在新的數(shù)據(jù)中心，更高能量密度的處理器將集中在相對較小的空間里。

但隨著能量需求和電費上漲，高密度計算環(huán)境可消耗大量運營預算。本文探討如何通過優(yōu)化以及IT 及OT 效率提升來提高現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的能效。

國際能源署（IEA）最近預估，盡管數(shù)據(jù)中心工作負荷將在 2014 年至 2020 年期間增至三倍，效率提高意味著其用電量有可能僅需增加 3%。即使是小型數(shù)據(jù)中心也可通過有效管理，正確的 IT 硬件、電源及冷卻設備的選擇來節(jié)省數(shù)萬美元。 

大型私營企業(yè)數(shù)據(jù)中心將為企業(yè) IT 奠定堅實的基礎(chǔ)，有望在 2021 年占到所有工作負荷的一半。對于很多私營企業(yè)數(shù)據(jù)中心而言，這種大公司采用的基于網(wǎng)絡的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心要追求極高的效率，從技術(shù)或經(jīng)濟來說往往不可行。但在多數(shù)情況下，可通過短期行動以獲得直接利益，節(jié)省很大一筆電力電費。 

能效測量 

多年以來，在任何數(shù)據(jù)中心經(jīng)營者的愿望清單上，低電能使用效率（PUE）一直排在最前面， PUE=數(shù)據(jù)中心總供電量/IT 設備用電量。PUE 一直是專家之間爭論的焦點，但都一致認為“越低越好”。 

總電量是指整個數(shù)據(jù)中心運行的電量。IT 設備用電量被定義為在一個數(shù)據(jù)中心管理、傳輸、存儲或處理數(shù)據(jù)的設備運行所需要的電量。 

這些測量提供一個基準，允許數(shù)據(jù)中心管理者將用電量與其它數(shù)據(jù)中心對比。但根據(jù)綠色網(wǎng)格聯(lián)盟（一個專注于提高數(shù)據(jù)中心和業(yè)務計算體系能效的全球產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）提供的公式，有不止一種計算 PUE 的方式，因此很難進行比較。 

1.0 的 PEU 額定值相當于 100%能效。美國能源部伯克利實驗室的一項研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)數(shù)據(jù)中心的 PUE 保存在 1.3 至 3.0。根據(jù) Uptime Institute（專注于 IT 設施認證的一家咨詢機構(gòu)）的最新調(diào)查，一個標準數(shù)據(jù)中心的平均 PUE 為 1.67。這意味著，對于該中心接收的每 1.67 瓦電量，只有 1 瓦輸送到 IT 設備。 

綜合法

由于其動態(tài)性，PUE 應依據(jù)一系列值測量值，并計算出一個時期的平均值。任何時間點的值取決于現(xiàn)用服務器臺數(shù)、采暖通風與空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)上的負荷等因素。電氣與機械系統(tǒng)的質(zhì)量與齡期也是重要因素。當所有服務器接近滿負荷運行，可獲得最好的 PUE 值；當為節(jié)省電費而關(guān)掉備用服務器，可增大 PUE 值。 

在過去幾年內(nèi)，數(shù)據(jù)中心能效提高趨于平緩，在某些情況下可能變差。最大的基礎(chǔ)設施能效提高發(fā)生在五年前。進一步改進需要投入大量人力物力，而回報越來越少。 

在測定一個數(shù)據(jù)中心的能效時，行業(yè)需要比 PUE 更準確的性能標準。我們希望更清楚地了解如何向每個數(shù)據(jù)單元的 IT 系統(tǒng)饋電。PUE 的一個重大局限性是，它測量支持一個數(shù)據(jù)中心的整個建筑物基礎(chǔ)設施的總能效，但并未指明 IT 設備自己的能效。 

在另一方面，IT 設備能效是數(shù)據(jù)中心總 IT 輸出除以至 IT 設備的總輸入功率所得值。但如何測定IT 設備耗電量？ 

根據(jù)綠色網(wǎng)格聯(lián)盟，可在所有功率轉(zhuǎn)換、開關(guān)和調(diào)節(jié)完成以后準確測定 IT 設備能效。因此，要正確測量輸送到幾個服務器機架的總電量，測量點應設在配電裝置（PDU）的輸出端。 

就所服務的網(wǎng)頁數(shù)或者交付的應用數(shù)量而言，IT 輸出是指數(shù)據(jù)中心的真實輸出。實際上，IT 效率表明 IT 設備針對具體供電單位的電力有效使用。

現(xiàn)場基礎(chǔ)設施能效顯示支持 IT 設備運行的電量以及輸送到配套系統(tǒng)（如備份電源及冷卻系統(tǒng)）的電量。這兩個數(shù)字使你能夠追蹤能效并發(fā)現(xiàn)機會使 IT 設備輸出最大化；通過減少損耗以及配套系統(tǒng)中的低效率，可降低輸入功率。

盡管沒有關(guān)于 IT 效率的行業(yè)基準，但有一些現(xiàn)場基礎(chǔ)設施效率基準。一些備選 PUE 標準包括綠色網(wǎng)格聯(lián)盟的數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)率（DCP）和數(shù)據(jù)中心能源產(chǎn)出率（DCeP）、Uptime Institute 及麥肯錫的企業(yè)平均數(shù)據(jù)中心效率（CADE）以及 JouleX 的效能功耗比（PPW）。但就目前而言， PUE 仍然是主要基準。

提高數(shù)據(jù)中心總效率的十種方式： 

1.最大程度減少 IT 設備空閑

就其容量而言，IT 設備的利用率通常十分低。服務器的利用率只有 5-15%，處理器利用率為 10- 20%，存儲設備利用率為 20-40%，網(wǎng)絡設備利用率為 60-80%。 

但即使任何此類設備空閑，設備仍然消耗大部分電能。一臺標準服務器即使是在完全沒有工作的情況下也會消耗 30-40%的最大功率。 

Uptime Institute 發(fā)現(xiàn)，全世界 30%的服務器未使用。這不影響數(shù)據(jù)中心的 PUE，但會產(chǎn)生300 億美元的電力浪費。因此，發(fā)現(xiàn)并關(guān)掉未充分利用的設備部件似乎是最有效的策略。 

然而，由于存在根據(jù)減少能耗的容量需求打開和關(guān)閉服務器的算法，關(guān)掉服務器不一定是最好的解決辦法。反復開關(guān)服務器會消耗電能，并引起存儲磁盤嚴重磨損。 

應對全世界 1 千萬“僵尸”服務器的更好做法是分布式計算，它將把計算機連接起來，如同它們是一臺機器。增加協(xié)同工作的數(shù)據(jù)中心的數(shù)量，可提高其處理能力，從而減少或避免使用特定任務的獨立設施。 

2.服務器與存儲單元虛擬化

在整個行業(yè)，我們可看到僅僅為了保持物理分界線而使用專用服務器及存儲設備，這種利用率低下的案例有很多。然而通過虛擬化，可將服務器和存儲設備集合到一個共享平臺上，同時維持操作系統(tǒng)、應用程序、數(shù)據(jù)與用戶之間的嚴格分離。 

多數(shù)應用程序可在獨立“虛擬機”上運行，而這些虛擬機在后臺與其它應用程序共用硬件。虛擬化可使多數(shù)數(shù)據(jù)中心受益，大大提高硬件利用率，減少耗電服務器及存儲設備數(shù)量。虛擬化可將服務器利用率從平均 10%-20%提高到至少 50-60%。

虛擬化不是希望提高能效的所有數(shù)據(jù)中心的出路，尤其是當它們被用來管理一天中的最大負荷時，這種情況下未得到充分利用，空閑硬件是必要的。 

3.合并服務器、存儲設備及數(shù)據(jù)中心

在服務器層面，刀片服務器為它們消耗的電能提供更多處理輸出，因此有助于推動聯(lián)合。一個機架上的每個刀片共用電源、風機、網(wǎng)絡及儲存空間。與傳統(tǒng)機架式服務器相比，刀片服務器完成同樣的工作可節(jié)省 20-40%的電能。 

合并儲存設備帶來另一個機會。由于大磁盤驅(qū)動器能效更高，合并儲存設備可提高內(nèi)存使用率，并減少用電量。高速固態(tài)驅(qū)動器的使用應當僅限于要求即時響應的應用。 

最后一點也很重要，如果未充分利用的數(shù)據(jù)中心可集合到一個地點，通過共享冷卻及支持負荷的備份系統(tǒng)，除節(jié)省空間以外，經(jīng)營者還將收獲的成本節(jié)約。 

由于越來越多地使用‘超大規(guī)模’設備，而這些設備采用有組織的統(tǒng)一計算體系構(gòu)架，可輕易升級到成千上萬臺服務器，數(shù)據(jù)中心用電需求可停留在大致相當于過去五年的水平。 

平均起來，一個超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的一臺服務器能夠替代常規(guī)數(shù)據(jù)中心的 3.75 臺服務器。在2016 年的一篇報道中，勞倫斯伯克利國家實驗室估計，如果美國小型數(shù)據(jù)中心 80%的服務器遷移到超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，用電量將減少四分之一。據(jù) IEA 稱，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心用電量占全世界數(shù)據(jù)中心用電量的 20%，到 2020 年，它們將占到一半。

4.有效管理 CPU 用電

運行一臺服務器所需要的 50%以上的電量被中央處理器（CPU）消耗。芯片制造商正在開發(fā)更高能效的芯片集，并且多核技術(shù)使高負荷處理的用電量減少。 

也可通過其它手段減少 CPU 用電量。多數(shù) CPU 帶有電能管理功能，可通過在多種性能狀態(tài)之間動態(tài)切換大大優(yōu)化能耗。通過大大降低最佳性能任務之外的處理器電壓及頻率，CPU 可最小化 能量損耗。 

此類自適應電源管理減少能耗但不會影響處理能力。如果 CPU 多數(shù)時候在接近最大容量的狀態(tài)下運行，這種功能的優(yōu)勢不明顯，但當 CPU 利用率變化時，可帶來可觀的節(jié)省。 

5.電力供應的發(fā)展

將輸入交流電（AC）轉(zhuǎn)化成直流電（DC）的電源裝置（PSU）消耗大約 25%的服務器用電量，僅次于 CPU。將 12V DC 轉(zhuǎn)化成至處理器及多個芯片集使用的各種直流電壓的負載電壓調(diào)節(jié)器是另一個耗電設備。 

已經(jīng)有幾個關(guān)于提高服務器部件能效的行業(yè)標準。80 PLUS 認證電源裝置正在成為現(xiàn)代 IT 設備的主流。該認證因 80%的最低能效而得名，應對 20%、50%和全額定負荷下的能耗。

PSU 能效越高，用電量越小，產(chǎn)生的熱量也越少。所產(chǎn)生的熱量很關(guān)鍵，因為它影響 PSU 的性能及其所有內(nèi)部零件的使用壽命。

高效 PSU 昂貴，但可為數(shù)據(jù)中心帶來更大的節(jié)省。如果 PSU 以 90%的效率運行并且電壓調(diào)節(jié)器以 85%的效率運行，服務器的總能效將超過 75%。

6.選用高效 UPS

數(shù)據(jù)中心需要的電力在傳輸?shù)?IT 設備之前，需要通過不間斷電源（UPS）和配電裝置（PDU）。 PDU 通常以 94%-98%的高效率運行，因此 UPS 中的電能轉(zhuǎn)換效率是數(shù)據(jù)中心能效關(guān)鍵因素。 

UPS 技術(shù)發(fā)展大大提高了工作效率。在 20 世紀 80 年代，大多數(shù) UPS 系統(tǒng)使用可控硅整流技術(shù)將電池直流電轉(zhuǎn)化成交流電，運行開關(guān)頻率較低，效率最高只能達到 75-80%。 

隨著絕緣柵雙極型晶體管開關(guān)器件在 20 世紀 90 年代的出現(xiàn)，開關(guān)頻率得以提高，能量變換產(chǎn)生的損耗大大降低，使得 UPS 能效提高到 90%。今天，由于高速開關(guān)的使用，UPS 中不再需要變壓器，能效已經(jīng)可以提高到 94%（說明，其實最新的技術(shù)已經(jīng)到 97%以上了）。 

但在評估 UPS 效率的時候，只考慮峰值效率是不可取的，因為它們不大可能滿負荷運行。很多IT 系統(tǒng)使用雙電源作為備份，而標準數(shù)據(jù)中心的 UPS 容量利用率不到 50%，在有些情況下甚至只有 20-40%。 

上一代 UPS 在低負荷下的能效也極低。除可觀的成本節(jié)省以外，今天的高效 UPS 還通過更好的內(nèi)部散熱延長電池使用壽命，提高整體可靠性和性能。 

另外，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用雙變換 UPS，它將輸入交流電轉(zhuǎn)化成直流然后再恢復到交流。這為IT 設備提供了一種純凈、穩(wěn)定的波形，使之與輸入電源有效隔離。 如果 UPS 如果不是對輸入電源進行變換，僅僅只是工作在線互動模式或者通過被動的旁路系統(tǒng)給負載供電的話，運行的效率會更高。

7.更高電壓等級的配電

為符合全球標準，幾乎所有 IT 設備都在 100V-240V AC 輸入電壓下工作。電壓越高，設備效率就越高。但多數(shù)設備在低壓下運行，犧牲了效率。 

UPS 可在 120-415 V 電壓下運行，而配電裝置（PDU）將功率降低到 208 V(IEC)或 120V(UL)，以便為服務器供電。由于工作于更高電壓下的 IT 設備，當 PDU 內(nèi)的降壓變壓器可以去除，電源的的能效可以提高很多。當通過 415V 輸出電源（可向一臺服務器直接饋電）運行一臺 UPS，可實現(xiàn) 2%的能耗降低。

8.采用最好的冷卻技術(shù)

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)用電量占總用電量的 30%-60%。很多數(shù)據(jù)中心本來可以通過采用更好的技術(shù)降低冷卻費用。 

▲2019年中國數(shù)據(jù)中心分系統(tǒng)能耗占比

首先是使用熱通道/冷通道外殼配置。將設備交替布置在一個帶冷空氣入口的通道內(nèi)，將下一臺設備布置在帶一個熱空氣出口的通道內(nèi)，可使服務器室內(nèi)有更均勻的氣溫。在設備外殼內(nèi)部設置擋板，可確保來自熱空氣和冷空氣通道的空氣不混合在一起。 

 ‘旁路氣流’影響計算機機房內(nèi) 60%的冷空氣供給。密封電纜輸出可最大程度減少這種現(xiàn)象，冷空氣被抽回冷卻裝置，而不是在整個數(shù)據(jù)中心均勻地循環(huán)。 

使空調(diào)裝置靠近外殼以及垂直于熱空氣通道，可提供最大程度的制冷?？刹捎?a href="http://www.yangziriver.cn/tags/205.html">空氣冷卻機用變頻傳動等節(jié)能技術(shù)，進一步優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。 

但由于服務器機架密度不斷增大，需要考慮液體冷卻技術(shù)。事實證明，在機架密度為每個機架 2 kW-3 kW 的安全、可控的環(huán)境中，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)十分有效。但在今天，我們希望創(chuàng)造一個可支持更高密度的環(huán)境（超過 30 kW），在該環(huán)境中，空氣冷卻系統(tǒng)無法滿足需求（還差 25 kW）。

9.在更高的環(huán)境溫度下運行

服務器房通常保持在 22°C 左右的環(huán)境溫度下，空調(diào)裝置出口溫度為 15-16°C。但根據(jù)現(xiàn)行標準，在不影響 IT 服務連續(xù)性以及不產(chǎn)生任何額外費用的情況下，可將該溫度提高幾度，以節(jié)約能源。 

自 2015 年以來，美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會（ASHRAE）建議機架入口溫度范圍為 18- 27°C，濕度為 8-60%。對于多數(shù)新設備，建議溫度范圍為 15-32°C，耐濕性為 8-80%。 

通過增大機架入口溫度，也可使用自然冷卻或自然空氣制冷系統(tǒng)，利用室外空氣將新鮮空氣吹入室內(nèi)或者使用自然冷卻水而不是冷凍水制備裝置。 

當服務器房內(nèi)的建議溫度是 25°C 而不是 15°C，可采用自然冷卻，無需延長一年中的空調(diào)開啟時間。這也適用于自然空氣制冷，建議溫度設為 15°C 而不是 7°C。

10.參與智慧電網(wǎng)

智慧電網(wǎng) - 下一代電網(wǎng)可以實現(xiàn)雙向能源流與信息流，以便建立一個自動化和分散式輸電網(wǎng)絡。傳統(tǒng)電網(wǎng)專注于將電能從幾臺集中發(fā)電機輸送到用戶，而智慧電網(wǎng)利用實時監(jiān)控設備最大程度減少中斷。 

它們可自動檢測問題，就輸電線路中的問題作出即時響應，并將易出錯鏈路與主電源網(wǎng)絡準確隔離。智慧電網(wǎng)的通信與測量技術(shù)可通過智能設備告知數(shù)據(jù)中心其所在地區(qū)什么時候電力需量大，在動態(tài)定價時代具有巨大優(yōu)勢。 

智慧電網(wǎng)也可促進可再生能源與分散式發(fā)電之間的深入融合。另外，借助綜合監(jiān)測與控制，智慧電網(wǎng)可解決可再生能源波動的問題，維持電網(wǎng)中一致、穩(wěn)定的電力流。 

數(shù)據(jù)中心經(jīng)營者不僅可從電網(wǎng)獲得清潔電力，也可自己安裝可再生能源發(fā)電機，提供臨時供電。發(fā)電機與用電設備可實時交互，提供有效工具，以便接收經(jīng)濟電力供應或應急減載信號。 

結(jié)論

數(shù)據(jù)中心用電量占全世界用電量的大約百分之二。今天的數(shù)據(jù)中心每年要消耗 416 太瓦時電力，它支持不斷增長的信息及通信技術(shù)行業(yè)，碳足跡與航空業(yè)不相上下。如果加密貨幣使用和 5G 技術(shù)發(fā)展達到預期的普及程度，能耗將成指數(shù)遞增。 

要管理這種激增，數(shù)據(jù)中心需要提高其能效。管理 IT 設備能效與合理利用資源一樣有前景。通過使用更好的軟件與硬件，不僅降低能耗，也增大設備的實際計算輸出，這是在追求更好 PUE值的過程中經(jīng)常被忽視的一個因素。 

另一個很有前景的領(lǐng)域是冷卻基礎(chǔ)設施調(diào)整。當機架密度越來越大，未來可能更多地使用液體冷卻技術(shù)。同時，通過簡單的設備重構(gòu)以及更好的設備管理，利用現(xiàn)代設備的更優(yōu)耐熱性，無需增加硬件投資。 

更高效的 UPS 與 PSU 與能夠在更高電壓下運行的設備組合，幫助數(shù)據(jù)中心降低其能耗。通過廣泛采用智慧電網(wǎng)技術(shù)以及使用現(xiàn)場可再生能源發(fā)電，他們也能夠更有效地管理電能。我們正在走向未來，而數(shù)據(jù)中心不僅僅是消費者，也是電網(wǎng)的貢獻者。

來源：網(wǎng)絡

本文標題：數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)節(jié)能降耗的十種措施

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