馬澤生，徐靜保

（淮河水利委員會水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟社會的不斷進步、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和水利事業(yè)的全面推進，水利信息化逐步深入。特別是 2003年第1次全國水利信息化工作會議以來，全國水利系統(tǒng)堅持以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化，緊緊圍繞水利中心工作，認真組織實施全國水利信息化規(guī)劃，初步形成了由基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用系統(tǒng)和保障環(huán)境組成的水利信息化綜合體系，有力推動了傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變。

水利數(shù)據(jù)中心是水利信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，對于開發(fā)信息資源，實現(xiàn)資源整合，促進信息共享，提供信息服務(wù)，支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用，不斷提升水利信息化水平和效益具有核心作用[1]。作為水利部確定的水利信息化近期8大重點工程之一，順利推進和實施水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)也是當前和今后一段時期水利信息化建設(shè)的重要任務(wù)。

與此同時，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為當今社會人們共同關(guān)注的焦點，綠色低碳、節(jié)能降耗已成為關(guān)系到國計民生、國家安全、國際競爭力、資源和環(huán)境保護等的重大問題。其中，數(shù)據(jù)中心節(jié)能一直是節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備數(shù)量快速增長，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心能耗需求的增長速度遠高于其它領(lǐng)域。那么，目前低碳能效型數(shù)據(jù)中心有哪些含義？如何規(guī)劃與建設(shè)？需要哪些核心的技術(shù)？如何衡量是否成功？需要進行一些討論和探索。

1 低碳能效型水利數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵

根據(jù) TIA/EIA-942數(shù)據(jù)中心標準，典型的數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)中心樓宇與機房、環(huán)境與安保監(jiān)控系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與綜合布線、服務(wù)器與存儲基礎(chǔ)設(shè)施、安全系統(tǒng)等組成部分[2]。有關(guān)水利數(shù)據(jù)中心的具體內(nèi)容和基本技術(shù)要求，在已經(jīng)發(fā)布的《水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)指導(dǎo)意見》和《國家水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)基本技術(shù)要求》等文件當中已有詳細說明，下面主要從如何綜合考慮數(shù)據(jù)中心低碳、能效的層面展開分析和討論。

從業(yè)務(wù)部門的角度來看，數(shù)據(jù)中心需要能夠保障業(yè)務(wù)的連續(xù)運行，適應(yīng)業(yè)務(wù)變化，促進業(yè)務(wù)創(chuàng)新，符合法規(guī)制度的要求。從信息系統(tǒng)管理運維部門的角度來看，數(shù)據(jù)中心是否能夠安全可靠地提供服務(wù)、系統(tǒng)利用率如何，如何降低運維成本，提高投入回報和運行效益，簡化運維管理是主要問題。

因此，數(shù)據(jù)中心的整體規(guī)劃應(yīng)當針對水利事業(yè)發(fā)展的需求，不僅要做好針對單個應(yīng)用的項目規(guī)劃，更需要針對整體的應(yīng)用需求來規(guī)劃。在整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上把信息、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲等資源進行整合并提供共享機制。業(yè)務(wù)應(yīng)用根據(jù)各自的需求，隨時可以得到資源配置，整個配置和部署的過程能夠自動實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)資源的共享，才能實現(xiàn)按需供應(yīng)，這樣配置好1個應(yīng)用系統(tǒng)之后，計算、存儲資源等才能夠被高效的利用，不同系統(tǒng)之間才能實現(xiàn)互相調(diào)用，實現(xiàn)自動化動態(tài)管理以后才能建立面向服務(wù)的數(shù)據(jù)中心[3]。這樣，數(shù)據(jù)中心就更具有彈性和可擴展性，具備面向服務(wù)，按需配置，自動化動態(tài)管理的特點，能夠更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用和技術(shù)的不斷發(fā)展。

在規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心面臨的諸多問題面前，對于“綠色環(huán)保、低碳能效”的認識存在不足是較為普遍的現(xiàn)象。通常只是重點關(guān)注數(shù)據(jù)中心的處理能力要多少，磁盤陣列要多大，網(wǎng)絡(luò)怎么規(guī)劃，UPS 如何配置等等。而對其能耗、空調(diào)、環(huán)保設(shè)計還缺乏認識，或者根本沒有把節(jié)能、降耗、運營成本等進行綜合考慮。實際上，技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得計算能力成為一種一般商品，而電力卻從以往的一般商品上升為焦點。

節(jié)能減排是國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略決策，需要加大力度提高對建設(shè)低碳能效型數(shù)據(jù)中心的認識。因此，降低能耗，節(jié)省空間，提高網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲設(shè)備等的利用率，動態(tài)智能化監(jiān)控管理，限制使用有害物質(zhì)，減少噪音等措施的綜合運用可以作為綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的基本內(nèi)涵[4]。其關(guān)鍵要素應(yīng)當包括業(yè)務(wù)連續(xù)、成本降低、性能提升、管理智能、安全可信、綠色環(huán)保等幾個方面。設(shè)計原則應(yīng)當做到標準化與簡易化、模塊化與集成化、節(jié)能與節(jié)省空間、高性能與高可用性等[2]。

2 現(xiàn)狀評估與分析

首先，需要對數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)狀作一個全面的了解，對其進行相應(yīng)的成熟度評估。在評估的基礎(chǔ)上，再根據(jù)自身需要，結(jié)合實際開展后續(xù)工作。

資料顯示，在數(shù)據(jù)中心所有的用電量當中，冷卻系統(tǒng)消耗33%，機房空調(diào)消耗9%，濕度消耗3%，PDU 消耗5%，UPS 消耗18%，照明、發(fā)電等消耗2%，實際上只有30% 左右的電量是提供給關(guān)鍵的 IT 設(shè)備，而70% 都被消耗掉[5]。典型的數(shù)據(jù)中心能耗分布及資源利用情況如圖1所示[3]。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布及資源利用情況

通過分析數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成，不僅可以在服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)通信、供電及制冷設(shè)備等方面進行節(jié)能，還可以在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃和建設(shè)，設(shè)備優(yōu)化和管理、充分利用自然氣候條件等方面采取一些行之有效的措施。

3 技術(shù)與最佳實踐

3.1 冷卻系統(tǒng)節(jié)能

充分利用自然冷卻方式。冷卻系統(tǒng)可以在冬季利用室外的冷空氣，減少通過空調(diào)制冷的需求，減少用電量，同時減少對空調(diào)壓縮機的損耗。這一點，我國大部分地區(qū)都具備實施條件。

由于高密度設(shè)備的使用，產(chǎn)生了機房局部高熱密度現(xiàn)象。針對這一問題，可以采用機房高熱密度制冷解決方案，例如采用支持 RDHX（背板熱量交換器）的制冷系統(tǒng)。對于普通服務(wù)器和刀片式機柜，RDHX 可從每個機柜上帶走最高20kW 的熱量。

適當調(diào)高數(shù)據(jù)中心的工作溫度。事實上，服務(wù)器等設(shè)備對數(shù)據(jù)中心環(huán)境的要求并非特別苛刻。主流品牌服務(wù)器要求的工作溫度多在 10～35℃ 之間，濕度多在20%～80% 之間[6]。因此，可以適當調(diào)高數(shù)據(jù)中心的工作溫度來達到節(jié)能的目的。

面積較大的數(shù)據(jù)中心可以考慮采用水冷方式散熱。水冷系統(tǒng)通過精確、高效的熱量交換，可減低至少80% 散發(fā)到機房里的熱量，單機最大總制冷能力達到120或150kW，從而減少設(shè)備負荷。

3.2 合理設(shè)計氣流通道

考慮解決不斷增加的設(shè)備散熱問題時，不要僅僅考慮簡單增加空調(diào)功率。實際上，采用科學合理的冷熱氣流通道設(shè)計是一種行之有效的方法。

建立相互隔離的冷熱通道，避免冷熱空氣相遇混合。機柜面對面形成冷風通道，背對背布置形成熱風通道。冷通道布置風口地板，所有冷風在這里從地板下吹出來，送到服務(wù)器的正面，經(jīng)過服務(wù)器后的熱空氣來到熱通道，然后傳輸?shù)教旎ò宓臒犸L口，最后經(jīng)天花板上面的空間送到空調(diào)的回風口。下送風、上回風方式符合高溫氣體在上、低溫氣體在下的溫度自然分布規(guī)律，提高冷風的利用率。這種方式所需送風量小，其達到的送回風溫差比上送風方式，可節(jié)能20%～30%[3]。設(shè)計的冷熱空氣流通示意圖如圖2所示，冷熱氣流通道設(shè)計示意圖如圖3所示。

圖2 冷熱空氣流通示意圖

圖3 冷熱氣流通道設(shè)計示意圖

整理清除地板下阻礙送風的物件，適當提高地板高度，減少空調(diào)冷風傳送過程中的阻力。所以，線纜采用頂部走線的方式也具有一定的節(jié)能作用。

注意封閉機架內(nèi)、機架間減，機架底部的空隙。如采用氣流管理擋板，線纜出入口使用墊圈密封等措施，費用很少，卻能有效減少冷通道和熱通道交流。

3.3 供電和 UPS 系統(tǒng)節(jié)能

精確規(guī)劃計算供電功率，改造機房供電電源。交流電轉(zhuǎn)化為直流電的效率一般為60%～65%，以外的能耗大多直接變成熱量散出[3]。相對而言，直流供電在供電可靠性、電磁兼容性、能效比等方面有一定的優(yōu)勢，可以考慮逐步采用設(shè)備直流供電的方式。

減小 UPS 體積，保持 UPS 較高的負載率。一般情況下 UPS 的效率和負載功率是成正比的，采用模塊化 UPS，可以按照負載的增加而增加，從而保持了 UPS 的高負載率，達到節(jié)能目的。

采用無變壓器的 UPS 設(shè)備。傳統(tǒng) UPS 的整機效率只有75%～85%，但采用無變壓器的機型，效率可提升至90% 以上。

3.4 采用高效節(jié)能型服務(wù)器設(shè)備

作為服務(wù)器的核心，CPU 芯片的能耗所占比例是最高的。在滿足計算能力要求的前提下，選擇可以動態(tài)調(diào)節(jié) CPU 運算頻率、具備電源管理功能、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和風扇設(shè)計的節(jié)能型服務(wù)器硬件。

考慮引進刀片式架構(gòu)，同樣的處理能力，刀片式服務(wù)器更能有效利用機架空間，具有更低的耗電量和散熱量，可實現(xiàn)20%～44% 的能源節(jié)省。

3.5 通過整合服務(wù)器和存儲系統(tǒng)節(jié)能

一方面提高單位空間的計算能力，另一方面要整合計算節(jié)點，做到一機多用，充分利用空閑的計算資源，從而節(jié)省計算節(jié)點的數(shù)量；對于存儲節(jié)點而言，就要從根本上減少存儲空間的需求。只有減少存儲空間的需求，才能減少存儲設(shè)備的數(shù)量，從而達到節(jié)能、少占用空間的目的。基于同樣的原因，在減少交換機和 KVM 的數(shù)量方面也需要仔細衡量。經(jīng)過整合，不僅提高了設(shè)備利用率，而且對場地、電力、制冷的要求也隨之下降。

服務(wù)器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施資源可以通過虛擬化技術(shù)進行整合，形成共享基礎(chǔ)設(shè)施的資源池，然后，共享資源池中的資源可按照每一應(yīng)用系統(tǒng)的需求被初始化分配與快速部署。隨后，在應(yīng)用系統(tǒng)運行中，通過自動化資源管理工具，按照服務(wù)等級協(xié)議，對共享基礎(chǔ)設(shè)施資源實施再分配，實現(xiàn)動態(tài)資源按需供應(yīng)。服務(wù)器整合后，在性能相同的前提下，其平均利用率可以提高至80%～90%[3]。在考慮存儲系統(tǒng)整合時采用數(shù)據(jù)分層、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和壓縮存儲技術(shù)，以實現(xiàn)一數(shù)多用，提高空間高利用率。同時充分利用磁盤存儲，減少磁帶的使用。

3.6 采用動態(tài)智能的基礎(chǔ)架構(gòu)管理系統(tǒng)

利用傳感器等設(shè)備，實時監(jiān)測與計量設(shè)備運行狀態(tài)，通過基礎(chǔ)架構(gòu)管理系統(tǒng)對收集和匯總的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)負載和能耗情況，及時調(diào)整、控制設(shè)備運行，持續(xù)改進和優(yōu)化數(shù)據(jù)中心運行效率[3]。

通過服務(wù)器能源管理系統(tǒng)，檢測能源需求，限制用電量，讓服務(wù)器處于節(jié)電模式下。針對高負荷機柜采用動態(tài)智能散熱方案，動態(tài)監(jiān)測機柜內(nèi)部的溫度和濕度，通過調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備制冷，根據(jù)散熱需求，動態(tài)提供冷卻氣流。對任務(wù)進行實時動態(tài)的調(diào)度，將部分低優(yōu)先級任務(wù)推遲到非高峰能源使用的時間。

此外，對于數(shù)據(jù)中心內(nèi)各類設(shè)備的管理，盡可能采用遠程管理的方式，減少人員進入數(shù)據(jù)中心的頻率，一方面可以降低數(shù)據(jù)中心環(huán)境和設(shè)備對人員健康的負面影響，同時減少對數(shù)據(jù)中心溫濕度平衡狀態(tài)的破壞，從而達到節(jié)省能耗的目的。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心各種設(shè)備運行和基礎(chǔ)設(shè)施緊密關(guān)聯(lián)，低碳能效型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)涉及到信息和其它技術(shù)的結(jié)合，需要從整體進行節(jié)能規(guī)劃，在每個設(shè)備和環(huán)節(jié)上一點一滴積累；需要采用創(chuàng)新的方式改造數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施，從靜態(tài)、孤立和集中的架構(gòu)過渡到動態(tài)、靈活和模塊化的架構(gòu)。通過各種努力，力爭做到減少浪費，物盡其用，使數(shù)據(jù)中心從成本中心轉(zhuǎn)化為服務(wù)、效益中心。

[1] 莫渭濃.水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)初探[J].中國水利，2002（8）.http://datacenter.chinabyte.com/113/8579613.shtml,2008.

[2] 朱偉雄，王德安，蔡建華.新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)理論與實踐.北京：人民郵電出版社，2009: 31-33.

[3] IBM公司.新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)[EB/OL].[2010-07-10]http://www.wenku.baidu.com/view/f9422a3b580216fc700afdco.html.

[4] 杜成章，楊東.任重而道遠 綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)概述[EB/OL].[ ]2010-07-10]http://e.chinabyte.com/347/8260847.shtml.

[5] 網(wǎng)界網(wǎng).新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)理念的借鑒[EB/OL].[ ]2010-07-10]http://www.stor-age.com/server/2008/1127/1255215.shtml,2008.

[6] 蒙克.建設(shè)新一代數(shù)據(jù)中心世紀互聯(lián)的綠色實踐[EB/OL].[ ]2010-07-10]http://www.cio360.net/h/1809/262731-9837.html.