王恩东：智慧计算时代 挑战能耗

云计算、大数据、物联网、以大数据为依托的人工智能时代的来临，给人类带来莫大的兴奋和激动，中国工程院院士、...

不久前，麦肯锡曾经对影响世界的22项技术做了一次调查和分析，排在前5位的是移动互联网、自动化、物联网、云计算、机器人。由此可见，计算机技术对人类生活、社会发展将产生越来越大的影响和作用，包括现在炒得很热的人工智能，更被视为是未来的发展趋势。然而，王恩东院士在此时泼了一股冷水，他举例说，谷歌人工智能，用了十天的时间，通过识别一千万张图片，教会了计算机能够认识猫的图片，这项人类只需3毫秒就能认识一只猫，作为拥有强大系统的计算机，需这么长时间，它的能耗是“非常非常大的”。

王恩东院士举例说，目前全球数据中心的能耗，每年是3千亿千瓦时，中国的数据中心大概是1千亿千瓦时，相当于一个三峡大坝的总发电量。现在都在考虑如何降低能耗，而数据中心实际用在IT设备里，PUE值（是评价数据中心能源效率的指标，基准是2，越接近1表明能效水平越好）都比较低，美国用自然风制冷，大概能做到1.1和1.1以下，而国内包括大规模的数据中心，基本上都是在1.5和2.0之间；现在传统的PUE值都超过了3，甚至超过4， 就是说大量的能耗并非全用在IT设备上，今天人工智能的发展，对能耗会提出更大的挑战。



“阿尔法狗战胜李世乭后，很多人都希望有一个象阿尔法狗这样的大脑。大家有所不知，阿尔法狗用了1920个CPU，256个GPU，它的运算效率约3千万亿次，能耗约500千瓦左右，而李世乭只消耗了约0.1千瓦，我们可以想像未来在能耗方面是一个多么大的挑战！”王恩东院士如此说道。

随着智慧计算时代的到来，数据量的爆发，使得计算重心向后转移，通过物联网，前端设备可以将各种数据持续向后端传输，同时数据来源多样性、格式的复杂性和语义的不确定性，使得前端设备愈来愈趋向轻量发展，而数据中心正朝着集中化、规模化发展。

目前，国内互联网企业进入全球互联网前十强的，有阿里、百度、腾讯和京东，与全球前3家的谷歌、亚马逊和Facebook，可看到全球大规模数据中心服务器都非常大：腾讯百度都有50万台左右的服务器，阿里约60万台，最多如美国的亚马逊约有300台。王恩东说：“在2012年有5万台就是最大的数据中心，而今天20万台、十几万台的数据中心已经不少了。预计到2020年单个数据中心50万台就会出现，所以数据中心的规模化是一个很明显的趋势。”

王恩东院士认为，数据中心的集中化和规模化，也必然会带来很多的问题和挑战。

首先是性能。尤其是来自于CPU半导体性能的技术支撑。从2005年之后CPU的频率就由于能耗、工艺等各方面的限制，基本上就停留在3G赫兹以下。随着工艺越来越接近于极限，现在是14纳米，接下来是7纳米，再往下可能就变成几个原子这样一个宽度。所以半导体的工艺越来越挑战极限。在过去三、四十年间，摩尔定律是半导体技术快速发展、性能提升的主要依据，2014年ITTRS（半导体技术发展的组织）发布未来的半导体技术不再遵循摩尔定律。所以半导体发展在性能上会遇到一个大挑战。

还有储存和网络的性能。因为架构将计算和储存做了分离，从CPU与内存访问的延迟，访问中硬盘外存的延迟，延迟比例变化非常大，因此就形成了这种内存强I/O（输入/输出）强，影响计算机系统性能的提升。而设备内版间的网络速度，和设备间的网络速度是一个逐次递减的过程，设备间要通过交换机分配到各个端口上去，交换的模式、交换机的背板限制了端口速度和带宽。

第二个挑战是效率的问题。一方面服务器、储存的需求在快速增长，与此同时，它们的利用效率却并不高。现在80%的服务器，利用效率在25%以下，全球数据中心的平均利用率约为15%。现在开始采用虚拟化的技术，希望能够提高效率，通过虚拟化，使资源能够在不同的计算设备之间进行平衡。虚拟化在一定程度上提升了计算设备的总效率，然而还有很多制约效率的问题，到目前还没有完全解决，如计算设备、储存设备和网络设备，事实上每一个设备里面，都有大量的计算、储存和网络的资源，但这些资源都是隔离的，它们之间并没有得到共享。

此外，就是通用的CPU在效率上不如专用芯片要快。如何来解决这问题？就是能耗。数据中心要绿色、要节能，关键在于能耗的问题。

计算能力出路在何方？王恩东院士认为尽管“融合”一词并不是一个很好的词，这只是更多地把现有技术给整合到一起，来满足某种需要，“但既然今天计算技术在很多方面遇到了瓶颈，还没有革命性解决方案出现，在未来十年甚至更长的时期内，也许用融合技术来提升数据中心性能是一条路径。”他推测，未来的数据中心是融合架构的数据中心。

王恩东院士提出融合架构分成三步走，第一步就是首先要把一些非计算的资源进行整合，满足数据中心在能耗、密度方面的要求；第二步把一些储存同计算、网络进行整合；第三步要成为完全可重构的数据中心，完全用软件定义的数据中心。

什么是融合架构？他解释，即硬件网络设备中的同类资源整合成一个资源池，不同的设备能够任意的整合，在软件的动态感知业务的资源需求，利用硬件重组的能力来满足各类应用的需要。这过程需要一些演进性技术支撑，像高速互联技术的发展、新兴内存技术的发展、可重构芯片的发展、软件定义等，“尤其是高速的互联技术，使硅光互联进入到芯片间的互联成为一种可能，因为光传输与电传输相比有很多优点；现在随着半导体技术演进，使资源结构由原来对结点的结构、对芯片的结构，进入细密度的结构。”

按照这样的整合理念来做的计算储存设备，比传统设备表现出更强的优势。百度、阿里的数据中心，融合架构的产品，在部署密度上提高了14%，功耗降低了15%。

另外就是新型储存材料的出现，会改变原来传统计算机传统层次，出现更大内存的计算机，会缩减访问慢速储存所带来的延迟或者效率资源的消耗。还有一种支撑技术就是半导体的3D技术发展，使处理器内部增加速度，使可编程的芯片成为可能。

（本文已刊登于《信息化建设》杂志2016年第6期）

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