文｜艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 傅烈虎 和小偉 丁麒鋼 曹 播

綠色節(jié)能是數(shù)據(jù)中心的一個發(fā)展趨勢，自從Green Grid（綠色網(wǎng)格組織）提出用PUE指標來衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能情況以來，在業(yè)界的應(yīng)用十分廣泛。用以Power定義的PUE來衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能情況合理？PUE達到1.6的數(shù)據(jù)中心就一定節(jié)能？筆者認為，只有將時間納入PUE的定義中計算出來的結(jié)果才具有實際意義，并提出了基于動態(tài)部分負荷工況下的WAPUE的概念，給出了其計算公式。

1 Power和Energy

1.1 物理概念

Power和Energy是兩個與能量有關(guān)的物理概念。Power表征了滿負荷工況下單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)中心整體能耗大??；Energy表征的是一定時間周期內(nèi)數(shù)據(jù)中心整體能耗的多少。從這層物理意義上講換句話說，Power是一個狀態(tài)量，描述的是一個“點”特征；而Energy是一個過程量，表達的是一個“線”特征?！包c”動成“線”，從數(shù)學(xué)意義上說，Energy就是一系列Power點組成的曲線，如圖1所示。

圖1 功率與電量的關(guān)系

1.2 成本投資

對數(shù)據(jù)中心的設(shè)計而言，Power一般取系統(tǒng)的峰值，數(shù)據(jù)中心的電力系統(tǒng)將會按照這個峰值功率來設(shè)計，如果考慮未來的擴容需求，這個峰值功率取值會更大。由此看出，Power決定了一個數(shù)據(jù)中心的初期投資成本的大小，同時這個峰值功率允許客戶根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)中心分期投資建設(shè)，延緩高額投資的周期。Power的“點”特征決定了它在數(shù)據(jù)中心的生命周期內(nèi)不會受到實際設(shè)備動態(tài)負荷的影響，它在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計初期就已經(jīng)是一個確定的量。

而Energy的大小在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)初期是無法確定的，這也是它作為一個過程量的具體表現(xiàn)。正是由于Energy的這種“線”特征決定了它會影響數(shù)據(jù)中心的運行成本。一般IT運維人員對Energy比較關(guān)注，并且Energy會隨實際設(shè)備的動態(tài)負荷的變化而變化。比如：通信公司的數(shù)據(jù)中心，白天的話務(wù)量會比黑夜的話務(wù)量多，周末的話務(wù)量沒有工作日的多，在話務(wù)量比較低的時候服務(wù)器可以采用休眠功能來降低Energy；對于機房環(huán)境而言，特別是北方晝夜溫差比較大的地區(qū)，建筑物結(jié)構(gòu)傳熱負荷白天和晚上會不一樣，夏季和冬天也會不同，在室外氣溫比較低的時候可以采用室外冷源實現(xiàn)自然冷卻來減小Energy的消耗。這些差異和變化都會影響Energy的大小，從而也就影響了數(shù)據(jù)中心一定周期內(nèi)的運行成本。

2 傳統(tǒng)PUE的概念

傳統(tǒng)PUE的概念由Green Grid首次提出，并定義如下：

式中：數(shù)據(jù)中心總功率為供配電功率、制冷系統(tǒng)功率和IT設(shè)備總功率之和；IT設(shè)備總功率包括計算單元功率和風(fēng)扇功率。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的電能流向圖（見圖2所示），用兩塊功率表放在A和B處，即可計算瞬時PUE的大?。?/p>

式中，Power-A即為數(shù)據(jù)中心總功率，數(shù)據(jù)中心總功率可用一塊功率表在圖2中的A點測量獲得；Power-B即為IT設(shè)備總功率，IT設(shè)備總功率可用一塊功率表在圖2中的B點測量獲得。

圖2 數(shù)據(jù)中心電能流向圖

筆者之所以把上述PUE稱為瞬時PUE是因為它并沒有引入時間概念，或可以認為當時Green Grid是在假定數(shù)據(jù)中心的負荷處于穩(wěn)態(tài)情況下提出PUE的概念。以Power來定義PUE只能反映在滿負荷的穩(wěn)態(tài)情況下數(shù)據(jù)中心節(jié)能指標的大小，不具有普遍意義，因為實際的數(shù)據(jù)中心內(nèi)負荷變化是相當復(fù)雜的，以某一個特定工況的PUE來表征數(shù)據(jù)中心一定周期內(nèi)的能耗指標是不合適的，具有片面性。動態(tài)變化的負荷會導(dǎo)致出現(xiàn)動態(tài)的PUE。因此，筆者認為有必要全面審視數(shù)據(jù)中心的能耗指標，在引入時間因子的前提下提出基于動態(tài)部分負荷的以Energy來定義PUE的觀點。

3 WAPUE的定義與計算

Weighted Average Power Usage Effectiveness（加權(quán)平均能量使用效率）簡稱WAPUE，即為加權(quán)平均PUE。WAPUE的概念與PUE的概念極為相似，定義如下：

式中，∫PowerDCdt為數(shù)據(jù)中心總電量，可用一塊電度表在圖2中的A點在一定周期內(nèi)測量獲得；∫PowerITdt即為IT設(shè)備總功率，可用一塊電度表在圖2中的B點在一定周期內(nèi)測量獲得。

從上述定義可以看出，WAPUE與PUE的顯著區(qū)別就在于引入了時間因子，反映在數(shù)據(jù)中心電能流向圖上A和B處放置兩個電度表，即可測量并計算WAPUE。但是，在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計與咨詢的早期要確定WAPUE是沒有辦法用電度表去測量的。測量的方法對我們以一個典型的數(shù)據(jù)中心進行PUE或者WAPUE研究，并指導(dǎo)我們確定TA、TB、TC、TD……等大小最為有效。

式中，PUEA為TA時間段內(nèi)的平均PUE；PUEB為TB時間段內(nèi)的平均PUE；PUEC為TC時間段內(nèi)的平均PUE；PUED為TD時間段內(nèi)的平均PUE；依次類推。

通過公式（3）計算WAPUE是非常復(fù)雜的，利用數(shù)學(xué)積分的思想，“化曲為直，以直代曲”，將由Power曲線包圍的面積轉(zhuǎn)化為由一系列穩(wěn)態(tài)Power矩形面積的總和（如圖3所示），亦即將一段周期內(nèi)的計算簡化為以某幾個典型特征工況下的穩(wěn)態(tài)PUE的計算。由公式（4）可以看出，WAPUE實質(zhì)上是一系列穩(wěn)態(tài)工況下PUE的算術(shù)加權(quán)平均值。

圖3 動態(tài)PUE

確定了TA、TB、TC、TD等的具體大小，就等于是確定了每個工況下PUE的加權(quán)因子，即可計算出加權(quán)平均PUE的大小。目前，加權(quán)平均PUE的概念國內(nèi)外鮮有報道，其重要意義還不為人們所理解。筆者認為，今后同行們所做的工作一個重要方向應(yīng)該是確定符合我國的國情的每個工況下的PUE權(quán)重，從而獲得最終的WAPUE的表達式并使之在數(shù)據(jù)中心具有普適性，并上升為一條衡量數(shù)據(jù)節(jié)能大小的國家標準。

4 WAPUE的進一步深化

綠色網(wǎng)格組織（Green Grid）提出PUE大于1，且大于1的部分由供電因子（PLF）和制冷因子（CLF）兩組分組成，即：

同理，動態(tài)數(shù)據(jù)中心的加權(quán)平均PUE（WAPUE）中大于1的部分亦可由加權(quán)平均供電因子（WAPLF）和加權(quán)平均制冷因子（WACLF）兩部分組成，且其定義如下：

式中，PLFA為TA時間段內(nèi)的平均供電因子PLF；PLFB為TB時間段內(nèi)的平均供電因子PLF；PLFC為TC時間段內(nèi)的平均供電因子PLF；PLFD為TD時間段內(nèi)的平均供電因子PLF；依次類推。

式中，CLFA為TA時間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；CLFB為TB時間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；CLFC為TC時間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；CLFD為TD時間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；依次類推。

公式（6）的意義在于將WAPUE進行了分解細化，把對整個系統(tǒng)的能耗研究轉(zhuǎn)化為各個子系統(tǒng)的能耗研究，有利于更加清晰的認識各個子系統(tǒng)的動態(tài)耗能情況。

5 計算實例

以一年8760小時為一個周期，數(shù)據(jù)中心的動態(tài)部分負荷簡化為4個穩(wěn)態(tài)工況：A、B、C、D。4個穩(wěn)態(tài)工況下PUE值分別為PUEA=1.8，其中PLFA=0.2，CLFA=0.6；PUEB=2.2，其 中PLFB=0.3，CLFB=0.9；PUEC=1.9，其 中PLFC=0.25，CLFC=0.65；PUED=1.7，其中PLFD=0.15，CLFD=0.55。這4個穩(wěn)態(tài)工況的持續(xù)時間分別為TA=2000小時，TB=1600小時，TC=2800小時，TD=2360小時，則根據(jù)公式（4），WAPUE計算如下：

WAPUE＝（1.8×2000+2.2×1600+1.9×2800+1.7×2360）/8760＝1.88

或者根據(jù)公式（6）、（7）、（8），WAPLF、WACLF和WAPUE分別計算如下：

WAPLF＝（0.2×2000+0.3×1600+0.25×2800+0.15×2360）/8760＝0.22

WACLF＝（0.6×2000+0,9×1600+0.65×2800+0.55×2360）/8760＝0.66

WAPUE＝1+0.22+0.66＝1.88

由圖4～6可以看到，對于一個數(shù)據(jù)中心而言，用A、B、C、D四個工況下的任何一個PUE值來代表數(shù)據(jù)中心一個完整周期內(nèi)的PUE值都是不恰當?shù)?。這些PUE值是動態(tài)變化的，它們隨著時間的推移、負荷的變化而忽大忽小的變化著。這就使得用傳統(tǒng)的PUE值來衡量并判定數(shù)據(jù)中心節(jié)能與否具有宏觀的局限性。只有對一個個動態(tài)PUE進行算術(shù)加權(quán)平均后獲得的WAPUE值才能作為衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能尺度，成為判定數(shù)據(jù)中心節(jié)能大小的普適指標，具有客觀的實際意義。

圖4 不同工況下的PLF與WAPLF對比

圖5 不同工況下的CLF與WCPLF對比

圖6 不同工況下的PUE與WAPUE對比

6 結(jié)束語

（1）Power和Energy是兩個不同的物理概念，前者決定了數(shù)據(jù)中心的初期投資成本，后者決定了數(shù)據(jù)中心的運行成本。

（2）PUE作為衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能指標具有一定的片面性，用引入時間因子后基于動態(tài)部分負荷工況下的WAPUE來衡量實際數(shù)據(jù)中心的節(jié)能指標更具有指導(dǎo)意義。

（3）WAPUE的計算關(guān)鍵在于加權(quán)因子的確定，提出一個明確的WAPUE的計算公式，使加權(quán)因子具有普適性，就等于占領(lǐng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面的全新理念的一個制高點。