，可以引入智能電力分配與管理技術(shù)。利用智能電表與電力監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測各設(shè)備的用電情況。通過智能算法優(yōu)化電力分配策略，確保電力供應(yīng)與設(shè)備需求匹配，降低供電系統(tǒng)的能耗。

2.4作業(yè)調(diào)度與能耗協(xié)同優(yōu)化

超算中心要建立作業(yè)調(diào)度與能耗協(xié)同優(yōu)化機(jī)制。在作業(yè)調(diào)度算法設(shè)計(jì)中，充分考慮能耗因素。除傳統(tǒng)的計(jì)算資源需求、作業(yè)優(yōu)先級(jí)等指標(biāo)外，將作業(yè)能耗預(yù)估納入調(diào)度決策依據(jù)。通過對作業(yè)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與能耗數(shù)據(jù)的分析，構(gòu)建作業(yè)能耗預(yù)估模型。在作業(yè)調(diào)度時(shí)，優(yōu)先調(diào)度能耗低、計(jì)算效率高的作業(yè)，避免高能耗作業(yè)集中運(yùn)行。

3雙碳驅(qū)動(dòng)超算中心碳排放優(yōu)化路徑

3.1推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型

超算中心在踐行“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程中，能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型是關(guān)鍵一環(huán)。超算中心應(yīng)積極與當(dāng)?shù)啬茉垂?yīng)商建立緊密合作關(guān)系，優(yōu)先考慮簽署綠色電力購買協(xié)議。從能源供應(yīng)源頭來看，風(fēng)電、光電的碳排放幾乎可以忽略不計(jì)。通過大量采購此類能源，超算中心能夠顯著降低因電力消耗而產(chǎn)生的碳排放。在條件適宜的情況下，超算中心應(yīng)進(jìn)一步加大對可再生能源的自主開發(fā)力度。例如，可以在建筑屋頂安裝太陽能光伏板，不僅能夠充分利用超算中心的閑置空間，還能實(shí)現(xiàn)太陽能的就地收集與轉(zhuǎn)化。此外，若周邊存在閑置土地，可規(guī)劃建設(shè)小型風(fēng)力發(fā)電場。小型風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)不僅可以滿足超算中心的部分電力需求，還能有效減少對傳統(tǒng)能源的依賴[5]。

3.2促進(jìn)碳足跡核算與管理體系的構(gòu)建

構(gòu)建科學(xué)完善的碳足跡核算與管理體系，是超算中心實(shí)現(xiàn)碳排放優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。超算中心的碳足跡核算范圍應(yīng)覆蓋硬件設(shè)備從生產(chǎn)、運(yùn)輸，到使用直至報(bào)廢的全生命周期。在硬件設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)，原材料的開采、加工以及制造過程都會(huì)產(chǎn)生碳排放。在運(yùn)輸環(huán)節(jié)，設(shè)備從生產(chǎn)地運(yùn)往超算中心的過程同樣會(huì)因運(yùn)輸工具的能耗而產(chǎn)生碳排放。在使用階段，設(shè)備運(yùn)行的能耗是碳排放的主要來源之一。而設(shè)備報(bào)廢處理過程，如拆解、回收等環(huán)節(jié)，也會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放。此外，環(huán)境支撐系統(tǒng)運(yùn)行以及能源消耗等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放應(yīng)納入核算范圍。為確保碳足跡核算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可比性，超算中心應(yīng)采用國際認(rèn)可的碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)與方法?；跍?zhǔn)確的核算結(jié)果，超算中心應(yīng)建立專門的碳排放管理數(shù)據(jù)庫。在該數(shù)據(jù)庫中，詳細(xì)記錄碳足跡要核算涉及的各類數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，能夠清晰了解碳排放的來源與分布特征[。

3.3實(shí)現(xiàn)綠色供應(yīng)鏈與產(chǎn)業(yè)協(xié)同減排

在硬件設(shè)備采購環(huán)節(jié)，超算中心應(yīng)優(yōu)先挑選具有良好環(huán)境績效的供應(yīng)商。超算中心應(yīng)要求供應(yīng)商提供詳細(xì)的產(chǎn)品碳足跡報(bào)告，通過分析報(bào)告評(píng)估產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的碳排放情況。這不僅有助于超算中心選擇低碳產(chǎn)品，還能促使供應(yīng)商進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)流程，降低碳排放強(qiáng)度。超算中心還應(yīng)積極與上下游企業(yè)開展深度合作，共同致力于研發(fā)低碳技術(shù)與產(chǎn)品。例如，與芯片制造商合作，研發(fā)低功耗芯片。

3.4探索碳排放交易與激勵(lì)機(jī)制

探索碳排放交易與激勵(lì)機(jī)制，是推動(dòng)超算中心實(shí)現(xiàn)碳排放優(yōu)化的有效途徑。超算中心可依據(jù)碳足跡核算結(jié)果，精確確定碳排放配額。配額的確定需要綜合考慮超算中心的業(yè)務(wù)規(guī)模、歷史碳排放數(shù)據(jù)以及“雙碳”目標(biāo)的要求。通過實(shí)施一系列節(jié)能改造措施，如采用智能能耗管控系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，超算中心有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)際碳排放低于所分配的配額。在這種情況下，超算中心可將剩余的配額在碳排放交易市場上出售，從而獲取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收益。

4結(jié)論

在環(huán)境保護(hù)日益受到重視的背景下，超算中心能耗智能管控與碳排放優(yōu)化迫在眉睫。未來，超算中心應(yīng)持續(xù)關(guān)注前沿技術(shù)發(fā)展，從技術(shù)創(chuàng)新、管理優(yōu)化、政策支持等方面不斷優(yōu)化能耗智能管控措施，在實(shí)現(xiàn)自身可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

1張敏，方向，戚文.變電站碳排放計(jì)算與節(jié)能減排措施研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2024（19）：85-88.

2 田雯，林啟筆，馬華偉，等.新型云化超算中心建設(shè)方案研究[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2024（1）：49-56.

3 胡佳艷.深圳智算、超算中心建設(shè)運(yùn)營特點(diǎn)及寧波啟示[J].寧波經(jīng)濟(jì)（三江論壇），2023（7）：12-15.

4郝玲，鄒立民，王建玲，等.某超算數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)管理[J].電子元器件與信息技術(shù)，2023（7）：113-116.

5 顧蓓蓓，遲學(xué)斌，武虹，等.國內(nèi)大型超算中心系統(tǒng)及應(yīng)用發(fā)展態(tài)勢比較分析[J].科研信息化技術(shù)與應(yīng)用，2017（5）：86-93.

6 冉凡燦，蔣句平.超算中心環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015（18）：89-91.