全面了解數(shù)據(jù)中心的能源消耗
IT設(shè)備使用的電力最終會轉(zhuǎn)化為熱量，數(shù)據(jù)中心必須通過使用同樣消耗能源的冷卻設(shè)備來去除熱量。
將數(shù)據(jù)中心想象成互聯(lián)網(wǎng)的大腦——處理、存儲和傳輸所有的數(shù)據(jù)，從社交媒體到科學(xué)計算。
為此，數(shù)據(jù)中心使用各種IT設(shè)備，所有這些設(shè)備都需要消耗大量能源。例如，服務(wù)器執(zhí)行計算并提供響應(yīng)信息請求的邏輯，存儲驅(qū)動器保存滿足每個請求所需的數(shù)據(jù)和文件，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過將整個數(shù)據(jù)中心連接到互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)辦輸入和輸出數(shù)據(jù)流。
這些IT設(shè)備使用的電力最終會轉(zhuǎn)化為熱量，數(shù)據(jù)中心必須通過使用同樣消耗能源的冷卻設(shè)備來去除熱量。
01當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的能源消耗統(tǒng)計
根據(jù)Forbes2017年發(fā)布的一份報告，當(dāng)年僅美國的數(shù)據(jù)中心就使用了900多億千瓦時的電力。如此多的能源將需要34個大型燃煤電廠，每個電廠至少產(chǎn)生500兆瓦的電力，才能滿足上述數(shù)據(jù)中心的電力需求。然而，與全球范圍內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)中心所需的電量相比，這一數(shù)字相形見絀。全球數(shù)據(jù)中心需要416太瓦的電力，約占地球上所有發(fā)電量的3%。這已經(jīng)是一個巨大的電力，并且隨著每年運(yùn)營的數(shù)據(jù)中心數(shù)量的增加，電力需求只會隨著時間的推移而增加。
鑒于世界上80%的能源仍然來自化石燃料，不斷增長的電力需求已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。好在，這個問題得到許多數(shù)據(jù)中心提供商的注意，他們致力于尋找解決方案來滿足消費(fèi)者的電力需求，同時將能源使用保持在高效和合理的水平?？偟膩碚f，數(shù)據(jù)中心現(xiàn)在的電力使用效率比幾年前要高得多，正如其電力使用效率(PUE)分?jǐn)?shù)所證明的那樣。然而，總是有新的改進(jìn)方法，特別是因為大多數(shù)效率變化被認(rèn)為是相對“容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)”。是時候讓數(shù)據(jù)中心向高效能源消耗領(lǐng)域邁出新的一步了。
02數(shù)據(jù)中心的電力使用
平均而言，冷卻系統(tǒng)和服務(wù)器占數(shù)據(jù)中心能源消耗的大部分，其次是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲驅(qū)動器。
根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，擁有數(shù)萬臺設(shè)備的最大數(shù)據(jù)中心需要超過100兆瓦的電力，足以為大約80,000戶家庭供電。
隨著互聯(lián)網(wǎng)使用量的增加，對數(shù)據(jù)中心服務(wù)的需求也在增加，引發(fā)了人們的擔(dān)憂。
關(guān)于不斷增長的能源使用。根據(jù)這項研究，從2010年到2018年，全球IP流量增長了10倍，而數(shù)據(jù)中心存儲容量增長了25倍。在同一時期，全球服務(wù)器上運(yùn)行的計算實(shí)例總數(shù)增加了六倍多。
隨著世界不斷消耗越來越多的數(shù)據(jù)，預(yù)計這些增長趨勢將繼續(xù)下去。此外，隨著人工智能等計算密集型服務(wù)的出現(xiàn)，對IT服務(wù)的需求可能會增長得更快。這就是為什么能夠量化和預(yù)測數(shù)據(jù)中心的能源消耗是至關(guān)重要的。
03估算數(shù)據(jù)中心的能源消耗的兩種方法
由于官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)并未針對數(shù)據(jù)中心能源消耗的國家和全球水平進(jìn)行編制，因此必須使用數(shù)學(xué)模型來估算能源使用情況?！白韵露稀钡哪Ｐ涂紤]了數(shù)據(jù)中心安裝的IT設(shè)備和每個設(shè)備的能源使用特征來估算總能源消耗。這種方法不太常見，因為其需要大量的數(shù)據(jù)和時間。
另一方面，基于外推的模型，可以根據(jù)數(shù)據(jù)中心投資和全球IP流量等市場增長指標(biāo)，通過縮放自下而上的值來估算總能源使用量。因為這些模型要簡單得多，所以通常被用來填補(bǔ)零星的自下而上研究留下的空白。
04自下而上和基于外推的模型：結(jié)果
由于市場指標(biāo)增長迅速，外推模型估計數(shù)據(jù)中心能源消耗顯著增加。例如，一項經(jīng)常被引用的外推研究表明，全球數(shù)據(jù)中心的使用自2010年以來翻了一番，并將繼續(xù)迅速上升。這些估計強(qiáng)化了這樣一種普遍看法，即對數(shù)據(jù)的需求增加會導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心能源消耗同樣快速增長。
然而，自下而上的結(jié)果卻表明并非如此。根據(jù)Eric Masanet的研究，從2010年到2018年，全球數(shù)據(jù)中心的能源消耗很可能只增長了6%左右。該數(shù)字是基于近期數(shù)據(jù)集的整合，這為已安裝庫存提供了更好的表征、運(yùn)行特性和數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的整體能源使用。這些結(jié)果與基于外推的估計形成鮮明對比。
05主要影響能源使用變化的三個因素
由于制造商的技術(shù)進(jìn)步，IT設(shè)備的能源效率得到了顯著提高。服務(wù)器虛擬化軟件通過允許多個應(yīng)用在一臺服務(wù)器上運(yùn)行，從而降低托管應(yīng)用的能源消耗。云和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心利用更高效的冷卻系統(tǒng)來最大限度地減少能源消耗。
使用基于外推的方法很難捕獲這三個因素，這就是為什么這些方法顯示的能源消耗比數(shù)據(jù)中心實(shí)際使用的要多。
06數(shù)據(jù)中心能源使用和CO2排放
數(shù)據(jù)中心的能源消耗也引起了對Co2排放的擔(dān)憂。然而，由于缺乏全球數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)及其電力來源的排放強(qiáng)度，估計總排放量尚不現(xiàn)實(shí)。不過，Apple、Google和Switch等企業(yè)開始公開報告這些數(shù)據(jù)，這表明大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商越來越傾向于采購可再生能源。
鑒于對數(shù)據(jù)中心的全球用電量有更多的了解，因此有一個有用的基準(zhǔn)來測試有關(guān)Co2排放量的聲明。下面來看一個示例。
一個經(jīng)常被提及的說法是，全球數(shù)據(jù)中心排放的Co2量與航空業(yè)一樣多——約9.15億噸。全球數(shù)據(jù)中心最近消耗了大約2050億千瓦時。因此，如果這一說法是正確的，其平均排放強(qiáng)度必須約為4.4 kgCo2/kWh?，F(xiàn)在，來看看燃煤發(fā)電廠，這是碳排放量最高的設(shè)施。其排放強(qiáng)度不到該值的1/4——約1 kg Co2/kWh。由于數(shù)據(jù)中心顯然不使用煤炭，尤其是考慮到可再生能源的使用趨勢，因此認(rèn)為數(shù)據(jù)中心的Co2排放量如此之大是不現(xiàn)實(shí)的。
07展望未來：提高數(shù)據(jù)中心的能源消耗效率
由于對IT服務(wù)和計算密集型應(yīng)用的需求不斷增長，存在一種風(fēng)險，即需求將超過能源效率收益。這意味著，為了避免未來能源消耗的急劇增長，對下一代散熱、計算和存儲等節(jié)能技術(shù)的投資將是必要的。分析師應(yīng)該考慮以下幾個關(guān)鍵的優(yōu)先事項:
開發(fā)和共享有關(guān)冷卻和電力系統(tǒng)以及IT設(shè)備的配置、庫存和能源使用特征的可靠數(shù)據(jù)。共享和比較模型以開發(fā)最佳實(shí)踐，以增加對模型輸出的信心。共同努力為人工智能、5G和計算強(qiáng)度增加等新興趨勢開發(fā)更好的實(shí)踐。
在過去的幾十年里，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代社會中越來越重要的組成部分，計算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)成為生活基礎(chǔ)的重要組成部分。隨著這種發(fā)展和其提供的大量優(yōu)勢，也帶來了顯著的缺點(diǎn)，特別是在環(huán)境可持續(xù)性和能源消耗方面。要想成功運(yùn)營，數(shù)據(jù)中心需要優(yōu)先考慮高效的能源使用，并重點(diǎn)開發(fā)降低整體能耗的新方法。
08提高能源使用和效率的16個技巧
對數(shù)據(jù)中心運(yùn)營進(jìn)行大規(guī)模更改以提高能源使用效率可能是一項復(fù)雜、昂貴且耗時的冒險。但改變不一定要極端才能有效，也不需要一下子全部發(fā)生。通過使用以下16種方法，數(shù)據(jù)中心可以快速開始有效地降低其能源消耗，而不會顯著影響其底線。
1、減少對冷卻的依賴
平均而言，數(shù)據(jù)中心使用的大部分電力都用于運(yùn)行冷卻和空調(diào)系統(tǒng)，以將服務(wù)器保持在適當(dāng)?shù)臏囟炔⒎乐惯^熱。通過以多種方式優(yōu)化冷卻操作，可以顯著降低功耗。改善通風(fēng)系統(tǒng)、戰(zhàn)略性地布置設(shè)備、適當(dāng)?shù)馗綦x服務(wù)器機(jī)房，以及創(chuàng)造流線型氣流可以提高冷卻效率。下面將探討一些更具體的示例，但數(shù)據(jù)中心運(yùn)營可以采用的一些額外措施包括：
消除服務(wù)器機(jī)房中不必要的設(shè)備用更節(jié)能和高效的技術(shù)更換傳統(tǒng)的或過時的設(shè)備更換傳統(tǒng)的或過時的冷卻系統(tǒng)，尤其是那些使用了10年以上的系統(tǒng)安裝空氣節(jié)能器系統(tǒng)。
2、試驗溫度
由于保持服務(wù)器機(jī)房，及其設(shè)備足夠涼爽對于服務(wù)器運(yùn)行至關(guān)重要，因此許多管理人員不考慮嘗試為其數(shù)據(jù)中心尋找可能更有效的溫度。他們可能擔(dān)心這樣做會損壞昂貴的設(shè)備，從而導(dǎo)致昂貴的維修或更換費(fèi)用。然而，事實(shí)是，即使將維持溫度降低幾度也可以減少電力消耗，并節(jié)省數(shù)百甚至數(shù)千美元。花時間計算數(shù)據(jù)中心的冷卻需求，然后試驗不同的溫度以找到滿足需求的最佳解決方案。
一些數(shù)據(jù)中心將服務(wù)器和其他設(shè)備排列成通道，所有設(shè)備都面向同一個方向。如果真是這樣，須考慮重新調(diào)整機(jī)器的方向，使通道的服務(wù)器面向彼此，服務(wù)器的背面面向彼此。這種布置將創(chuàng)建冷熱通道，并減少冷熱空氣混合，從而提高服務(wù)器機(jī)房內(nèi)的溫度效率。
4、封閉或容納服務(wù)器機(jī)架
容納或封閉服務(wù)器機(jī)架是防止數(shù)據(jù)中心冷暖空氣混合的另一種方法，這有助于降低對強(qiáng)大冷卻技術(shù)的需求，從而使環(huán)境保持在適當(dāng)?shù)臏囟?。任何可以幫助減少數(shù)據(jù)中心氣候控制所需的電力的方法都是數(shù)據(jù)中心管理人員應(yīng)該認(rèn)真考慮的實(shí)際步驟。
5、利用一般的氣流改進(jìn)方法
數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商應(yīng)研究溫度和氣流的一般改進(jìn)方法并考慮采用。例如，通過安裝專門的冷卻面板，以降低服務(wù)器入口空氣的溫度，同時提高返回計算機(jī)機(jī)房空調(diào)(CRAC)的空氣的溫度。這有助于顯著提高設(shè)備的運(yùn)行效率，同時減少對氣候控制專用電力的需求。
6、投資使用變速風(fēng)扇驅(qū)動器改造空調(diào)設(shè)備
提供專門用于CRAC的改裝套件，通常提供兩年投資回收保證。其允許調(diào)整空調(diào)設(shè)備的風(fēng)扇速度，以適應(yīng)數(shù)據(jù)中心不斷變化的冷卻負(fù)載。
7、安裝空氣側(cè)節(jié)能器
幫助保持服務(wù)器冷卻的最實(shí)用的方法之一是利用外部冷卻空氣并將其引入建筑物?？諝鈧?cè)節(jié)能器可以利用較冷的夜間和冬季空氣溫度，節(jié)省高達(dá)60%的冷卻電力和成本。
8、調(diào)整數(shù)據(jù)中心的濕度
與溫度非常相似，濕度是另一個必須在數(shù)據(jù)中心內(nèi)仔細(xì)維護(hù)的關(guān)鍵因素。濕度太大會產(chǎn)生冷凝，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕、出現(xiàn)電氣故障，并造成重大且昂貴的損失。然而，濕度過低會導(dǎo)致大量靜電荷積聚，一旦發(fā)生放電，就會損壞甚至毀壞設(shè)備。一般規(guī)則是將數(shù)據(jù)中心的相對濕度保持在45%至55%，但具體數(shù)值取決于中心及其設(shè)備的范圍。仔細(xì)試驗數(shù)據(jù)中心的濕度水平，以找到適合服務(wù)器的最佳水平，其可助于節(jié)省日常能源消耗。
9、識別并移除僵尸或昏迷服務(wù)器
“僵尸服務(wù)器”或“昏迷服務(wù)器”是指不再在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營中使用，但繼續(xù)保持供電并消耗不必要的能量的系統(tǒng)。ComputerWorld發(fā)表的一篇文章中的數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)中心中25%的物理服務(wù)器和30%的虛擬服務(wù)器被歸類為僵尸或昏迷。這些系統(tǒng)通常保持運(yùn)行狀態(tài)，因為沒有關(guān)于它們包含什么或它們服務(wù)什么目的的書面記錄，這使得數(shù)據(jù)中心經(jīng)理猶豫將它們退役。
為了防止這種情況，服務(wù)器包含的所有內(nèi)容都應(yīng)該仔細(xì)記錄，并且應(yīng)該使用適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控工具來提供直接監(jiān)督。數(shù)據(jù)中心工作人員應(yīng)該勤奮梳理各種服務(wù)器，以找到仍在運(yùn)行的不必要的僵尸，并將其斷開連接。這樣做可以大大減少電力消耗，提高能源效率。
10、整合所有較少使用的服務(wù)器
盡管需要全功率運(yùn)行，但典型服務(wù)器的平均利用率在5%到15%之間。整合使用較少的服務(wù)器，并刪除不需要的服務(wù)器，從而降低整體功耗。
11、虛擬化服務(wù)器
數(shù)據(jù)中心過去依賴于多個獨(dú)立的物理服務(wù)器，這些服務(wù)器占用大量空間和電力來運(yùn)行其操作。現(xiàn)在可以對這些服務(wù)器進(jìn)行虛擬化和整合，以更高效地運(yùn)行?；〞r間虛擬化數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可以幫助減少10%到40%的能源使用和成本。
12、組織、刪除和改進(jìn)存儲的數(shù)據(jù)
存儲利用率通常占系統(tǒng)功率的30%左右，數(shù)據(jù)中心保留20個或更多相同數(shù)據(jù)的副本并不少見，從而導(dǎo)致存儲空間和功率的浪費(fèi)。定位并刪除不必要的多余存儲數(shù)據(jù)，從而為其他設(shè)備釋放空間和能量。
13、投資更節(jié)能的技術(shù)
傳統(tǒng)的服務(wù)器和技術(shù)遠(yuǎn)不如新型號的節(jié)能。如果數(shù)據(jù)中心真正致力于降低其電力使用，則需要投資購買一些新設(shè)備?？紤]購買符合“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器，其可以比其他傳統(tǒng)服務(wù)器節(jié)省多達(dá)30%的能源。
14、減少或優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的空間
這一點(diǎn)基本上與上面的第11點(diǎn)密切相關(guān)，因為虛擬化服務(wù)器可能是減少數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行所需空間的絕佳方式。需要的物理服務(wù)器越少，需要的空間就越少，則需要投入的電力就越少。這使得數(shù)據(jù)中心可以顯著縮小規(guī)模，同時減少整體能源使用，從長遠(yuǎn)來看，這反過來又可以節(jié)省大量資金。
15、同步服務(wù)器容量和設(shè)備負(fù)載
當(dāng)需求較低時，新的和更新的配置會浪費(fèi)數(shù)據(jù)中心的電力和資源。因此，只有匹配服務(wù)器容量和活動硬件以滿足實(shí)時需求才是合乎邏輯的。適當(dāng)?shù)牟呗院鸵?guī)劃，以及管理和監(jiān)控工具的協(xié)助，可以使數(shù)據(jù)中心工作人員將這兩個要素相匹配，以創(chuàng)建一個更高效、更精簡的系統(tǒng)，而不會浪費(fèi)不必要的電力。
16、發(fā)展更強(qiáng)大、更可靠的供應(yīng)商合作伙伴關(guān)系
尋找高效的能源供應(yīng)商并與之合作，可以節(jié)省大量資金，并幫助數(shù)據(jù)中心大幅提高其能源使用的整體效率。如果當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)商沒有竭盡全力幫助優(yōu)化使用，那么是時候開始尋找其他優(yōu)質(zhì)能源供應(yīng)商了。
09數(shù)據(jù)中心中消耗能源最多的是什么？
數(shù)據(jù)中心通常使用大量能源來維護(hù)其服務(wù)器。平均每平方米消耗約1,000千瓦時。這大約是典型美國家庭耗電量的十倍。最常見的數(shù)據(jù)中心設(shè)備是服務(wù)器機(jī)架，其使用大量能源來維護(hù)和冷卻其組件。數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的效率也相對較低，能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的70%。
數(shù)據(jù)中心最大的能耗者是服務(wù)器和冷卻系統(tǒng)，其需要不斷維護(hù)以保持平穩(wěn)高效地運(yùn)行。但其也有一些是傳統(tǒng)的服務(wù)器和設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)通信工具，往往會造成大量的消耗。
10數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生多少熱量？
數(shù)據(jù)中心用于進(jìn)行大規(guī)模計算，是許多大企業(yè)的命脈。其會產(chǎn)生大量熱量，因此安裝了冷卻系統(tǒng)以保持最佳工作溫度。通常，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱通道溫度范圍在85到115華氏度左右。數(shù)據(jù)中心在適宜的溫度下茁壯成長，因此需要充分利用為其產(chǎn)生的熱量以使其高效工作。
11一臺服務(wù)器使用多少千瓦時？
由于服務(wù)器的工作量和需求，這會有很多變化。年均用電量可能在1800至1900千瓦時左右。
12為什么數(shù)據(jù)中心會消耗如此多的能源？
數(shù)據(jù)中心往往會消耗大量能源，因為其必須同時提供許多服務(wù)和支持。此外，許多數(shù)據(jù)中心位于炎熱潮濕的地方，空氣質(zhì)量較低，使設(shè)施面臨暖通空調(diào)故障、設(shè)備退化和停電等問題的額外風(fēng)險。所有這些都必須考慮到數(shù)據(jù)存儲。
但要記住，數(shù)據(jù)中心是靠電力運(yùn)行的。其所有的設(shè)備都靠電力運(yùn)行。服務(wù)器和其他設(shè)備在產(chǎn)生時會變得非常熱，因此冷卻系統(tǒng)需要電力運(yùn)行來冷卻空間。
13數(shù)據(jù)中心在全球使用了多少能源？
數(shù)據(jù)中心是用于容納和管理大量數(shù)據(jù)和計算機(jī)設(shè)備的大型建筑物。其面積從數(shù)百平方英尺到數(shù)百萬平方英尺不等。其消耗大量能源，但全球總數(shù)據(jù)傳輸預(yù)計只會在未來幾年呈指數(shù)級增長。據(jù)估計，在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸可消耗260至340TWh的電量，或約占全球用電量的1%至1.4%。
14數(shù)據(jù)中心每平方英尺使用多少電力？
一般來說，這可能會有所不同。然而，典型的功率密度大約為每平方英尺150瓦。但也可以高達(dá)300瓦。
15為什么數(shù)據(jù)中心需要電池？
為了使設(shè)施中的數(shù)據(jù)中心保持冷卻，電池是必不可少的。因此，一個重要的數(shù)據(jù)中心趨勢將是電池使用。電池是一種存儲能量的設(shè)備，可以釋放能量為數(shù)據(jù)中心的各個組件獨(dú)立供電，而無需使用任何現(xiàn)成的電源。數(shù)據(jù)中心需要大量電力，并且需要有足夠的電力供整個房間的機(jī)柜使用。
總而言之，雖然上述的解決方案并非能滿足所有人的特定需求，但至少應(yīng)該有一些有參考價值。不妨先在數(shù)據(jù)中心實(shí)施這些想法，以優(yōu)化電力使用和能源效率。
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