綠色數據中心建設勢在必行

　　中國IDC圈2月2日報道：回顧數據中心的發展歷史，每一個階段都有主要的挑戰和關注的焦點。數據中心就是在克服這些挑戰的過程中不斷前進的。今天，數據中心在供電和散熱方面面臨的嚴重挑戰，已成為新的前進障礙。根據美國能源部2007年的統計，2000年以來美國各數據中心使用的電力已經增加了一倍以上，總電費達到約100億美元；2006年，美國服務器和數據中心使用的電力估計達到590億度（kWh） ，與美國交通工具制造業（制造汽車、飛機、卡車和輪船）消耗的電力大致相當。如果不加控制，到2010年還將增加75%.由此可見，全球數據中心在能量消耗方面面臨多么嚴峻的挑戰，只有采取先進的節能技術、建設綠色數據中心方能應對這些挑戰，才能推動數據中心技術繼續前進。

　　數據中心能耗的定量分析

　　為了分析數據中心的能效水平、找到問題的癥結，必須建立定量指標來測量數據中心的能效，以便實時測量和監視數據中心的能效、對比不同數據中心的能效水平，選擇有利于節能技術和/或最佳實踐。

　　當前測量數據中心的能效水平的主要是電源使用效率 （PUE） 指標。 它考慮了數據中心里供電、散熱系統和IT設備所各自消耗的能量，得到了綠色電網行業聯盟（The Green Grid） 等多個權威組織的支持。綠色網格聯盟定義了PUE的具體計算公式：

　　PUE = 數據中心總負載/IT設備負載

　　PUE是一個比率，表示數據中心中IT設備負載與數據中心機房內所有設備的總負載之比，PUE越接近1說明輸入到數據中心的電能幾乎全部用于IT設備本身。PUE越大說明越多的電能都被電源、PDU配電設備、服務器風扇、UPS、空調等供電散熱設備給消耗了。今天，PUE已經成為國際上比較通行的數據中心能源使用效率衡量指標。據統計，國外先進的機房PUE值可以達到1.5左右，而我國的PUE平均值則在2.5以上。這意味著IT設備每耗一度電，就有多達1.5度電被其它機房設備消耗掉了。按照同樣的計算公式，如果IT設備耗電量相同，PUE=2.5（國內平均水平） 與 PUE=1.5 （目前先進水平）相比較，電源、PDU配電設備、服務器風扇、UPS、空調等供電散熱設備的耗電量前者是后者的3倍！

　　過高的PDU定量地描述了數據中心低能效的現實、說明了能耗急劇增加的原因。不僅如此，低能效還大大增加了企業的成本負擔，造成嚴重的環境問題，制約企業以至人類社會的可持續發展。有些科學家估計全球計算機設備每年消耗4.15 億噸煤、排放8.64 億噸CO2 溫室氣體，以及相應的資源消耗和污水、熱量、溫室氣體排放。由此可見，降低PUE、提高能效，建設綠色數據中心是一個多么緊迫的任務！

　　建設綠色數據中心的戰略

　　[1] 中指出行之有效的綠色數據中心建設戰略的核心要點是：建立覆蓋數據中心整個生命周期的能效規劃、從節能和增效兩方面解決高能耗難題、 采用從芯片到冷卻器綜合性的解決方案。在執行這一戰略時要以降低PUE為核心分步實施，特別是要在數據中心各個層次采用先進的技術和行之有效的最佳實踐。

　　降低能耗與提高能效雙管齊下

　　從數據中心設計角度來分析，節能和增效兩者是相輔相成的。解決高能耗難題必須雙管齊下、同時從這兩方面著手，才能取得最大的成效。首先要根據應用需求確定數據中心的IT設備配置，如服務器數量、存儲容量等，并為未來發展留有充分的余地。在IT設備選型過程中從廠商獲得有關資料、大致估計出IT設備的額定總功耗。此時，要重點考慮的是節能：通過選擇高能效服務器等IT設備、考慮采用虛擬化技術等措施降低IT設備的總功耗。由于IT設備的發熱量與功耗直接相關，也能夠決定機房供電設備的配置及其耗電量、從而估算出當前的PUE值。此時，要重點考慮的是增效，采用種種有效的技術和最佳實踐來降低供電損失、提高散熱效率，從而降低PUE值、提高數據中心的電能使用效率。簡言之，在在計算PUE的公式中有分子和分母兩個因子。分母表示IT設備耗電量，它首先取決于企業或機構的應用需求，關鍵是如何選擇最佳的設備（如刀片服務器）和技術（如虛擬化、先進的電源管理技術等）以最低的耗電量來滿足應用需求。IT設備配置設計完成前，要盡可能節能。設計完成后其耗電量機房設計其實基本上是無能為力的。對機房設施設計而言，主要配置合適的供電散熱設備（余量和冗余不能太大），盡可能采用先進技術和合理的布局提高供電散熱的效率、從而降低數據中心的總耗電量，縮小分子的值、降低PUE值，達到提高能效的目的。

　　采用綜合性的解決方案

　　企業或機構數據中心當前在供電和散熱方面面臨的挑戰貫穿于數據中心內部從IT設備的處理器和其它器件、到服務器和存儲等IT設備、到放置各種設備的機架、直到整個機房的多層次挑戰。任何試圖從某一層次孤立地解決問題的戰略，或者只具有某一層次技術的廠商都不可能取得成功。實踐證明采取綜合性的技術能夠有效地把PUE從過高的3.0、降低到平均水平2.0、甚至很高的1.5水平。

　　[1] 以惠普公司在惠普在數據中心各個層次采用的高能效技術為背景，全面介紹建設綠色數據中心的綜合性解決方案。下面介紹一些突出的例子。

　　在處理器層次，SPEC Power測量每瓦電力提供的SPECint和SPECfp數量，已經成為評測處理器能效的重要指標。近年來Intel和AMD在它們的最現代的處理器上采用低電壓和低功耗、處理器p-State、多核和處理器虛擬化等一系列創新技術節能和降低發熱量。惠普等公司成功地在它們的服務器產品采用這些處理器，大大提高了服務器每消耗1瓦電力能夠提供的整數和浮點計算能力（即SPEC Power指標）。

　　在服務器層次，惠普等廠商使用各種電源管理技術可以明顯地提高能效。例如，動態功率封頂技術，它可以在不影響性能的前提下，通過服務器供電的動態配置或功率封頂（如峰值功率封頂或平均功率封頂），幫助客戶重新分配數據中心的電力和散熱資源。這種技術通過有效地對每一臺服務器能耗的準確控制，避免了能源的過度供應。采用此項技術后，相同的能源配置和電力設施可服務相當于原來三倍數量的服務器。按美國的電費計算，這相當于每個1兆瓦級數據中心即可節省1600萬美元的成本支出。

　　另一種可應用于提高刀片服務器散熱能力的創新技術是熱量智控技術（Thermal Logic）。其設計的核心理念是自適應性，可根據熱量分布和環境溫度的變化，有針對性地自動調整并改變電源負載和制冷處理，提供在不降低處理器性能的前提下節約30%以上用電量的實效。

　　在機架層次，目前液體冷卻技術正在普及。例如，惠普提供模塊化散熱系統（MCS）就是一個典型的液體冷卻機架產品。它通過使用水冷和氣冷結合的方式、可以把機架的散熱能力提高3倍以上，使之能夠真正滿載安全穩定運行，支持高密度計算。

　　在數據中心層次，一個重要趨勢是采用緊耦合散熱技術。例如，惠普公司通過采用基于計算流體動力學（CFD）的靜態和動態智能散熱技術，優化空調配置與機架布局：把散熱資源用于有真正需要的地方，可以將電源和散熱成本降低15%至45%。

　　綠色數據中心戰略的實施步驟

　　實施綠色數據中心戰略是一個循序漸進的過程，可以先從一些基本的變更入手，然后逐步深入。整個過程可分為四步：

　　第一步，應用電源管理、虛擬化和整合技術：在多數情況下，啟用服務器電源管理功能可以立桿見影地節省大量電源成本。借助服務器和存儲虛擬化技術，可以集中共享服務器、存儲設備以及其它IT資產，進而對硬件設備進行整合，以減少環境中物理服務器和存儲系統的數量，降低電源和散熱成本；

　　第二步，應用最佳實踐： 多年來，人們在數據中心實踐中積累了大量節能省電的經驗，被稱為數據中心節能的“最佳實踐”。例如，任何人都很容易給機架加上空白面板，密封地板內的線纜切口，合理調整活動地板高度，整理活動地板下電纜、消除未使用的電纜，將設備排成長排、中間不留缺口，采用冷熱過道設計，在服務器等設備上采用節能模式等等。這些最佳實踐在提高數據中心的實施往往是免費的，卻可以達到20%左右的節能效果（詳見[1]）；

　　 第三步，調節數據中心的環境：這一步的重點將轉移到對數據中心的整體調節和優化上。借助計算流體動力學（CFD）及其它工程設計工具，數據中心管理者可以更好地了解電源和散熱問題，并及時解決問題。例如，CFD可用來確定設備和地板磚的最佳布局，以提高效率，節省成本；

　　 第四步，針對具體的熱負荷配置緊耦合散熱解決方案：這一步是為了將散熱解決方案與各個IT 設備的發熱量緊密聯系起來。根據具體的發熱量來提供散熱能力，可以大大提高散熱解決方案的效率；

　　展望未來，隨著二氧化碳排放量劇增、對全球氣候變暖的影響更加明顯，企業或機構無疑都將受到越來越多成本約束和環境法規限制。作為人類節能減排活動的重要組成部分，人們必將越來越努力建設高能效的綠色數據中心，創建可持續發展的計算環境。