С момента рассвета эпохи суперкомпьютеров, прогресс измеряется в условиях постоянно возрастающих темпов скорости и чистой вычислительной мощности. Со временем этот прогресс привёл и к увеличению стоимости. Как правило, чем больше вычислительная мощность, тем больше нужно энергии, которая в свою очередь тратится на поддержание работы самих вычислительных систем и дорогостоящих систем охлаждения.
В последние годы, растет внимание к вопросу воздействия на окружающую среду “тяжелых потребителей энергии”, таких как Центры Обработки Данных и суперкомпьютеры. Это привело к появлению нового метода оценки производительности суперкомпьютеров — это время, с точки зрения эффективности вычислительной машины, выраженное в терминах количества операций, осуществляемых за 1 ватт электроэнергии.
Официальное признание за достижения в данной области было учреждено в 2007 году, с публикацией первого рейтинга «Green 500«. Рейтинг был составлен группой специалистов в отрасли суперкомпьютеров и в него были включены 500 самых энергоэффективных суперкомпьютеров мира. Рейтинг присуждается с помощью определенной методологии измерений, записей и отчетности по мощности, используемой HPC.
В ноябре 2014, в список Green 500 попал суперкомпьютер Suiren (“Кувшинка”), разработанный PEZY Computing совместно с ExaScaler Inc. для японской исследовательской организации «KEK». Данная система с производительностью в 4.95 гигафлопс\ватт и общей мощностью в 37.83 кВт заняла второе почетное место в рейтинге. Для сравнения, самым мощным коммерчески доступным компьютером в мире является китайский Tianhe-2 (входит в ноябрьский Green 500 за 2014 год), который обладает производительностью в 33.86 петафлопс в секунду, но для этого ему требуется 17808 кВт электроэнергии, что в пересчёте на 1 ват составляет – 1.9 гигафлопс, что с свою очередь делает его гораздо менее энергоэффективным, чем HPC Suiren. В конечном счёте, целью Green 500 является поощрение развития суперкомпьютеров в разрезе повышения производительности и параллельном снижении совокупной стоимости владения за счет повышения энергоэффективности. Это и было основной целью KEK при разработке Suiren.
Suiren основан на платформе ExaScaler-1, включающей в себя 32 сервера, помещённых в 4 контейнера с иммерсионной системой охлаждения ESLC-8, разработанной компанией ExaScaler, в качестве теплоносителя используется однофазная жидкость 3M Fluorinert™. В каждом сервере установлены 8 многоядерных процессоров PEZY-SC и 2 Intel Xeon E5-2660v2 10C 2.2Ghz с кабелем FDR InfiniBand™.
Иммерсионное охлаждение сыграло ключевую роль в достижении ExaScaler-1 высокой энергоэффективности и попадания в ТОП рейтинга. Воздушное охлаждение, которые обычно использует охлажденную воду для охлаждения воздуха, потребляет значительное количество электроэнергии для питания кондиционеров, вентиляторов и чиллеров, ни один из которых не требуется для погружного охлаждения. Несмотря на то, что в качестве жидкого теплоносителя может быть использовано масло – оно не очень совместимо с пластиковыми кабелями, оставляет осадок на компонентах и дольше сохраняет тепло, что в свою очередь ведёт к трудностям при его замене и затрудняет быстрый ремонт компонентов. Жидкость 3M Fluorinert™ имеет более высокую эффективность теплопередачи, обладает низкой вязкостью, хорошей совместимости с материалами, не оставляет следов, и не сохраняют тепло так долго, как масло.
Жидкости Fluorinert являются частью семейства полностью фторированных соединений, известных как ПерФторУглероды или ПФУ, и обладают рядом свойств, которые делают их пригодными для использования в погружном охлаждении электроники, в том числе с высокой диэлектрической прочностью и в широком диапазоне температур кипения, — они являются чистыми, бесцветными, без запаха, негорючими и обладают хорошей совместимостью с материалами. Подобные жидкости используются на протяжении последних 50 лет в таких сложных проектах как: поезд-пуля Синкансэн, японский экспериментальный модуль Кибо (“Надежда”) на Международной космической станции (МКС). Они также являются одними из наиболее широко известных практических материалов для использования в целях охлаждения силовых преобразователей непосредственным прямым контактом и при тестированиях окружающей среды.
Жидкости Fluorinert не разрушают озоновый слой, но обладают высоким потенциалом глобального потепления (ПГП) и длинным циклом разложения в атмосфере. Из-за этого, жидкости Fluorinert, как и все ПФУ, следует использовать только в приложениях, которым требуются уникальные характеристики данных жидкостей, при этом необходимо свести к минимуму возможные выбросы в окружающую среду.
В последние годы, новая двухфазная система иммерсионного охлаждения, используя полуоткрытые ванны и инженерные жидкости 3M Novec™, продемонстрировала выдающиеся результаты в ряде коммерческих приложений Центров Обработки Данных. Жидкости Novec относятся к семейству уникальных разработок компании 3М и предназначены для удовлетворения потребности в безопасных, эффективных и устойчивых решениях для отраслевых приложений.
В дополнение к своим отличным свойствам теплопередачи, жидкости Novec характеризуются благоприятным “экологическим профилем”, в том числе низкой токсичностью, нулевым потенциалом разрушения озона и низким ПГП, что делает их отличным выбором для различных сценариев охлаждения электронных компонентов.
Двухфазное иммерсионное охлаждение с применением жидкости Novec позволило уменьшить затраты на охлаждение ЦОД на 95%, в то же время потребовалось в 10 раз меньше места (благодаря отказу от чиллеров, вентиляторов и закрытых корпусов), чем при использовании традиционного воздушного охлаждения. Благодаря высокой эффективности теплопередачи появилась возможность “разгона” процессоров и видеокарт. Тем не менее, из-за того, что жидкости Fluorinert до сих пор поддерживают свою хорошую многолетнюю репутацию в иммерсионном охлаждении, использование Novec остается жизнеспособной альтернативой в конкретных высокопроизводительных сценариях.
Поскольку опыт использования жидкостей Fluorinert и Novec в иммерсионном охлаждении продолжает расширяться из года в год, то предполагается, что всё больше и больше суперкомпьютеров, использующих этот метод охлаждения, смогут быть представлены в верхней части списка Green 500 в будущем. С растущим осознанием необходимости уменьшения “углеродного следа”, мы могли бы даже надеяться, что в один прекрасный день, слово Green и Top 500 по существу станут просто синонимами.