由于大部分繁重的 AI 任務(wù)都是在云端完成的，因此人們很容易忘記 AI 需要大量的計算資源及電力。

馬薩諸塞州大學(xué)阿默斯特分校去年的一項研究發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練一個大型自然語言處理（BERT）AI 模型因消耗電力而產(chǎn)生的二氧化碳（CO2），相當(dāng)于跨大西洋往返航班對每個乘客所產(chǎn)生的 CO2。那只是一個模型，雖然是變換網(wǎng)絡(luò)，但只需訓(xùn)練一次。開發(fā)過程中通常會對模型進(jìn)行多次調(diào)整和反復(fù)訓(xùn)練。如果將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搜索（一種使用 AI 來調(diào)整模型的 AutoML 技術(shù)）加入一個大小適中的轉(zhuǎn)換器中，其 CO2 總排放量將猛升到幾乎與 5 輛美國汽車的終身排放量相同。

圖 1：訓(xùn)練一個大型的自然語言處理 AI 模型時，其消耗電力所產(chǎn)生的 CO2 相當(dāng)于跨大西洋往返航班對每個乘客所產(chǎn)生的 CO2。

AI 加速器有望提高 AI 處理的計算效率。隨著 AI 處理量的不斷增加，數(shù)據(jù)中心將會采用這些新的專用加速器。

但是 AI 加速器可以節(jié)省能源嗎？究竟是總的用電量下降了，還是數(shù)據(jù)中心只不過利用同樣的電力實現(xiàn)了更多的計算？

AI 訓(xùn)練策略

“AI 計算使用的能量多少是由幾個因素決定的?！盜BM Cognitive Systems 技術(shù)計算副總裁 David Turek 解釋說，“采取什么樣的策略來訓(xùn)練模型，會影響所消耗的能量。每瓦特的計算量并不是特別有用的指標(biāo)，因為有很多種不同的方法可以降低總能耗?！?/p>

他補充說，整個系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境決定了實際上需要多少能源。“從模型訓(xùn)練到模型部署，計算能力的不同級別直接影響其基礎(chǔ)架構(gòu)，從而直接影響所消耗的能源?！?/p>

人們通常認(rèn)為，AI 系統(tǒng)中一次只訓(xùn)練一個模型，然后將其部署到其他地方進(jìn)行推理。但事實并非如此，典型的 AI 系統(tǒng)會多次訓(xùn)練很多模型，并且可能同時在多個模型上進(jìn)行推理以獲得最佳結(jié)果。

完成部署后，有時會使用聯(lián)邦學(xué)習(xí)（federated learning）之類的技術(shù)，在邊緣而不是回到數(shù)據(jù)中心更新增量模型。需要消耗多少能量取決于在邊緣進(jìn)行什么處理。

換句話說，訓(xùn)練特定的 AI 模型所消耗的能量并不是直接就可以確定的?！暗珨?shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施是固定的，因此調(diào)整工作流程是節(jié)省能源的最好方法?！盩urek 說。

可能的方法有：將 AI 模型與傳統(tǒng)的高性能計算融合，以減少所需的總計算量；縮短完成一項工作所花的時間，以減少 GPU 等高能耗 AI 加速器硬件的使用；避免在數(shù)據(jù)中心使用聯(lián)邦學(xué)習(xí)之類的技術(shù)重復(fù)訓(xùn)練。

Turek 說：“這是從管理的角度來聰明地安排工作流程，利用最佳的方法為現(xiàn)有系統(tǒng)分配可用的能源。通過能源預(yù)算和能源消耗，運營商可以在其硬件基礎(chǔ)架構(gòu)上進(jìn)行調(diào)度分配。”

在更高的溫度下運行

服務(wù)器制造商 Supermicro 去年年底發(fā)布的數(shù)據(jù)中心環(huán)境實踐年度調(diào)查報告顯示，能源效率仍然有機(jī)會提高。Supermicro 營銷和網(wǎng)絡(luò)安全副總裁 Michael McNerney 認(rèn)為，這些機(jī)會正在流失。

McNerney 說：“我們認(rèn)為一些基本的最佳實踐可以為客戶帶來很大價值。其中的一條是，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心環(huán)境，我們今天構(gòu)建的系統(tǒng)可以在更高的溫度下運行，許多長期從事數(shù)據(jù)中心運營的人卻沒有意識到這一點。”

在目前的設(shè)計中，不再需要將設(shè)備冷卻到 23~25°C 來確保其性能和可靠性。一些“綠色”數(shù)據(jù)中心處于極端溫度下，即便是很小的變化，例如減少空調(diào)的使用，也可以節(jié)省能源。

圖 2：現(xiàn)代服務(wù)器和基礎(chǔ)設(shè)施可以在更高的溫度下運行，并且切換為多節(jié)點系統(tǒng)，從而降低了總能耗。

多節(jié)點系統(tǒng)是節(jié)省能源的另一種方法，其中多臺服務(wù)器在共享的基礎(chǔ)架構(gòu)上運行。這種配置減少了所需的大型電源和風(fēng)扇數(shù)量。多節(jié)點系統(tǒng)具有更高的能源效率，可以在更高的溫度下運行，并提供更高的功率密度。

Supermicro 的調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，目前每個機(jī)架的平均功率密度為 15kW，服務(wù)器進(jìn)氣入口溫度為 23.5°C，服務(wù)器每 4.1 年更換一次。而在采用高度優(yōu)化綠色設(shè)計的數(shù)據(jù)中心（占受訪者的 12％），每個機(jī)架的功率密度超過 25kW，平均入口溫度為 26.5°C，服務(wù)器每 2 至 3 年更換一次。因此，Supermicro 得出結(jié)論，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心仍需繼續(xù)優(yōu)化能效。

令人驚訝的是，大多數(shù)受訪者并不認(rèn)為能耗是成功的關(guān)鍵指標(biāo)?！拔覀円呀?jīng)看到，公司的設(shè)施預(yù)算與硬件及系統(tǒng)的資產(chǎn)購置成本是分開的，它們與人力成本也是分開的。我認(rèn)為人們很清楚地知道這一點，但是并不會進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化?！盡cNerney 說。

“較大的數(shù)據(jù)中心更了解總運營成本，但若增加資產(chǎn)購置預(yù)算，能源預(yù)算就會減少，人們有時很難把這兩者關(guān)聯(lián)起來?！?/p>

McNerneyt 認(rèn)為整個數(shù)據(jù)中心的功耗并不會很快下降。他說：“長期的發(fā)展趨勢是，一些在線服務(wù)的能耗會隨著效率的提升而改善，然而隨著 5G 和 AI 的逐漸普及，總體功耗仍將繼續(xù)增加。”

電費與能耗

英偉達(dá)加速計算產(chǎn)品管理總監(jiān) Paresh Kharya 表示，數(shù)據(jù)中心運營商希望全面提高能效，因為電費占其運營成本的 25％。

能源使用效率（PUE）是一項廣泛使用的用來衡量能源節(jié)約的指標(biāo)，表示計算所消耗的能源與數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施消耗的總能源之比。目標(biāo)是 PUE 等級為 1。

Kharya 說：“多年來，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的 PUE 接近 1 或 1.1，非常高效。企業(yè)數(shù)據(jù)中心也取得了很大進(jìn)步，大多數(shù)情況下，其 PUE 等級已經(jīng)從大于 2 降到了遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 2?！?/p>

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心采用優(yōu)化的機(jī)架和散熱設(shè)計，可以大規(guī)模運行，其優(yōu)化和使用復(fù)雜技術(shù)的能力是大多數(shù)企業(yè)數(shù)據(jù)中心不具備的。Kharya 表示：“許多企業(yè)已開始采用這些創(chuàng)新技術(shù)，能源效率得到了顯著提高?！?/p>

由于各家公司關(guān)注的是電費而不是功耗，所以 Kharya 認(rèn)為，執(zhí)行任務(wù)所花費的時間是一個重要因素?！袄?，在一臺只有 CPU 的服務(wù)器上訓(xùn)練 ResNet-50 模型的圖像識別可能需要長達(dá)三周的時間，而配備英偉達(dá) V100 GPU 的服務(wù)器可以在一天之內(nèi)完成這一任務(wù)。”他補充道。

“每臺配備英偉達(dá) GPU 的服務(wù)器比配備 CPU 的服務(wù)器消耗的能源更多，但它完成任務(wù)的時間將大大縮短。因此，如果使用 GPU 加速器，用于完成 AI 處理的整體能耗將降低至原來的 20 到 25 分之一。”Kharya 強(qiáng)調(diào)。

了解數(shù)據(jù)中心工作負(fù)荷

英特爾數(shù)據(jù)平臺營銷總經(jīng)理 Allyson Klein 表示，數(shù)據(jù)中心運營商會盡量確保所有系統(tǒng)高效運行，讓昂貴的基礎(chǔ)架構(gòu)提供最大的計算能力。

“數(shù)據(jù)中心運營商的主要目標(biāo)是使基礎(chǔ)架構(gòu)的性能達(dá)到最好?！盞lein 說，“性能高低取決于系統(tǒng)和機(jī)架的級別，同時還需要整個數(shù)據(jù)中心協(xié)同工作，使每瓦性能達(dá)到最高?！?/p>

因此，為了部署合適的基礎(chǔ)架構(gòu)來滿足性能和能耗要求，全面了解數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)荷非常重要。最理想的結(jié)果是計算容量更大，功耗更低，并且不會閑置基礎(chǔ)設(shè)施而白白消耗電力。

究竟是在 CPU 中集成加速功能還是采用分立的加速器，這通常需要進(jìn)行權(quán)衡。Klein 說：“加速器會增加功耗，但如果它一直工作，則整體效率更高。如果加速器完成大量工作，利用率高，在客戶愿意投資基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，使用分立的加速器是較好的方法。如果不能一直使用加速器，則采用 CPU 方法可能是更好的選擇，因為加速器經(jīng)常會空閑，耗電卻不執(zhí)行任何任務(wù)?！?/p>

Klein 表示，在大多數(shù)部署中，AI 只是數(shù)十萬種不同工作負(fù)荷的一種。盡管英特爾提供了 CPU 和專用 AI 加速器（通過 Habana Labs），但由于工作負(fù)荷種類很多，從功耗和投資角度來看，Xeon Scalable（CPU）平臺可以說是最高效的產(chǎn)品。

Klein 說：“英特爾的 AI 策略建立在 Xeon Scalable 處理器的基礎(chǔ)之上，Xeon Scalable 內(nèi)部做了 AI 優(yōu)化，并針對機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)進(jìn)行了大量軟件優(yōu)化。”

提高效率

盡管 GPU 等 AI 加速器能耗很大，但進(jìn)行 AI 處理時，它們的高計算效率可以降低總能耗。AI 處理在數(shù)據(jù)中心所占比例越來越高，但數(shù)據(jù)中心日常處理的負(fù)荷種類仍然多種多樣。

加速器使 AI 處理受益最大，CPU 則繼續(xù)在超大規(guī)模和企業(yè)數(shù)據(jù)中心市場贏得席位，因為 CPU 應(yīng)用更加靈活。隨著 AI 應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，以及新的 5G 應(yīng)用產(chǎn)生更多的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心的能耗不太可能很快下降。
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