1引言
　　
面向科学计算的超级计算机性能已经跨越百万亿次向千万亿次发展。与此同时，互联网信息服务公司(如Google、Amazon、百度和腾讯等)陆续建立了庞大的数据中心。随着计算中心与数据中心两类典型的超级计算平台规模的不断增长，随之而来效率和能耗(简称效能)问题也越发严峻。如，TOP500高性能计算机系统第一名IBMRoadrunner系统的功耗达到了3.9MW，第二名CrayJaguar系统的功耗则更是超过6.5MW[1]。

虽然性能/瓦特比(performance-per-watt)在持续提升，但这种进步却被能耗总量的增加问题所掩盖[2]。对系统规模的增长，能耗因素已经开始表现出限制性作用。BlueGene的首席架构师Gara先生在谈到Petaflop级系统的能耗问题时称，他相信在2015-2020年间有可能实现峰值能力为200Petaflop的超级计算机，但届时就算将效能提高20倍，那样的系统功耗仍然需要25-50兆瓦，运行成本将与其构建成本持平。而最能反映业界对能耗关注的是国际超级计算会议上Green500排名的诞生，以性能能耗比为指标对Top500中的系统重新排名，得到了学术界和工业界的广泛共识。

深圳先进技术研究院在建设高性能计算中心时，将节能技术的研究放在了突出位置。初步预估，该计算中心每年的功耗将高达20兆瓦左右。即使电价不变，该系统一年仅在电费上就要花去至少1亿元，这是一个非常大的成本。为此，本文在建设之初就进行节能技术的研究，用以节省整体的运营成本。

　2国内外研究现状和趋势
　　
计算中心的节能是一个系统的工程。因此，需要从整体上进行考虑和设计，这样才能形成一个系统的解决方案。现阶段，国内外各类计算中心、数据中心在节能方面的研究主要集中在如下几个方面：

1)硬件架构革新服务器厂商寄希望于在硬件设计上改良，降低机器设备本身的功耗。例如：HP的刀片服务器BladeSystemC—Class系列放弃传统风扇，采用主动式冷却风扇(ActiveCoolFan)和热能调节器，宣称可以节省服务器50%的电力消耗及数据中心30%的空调支出。而近年来兴起的刀片服务器规格设计(Formfactor)，亦被业界视为省电的重点。原因在于，虽然刀片服务器是高发热源，但若考虑其运算效能，还是比传统的服务器要节能。原因在于每一刀片服务器的能源利用率较普通服务器更高。

2)机房设计 　
绿色节能的机房设计研究是计算中心整体绿色节能设计中的重要组成部分。在机房设计中，首先是冷却媒介的改进。新一代冷却媒介主要是水，主要是让热气吸入水冷式设备，经过降温后再排出来，并且缩短送风距离，藉此缩小冷热风温差。此类作法包括IBM、HP及APC。如APC提供的机柜式空调InRowCooling，它是将空调设备置于机柜中，使机器和冷却系统距离不超过2公尺，不但可根据机房中热点加强冷却，并可视需求进行阶段性扩充[3]。

其次，在整体机房的布局上，各厂商也在努力进行研究，包括各类热道、气流的研究。如

34Vol.3No.8/Aug.2009APC的“热信道封密系统”，将机房热通道以隔板更有效隔绝开来，防止热气散逸与冷风混合。HP提供了称之为“动态智能型散热(DynamicSmartCooling,DSC)”的技术，可降低40%的散热成本[3]。

3)系统管理软件 　　
系统管理软件的智能化调度与管理，则能够在机房运营管理阶段起到节能的作用[4]。如现阶段的IBMTivoli、HPOpenView等著名的系统管理软件，能提供效能监控、分析及状况回报等等。

4)日常节能管理 　　
良好的、高效的日常维护能主观的、能动的对计算中心节能起到推动作用。如HP公司可以提供的日常节能管理方面的技术就有热区测绘等，它利用遍布在计算中心各处的热传感器，再加上测绘分析软件，能帮助客户确定如何调整计算中心的空调设置，从而在机房内形成更为有效的冷却区。另外，各类智能化的能控管理技术也在不断更新，这些从各个运营细节入手的技术，将起到降低运营期间能耗的作用。

　3高性能计算中心绿色节能解决方案
　　
本节详细阐述高性能计算中心绿色节能的解决方案。首先介绍总体解决思路，然后从四个方面具体介绍解决方案。

3.1总体思路 　
高性能计算中心绿色节能的总体解决思路如图1所示，绿色节能的设计工作包括建设阶段和运营阶段两部分，其中建设阶段包括机房建设、体系架构设计，运营阶段包括节能系统软件设计、智能能控和运营管理。

具体进行研究和设计的内容包括如下四个方面。

1)绿色机房的设计 　　
绿色机房的设计方面，我们重点研究机柜布局与空调制冷，以及绿色机房供电方案。

2)节能体系架构的设计 　　
节能体系架构的设计方面，我们的研究重点在于服务器虚拟化和单节点硬件的选择。

3)节能系统软件设计 　　
在高性能计算中心的运营过程中，功能全面、策略完善的各类管理软件是绿色节能的必要保障。我们研究的内容包括自适应调度模型和监控模型。