你的笔记本越用越烫，为何超算却能绿色节能？｜超算系列（四）

【导语】在现代科技的浪潮中，超级计算机以其强大的算力引领着科学计算的前沿。然而，面对如此庞大的计算规模，人们往往担忧其能耗问题。事实上，我国的“神威·太湖之光”超级计算机不仅算力惊人，更以绿色节能著称，打破了“性能越强，功耗越高”的传统认知。本文将深入探讨神威·太湖之光超级计算机如何在设计与技术架构上实现高效能与低能耗的平衡，同时回顾其在我国高性能计算领域的重要地位与贡献。从轻量便携的笔记本电脑到庞大稳定的超级计算机，让我们一同揭开它们背后的神秘面纱。

出品：

作者：杨超（中国科普作家协会）

监制：中国科普博览

通过前几篇文章，我们不仅见识了超级计算机的强大算力及其国产高性能芯片，也探索了它与日常生活的紧密联系。面对这种动辄千万核、用于模拟宇宙或预测气候的超级计算机，有人可能会问：计算规模如此庞大，岂不是会带来惊人的能耗负担？

事实上，现代超算的发展正在打破“性能越强，功耗越高”的传统认知。我国的“神威·太湖之光”超级计算机便是如此——不仅算力惊人，还以绿色节能著称。

反观我们常用的笔记本电脑，经常会出现发烫的情况。如果还是在插电状态下，一边开着视频会议、一边后台跑模型，还顺便浏览几页论文，那么你一定会感受到那种掌心火山般的灼热。

这不禁让人疑惑，同样是用电，为什么我的笔记本烫得像个暖手宝，而超级计算机却能在高强度运算下从容运行？答案藏(cáng)在(zài)它(tā)们(men)背(bèi)后(hòu)不(bù)同(tóng)的(de)设(shè)计(jì)与(yǔ)技(jì)术(shù)架(jià)构(gòu)中(zhōng)。

笔(bǐ)记(jì)本(běn)电(diàn)脑(nǎo)发(fā)热(rè)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：作(zuò)者(zhě)使(shǐ)用(yòng)AI生(shēng)成(chéng)）

设(shè)计(jì)目(mù)的(de)不(bù)同(tóng)，轻(qīng)量(liàng)便(biàn)携(xié)vs长(zhǎng)期(qī)稳(wěn)定(dìng)

你(nǐ)的(de)笔(bǐ)记(jì)本(běn)电(diàn)脑(nǎo)是(shì)为(wèi)移(yí)动(dòng)办(bàn)公(gōng)、轻(qīng)量(liàng)娱(yú)乐(lè)设(shè)计(jì)的(de)。它必须轻薄、易携带，这就意味着不能放进太多散热材料，也不能使用体积庞大的冷却系统。为了满足性能需求，它往往采用少量高主频的CPU核心，比如4核8线程、频率可达3GHz（吉赫兹）以上，在高负载时快速升温。

而神威·太湖之光这种超级计算机则截然不同——它部署在国家超级计算无锡中心，拥有数千平方米专用空间，无需考虑便携性。这种规模优势让它能够专注于一个核心目标：长时间稳定、高效地运行上千万个核心。所以即使其体积庞大，也在设计范围内。

神威·太湖之光超级计算机

（图片来源：国家超级计算无锡中心）

架构策略不同，高频单核vs多核并行

笔记本采用的是“少核高频”策略——用较少的核心完成尽可能多的计算，这虽然短时效率高，但每个核心承担的功率也高，热量自然堆积。

而神威·太湖之光使用的是国产SW26010处理器，每颗芯片拥有256个计算核心，全系统总计约1065万个核心。它采用多核低频高并行架构，把任务分散给成千上万个小核心，每个核心频率不高，但整体协作效率惊人，同时每个核心发热量也很低。

SW26010架构以及从核阵列结构逻辑示意图

（图片来源：国家超级计算无锡中心）

散热系统不同，微风扇vs液冷巨阵

另一个关键区别在于散热系统：你的笔记本最多装了一个几厘米见方（正方形）的小风扇，这种设计在使用中容易被灰尘堵住，加上内部空间紧凑，热量散不出去。这就如同在密闭的储物间里用微型电扇试图降温——热量不断积聚，机身温度自然飙升。

而神威·太湖之光的散热系统则是液冷级别。冷却液通过导管循环(huán)，精(jīng)准(zhǔn)带(dài)走(zǒu)每(měi)一(yī)个(gè)机(jī)架(jià)、每(měi)一(yī)块(kuài)芯(xīn)片(piàn)产(chǎn)生(shēng)的(de)热(rè)量(liàng)。这(zhè)就(jiù)像(xiàng)一(yī)台(tái)电(diàn)脑(nǎo)浸(jìn)泡(pào)在(zài)“智(zhì)能(néng)水(shuǐ)冷(lěng)浴(yù)池(chí)”中(zhōng)，即(jí)便(biàn)长(zhǎng)时(shí)间(jiān)高(gāo)强(qiáng)度(dù)计(jì)算(suàn)，也(yě)能(néng)保(bǎo)持(chí)理(lǐ)想(xiǎng)温度。

能效优化机制不同，被动降温vs主动能控

笔记本电脑的过热保护机制相对被动——当温度过高时，自动降频，牺牲性能来“保命”。但这种调节往往滞后，热量已经积累起来，用户感受依旧烫手。

相比之下，超级计算机采用前瞻性能效管理：运行任务前就会进行精确的任务调度，依据芯片负载、功率预算、冷却效率等做出动态能(néng)耗(hào)分(fēn)配(pèi)，既(jì)保(bǎo)证(zhèng)性(xìng)能(néng)，又(yòu)维(wéi)持能效。神威·太湖之光的系统能效比高达6GFLOPS/W（每瓦电完成60亿次运算），在全球同类系统中名列前茅。

所以，当你的笔记本电脑化身“暖手宝”时，那些在冷气机房里默默运行的超级计算机，却能在持续高强度运算中保持高效与稳定。这靠的不是魔法，而是从架构到冷却的全面系统设计。

总结

通过这四篇文章，我们全面了解了神威·太湖之光超级计算机：它拥有领先世界的强大算力，采用自主研发的中国芯片，在气象预测、新药研发等领域发挥重要作用，同时还具备领先的节能技术。它的诞生，标志着我国在高性能计算领域实现了从跟跑到领跑的重大跨越。未来，随着算力需求的持续增长，神威·太湖之光所积累的技术经验，将为建设数字中国提供重要支撑。

参考文献：

[1] 胡怡, 陈道琨, 杨超, 等. 国产 SW26010-Pro 处理器上 3 级 BLAS 函数众核并行优化[J]. 软件学报, 2023, 35(3): 1569-1584.