巫晨云

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210006）

數(shù)據(jù)中心能效影響因素及評(píng)估模型淺析

巫晨云

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210006）

介紹了數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)、能耗影響因素及降低能耗的措施，在能耗指標(biāo)PUE的基礎(chǔ)上分析了能效評(píng)價(jià)的不同標(biāo)準(zhǔn)，提出了綜合能效評(píng)估模型。

數(shù)據(jù)中心；能耗管理；能效；影響因素；評(píng)估模型

數(shù)據(jù)中心是能夠容納多個(gè)計(jì)算機(jī)或服務(wù)器及與之配套的通信和存儲(chǔ)設(shè)備的多功能建筑物，它包含一整套的復(fù)雜設(shè)施，如電源保障系統(tǒng)、環(huán)境控制設(shè)備、安全裝置等。相比于傳統(tǒng)的機(jī)房，數(shù)據(jù)中心具有高密度、規(guī)?；?、高可靠性和運(yùn)營(yíng)方式靈活的特點(diǎn)。隨著云計(jì)算的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心越來(lái)越成為信息存儲(chǔ)、處理的重要載體。與一般的建筑設(shè)施不同，為了保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心能耗一般達(dá)到同樣面積的辦公樓的100～200倍，如此大的耗電量使能耗管理成為數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)商需要考慮的重要問(wèn)題。能耗管理的主要目的是提高能源使用的效率和降低所有與能耗相關(guān)的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境代價(jià)，具體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心的業(yè)主關(guān)心能耗帶來(lái)的投資及運(yùn)營(yíng)成本，而社會(huì)及政府則需要關(guān)注高能耗對(duì)環(huán)境的影響。

1 背景

1.1 數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)

如圖1所示，一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心主要由冷水機(jī)組、室內(nèi)空調(diào)、供配電系統(tǒng)、IT設(shè)備及照明等幾個(gè)部分消耗電能，其中，核心的IT設(shè)備，包括計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等，約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心30%的耗能，而配套及保障設(shè)施需要消耗其他約70%的電能。這些配套設(shè)施中，為保證IT設(shè)備運(yùn)行所需的溫濕度環(huán)境而使用的制冷設(shè)備、室內(nèi)空調(diào)等耗能最多，約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心耗能的30%～50%，而用于滿足IT設(shè)備電壓電流要求及保證供電安全可靠性的UPS及配電單元等電源設(shè)備需要消耗約20%～25%的電能。

圖1 典型數(shù)據(jù)中心的能耗組成（ASHRAE 2008）

1.2 能耗影響因素

影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素很多，包括數(shù)據(jù)中心的環(huán)境影響、設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的能源損耗、為保障IT設(shè)備安全可靠運(yùn)行的冗余設(shè)備的能源消耗、以及能源管理的效率等[1]。

1.2.1 設(shè)備能源損耗

數(shù)據(jù)中心的設(shè)備能源損耗主要來(lái)源于兩個(gè)部分，第一部分是UPS的轉(zhuǎn)換損耗，通常UPS在負(fù)載較高時(shí)轉(zhuǎn)換效率為88%～94%，最新的飛輪UPS和高效UPS在正常工作時(shí)旁路了UPS，可以使得總體的轉(zhuǎn)換效率提高到97%。另外，過(guò)長(zhǎng)的電力線纜在傳輸時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不可忽略的損耗，如電纜長(zhǎng)度大于100 m時(shí)，損耗可能高達(dá)1%～3%。

空調(diào)同樣帶來(lái)效率的降低，一種情況是如果機(jī)架距離空調(diào)較遠(yuǎn)時(shí)，空調(diào)風(fēng)扇需要增大功率，同時(shí)如果冷通道過(guò)長(zhǎng)，冷熱空調(diào)混合的機(jī)會(huì)也會(huì)增大，這樣會(huì)嚴(yán)重降低空調(diào)的效率。另一種情況是大型機(jī)房采用的冷水主機(jī)，通常冷凍水的溫度接近10℃，如此低的溫度很容易引起空調(diào)主機(jī)的結(jié)露現(xiàn)象，從而降低空調(diào)效率。

1.2.2 低效的能源使用

冷卻機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)是數(shù)據(jù)中心能耗的重要部分，溫度設(shè)置過(guò)低、氣流組織設(shè)計(jì)不合理都會(huì)導(dǎo)致能耗的浪費(fèi)。

數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)時(shí)需要合理配置冷氣流輸送和熱氣流排放口的位置、氣流組織模式、以及冷熱氣流的溫度。冷卻機(jī)組輸送的冷氣與IT設(shè)備產(chǎn)生的熱氣流需要相互隔離，互不干擾。如果冷熱氣流交匯，那么冷氣機(jī)組就需要消耗額外的電能用于熱氣流的降溫。

目前絕大多數(shù)機(jī)房的設(shè)置溫度為20℃，以確保IT設(shè)備不因過(guò)熱而宕機(jī)。2011年美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）發(fā)布了第3版最新設(shè)備的溫濕度環(huán)境建議標(biāo)準(zhǔn)[2]（見(jiàn)表1）。ASHRAE建議數(shù)據(jù)中心的操作溫度在18℃～27℃范圍之內(nèi)。據(jù)估計(jì)數(shù)據(jù)中心的設(shè)置溫度每降低1℃，將會(huì)多消耗2%～4%的電能，假設(shè)IT設(shè)備在室溫27℃環(huán)境下與在20℃環(huán)境下運(yùn)行狀況相同，那么將環(huán)境溫度設(shè)為20℃就會(huì)浪費(fèi)約20%的能耗。

1.3 降低能耗的主要措施

美國(guó)Google公司根據(jù)其數(shù)據(jù)中心建設(shè)的十幾年經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了降低數(shù)據(jù)中心能耗的四項(xiàng)措施：

（1）氣流組織：盡量減少熱氣流與尚未經(jīng)過(guò)設(shè)備的冷氣流混合，室內(nèi)機(jī)到工作點(diǎn)的路徑盡可能短，從而減少傳輸損耗。

（2）提高冷通道溫度：可將冷通道的溫度由18℃～20℃提升到27℃，更高的冷通道溫度可提高冷凍水的溫度，從而減少主機(jī)的工作時(shí)間。

（3）利用自然冷卻技術(shù)：例如，冷卻塔采用自然蒸發(fā)散熱的模式，可以極大的降低冷水機(jī)組的耗能。Google在比利時(shí)的機(jī)房甚至100%利用自然冷卻技術(shù)。

（4）高性能UPS：配電設(shè)備是數(shù)據(jù)中心高耗能設(shè)施之一，降低配電設(shè)備的能耗一是要盡量提高電源轉(zhuǎn)化的效率，減少電壓電流轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損耗，例如，利用新型飛輪UPS可以將電源轉(zhuǎn)換效率從普通的90%提高到97%；二是盡量縮短高壓電源到設(shè)備的傳輸距離以減少線路損耗，例如，采用給每個(gè)服務(wù)器配置12V直流UPS可以將能耗效率提高到99.99%。

2 能效評(píng)估

數(shù)據(jù)中心的節(jié)能依賴于有效的能耗管理，而能耗管理的前提是對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗及其使用效率的準(zhǔn)確度量。

表1 數(shù)據(jù)中心溫度濕度環(huán)境建議標(biāo)準(zhǔn)（ASHRAE 2011）

2.1 能效的定義

《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》指出，所謂節(jié)能是指加強(qiáng)用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會(huì)可以承受的措施，減少?gòu)哪茉瓷a(chǎn)到消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)中的損失和浪費(fèi)，更加有效、合理地利用能源。因此，現(xiàn)代意義的節(jié)約能源并不是簡(jiǎn)單的減少使用能源，降低生活品質(zhì)，而應(yīng)該是提高能效，降低能源消耗，也就是“該用則用、能省則省”。

能效，即能源效率，一般指在能源利用中，發(fā)揮作用的與實(shí)際消耗的能源量之比。從數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)及使用角度看，數(shù)據(jù)中心的能效可以廣義地定義為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器所執(zhí)行的運(yùn)算任務(wù)與任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中所耗費(fèi)的總能量之比。

2.2 數(shù)據(jù)中心能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施能效

國(guó)際上目前比較通行的衡量數(shù)據(jù)中心能效的指標(biāo)是PUE和DCiE，其計(jì)算公式是：

PUE＝數(shù)據(jù)中心總耗電／IT設(shè)備耗電；DCiE＝1/PUE＝IT設(shè)備耗電／數(shù)據(jù)中心總耗電在這兩個(gè)指標(biāo)中，IT設(shè)備耗電被認(rèn)為是“有意義”的電能，PUE值越高表示該數(shù)據(jù)中心的能效越低。

2.2.2 IT設(shè)備能效

盡管PUE定義了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的能效，但是IT設(shè)備自身的能效并未考慮在內(nèi)。例如，服務(wù)器的核心功能是運(yùn)算和存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)中心輸入到每個(gè)服務(wù)器電能并不是100%應(yīng)用到運(yùn)算及存儲(chǔ)模塊上，通常電源、穩(wěn)壓模塊和內(nèi)部風(fēng)扇占據(jù)了服務(wù)器20%以上的耗能（如圖2所示）。

服務(wù)器的能效（SPUE）可以用類似PUE的方法來(lái)衡量，即服務(wù)器輸入電量與有效耗電量之比。其中有效耗電量指與運(yùn)算直接相關(guān)的服務(wù)器部件，包括主板、CPU、磁盤(pán)、內(nèi)存、輸入輸出等，但不包含服務(wù)器內(nèi)電源、穩(wěn)壓模塊及內(nèi)部風(fēng)扇等的能耗。據(jù)綠色網(wǎng)格組織統(tǒng)計(jì)，SPUE一般在1.6～1.8之間，因?yàn)榉?wù)器電源效率約為80%，而絕大多數(shù)主板使用的穩(wěn)壓模塊有超過(guò)30%的能源損耗。

圖2 服務(wù)器能耗組成[3]

2.2.3 負(fù)載能效

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)的最終目的是提供計(jì)算及應(yīng)用服務(wù)，然而，通常服務(wù)器不運(yùn)行應(yīng)用程序或處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)依然要消耗電能，換而言之，服務(wù)器有用部件所消耗的電能也并非全部“有意義”。由于服務(wù)器能耗會(huì)隨計(jì)算負(fù)荷的變化而改變，對(duì)于終端應(yīng)用層次服務(wù)器能效（LPUE）的測(cè)算需要考慮不同計(jì)算負(fù)荷下能耗的變化。目前國(guó)內(nèi)國(guó)際對(duì)不同負(fù)載下服務(wù)器能效的評(píng)估方法有很多研究[3，4]，但沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此采用國(guó)際權(quán)威IT測(cè)試組織SPEC發(fā)布的統(tǒng)計(jì)性能評(píng)價(jià)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果是目前可行的一種方法。如圖3所示，SPECpowe_ssj2008基準(zhǔn)測(cè)量利用不同服務(wù)器平臺(tái)運(yùn)行一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序，并對(duì)其系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比，從而排除軟件效能對(duì)于能耗的影響，關(guān)注服務(wù)器硬件本身負(fù)荷和能耗之間的關(guān)系。

2.3 綜合能效評(píng)估模型

綜上所述，數(shù)據(jù)中心的能效評(píng)價(jià)包含3個(gè)層次：基礎(chǔ)設(shè)施、IT設(shè)備、服務(wù)器負(fù)載，嚴(yán)格意義上的能效應(yīng)該能夠體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心所有應(yīng)用服務(wù)所消耗的負(fù)載耗能與數(shù)據(jù)中心的總耗能的關(guān)系。由此，可將數(shù)據(jù)中心能效定義為：

能效(E)＝負(fù)載耗電／總耗電

受能效控制要求、設(shè)施條件等的限制，不同的數(shù)據(jù)中心可以根據(jù)各自的情況決定能效評(píng)價(jià)的粒度，采用不同的評(píng)估指標(biāo)，如下公式所示：

能效(E) =負(fù)載耗電/總耗電=1/PUE （負(fù)載耗電＝IT設(shè)備耗電）

圖3 SPECpower_ssj2008的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果示例

能效(E) =負(fù)載耗電/總耗電= (1/PUE)×(1/SPUE)（負(fù)載耗電＝服務(wù)器有效部件耗電）

能效(E)＝負(fù)載耗電/總耗電＝(1/PUE)×(1/SPUE)× (計(jì)算耗電/服務(wù)器有效部件耗電) （負(fù)載耗電＝計(jì)算耗電）

3 總結(jié)

在最新的Facebook和Google公布的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)資料中，在強(qiáng)調(diào)低PUE值以外，更著重介紹了如何定制服務(wù)器，減少不必要的組件，從而提高IT設(shè)備能效；隨著云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，服務(wù)器負(fù)載均衡、基于負(fù)載的能效評(píng)價(jià)等也都逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，這些都表明數(shù)據(jù)中心的能耗管理已經(jīng)從僅僅關(guān)注PUE向綜合能效評(píng)估轉(zhuǎn)變。

從國(guó)外先進(jìn)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，模塊化和集裝箱式機(jī)房由于采取冷通道封閉、科學(xué)設(shè)計(jì)氣流組織、使用列間空調(diào)縮短冷空氣傳輸距離及列間UPS縮短電源傳輸距離，相比于傳統(tǒng)機(jī)房能效大大提高；同時(shí)由于其模塊化的特點(diǎn)，還可在小范圍內(nèi)采用提高冷通道溫度等措施，從而直接降低PUE值；另外模塊化的設(shè)計(jì)有利于在能耗管理中根據(jù)服務(wù)器負(fù)載情況局部調(diào)整服務(wù)器環(huán)境，避免不必要的能耗。

[1] Greenberg S, Mills E, Tschudi B. Best practices for datacenters: lessons learned from benchmarking 22 datacenters[R]. ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings,2006.

[2] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Thermal Guidelines for Data Processing Environments, 3rd Edition[G]. 2011.

[3] Meisner D, Gold B, Wenisch T. PowerNap: Eliminating server idle power: proceedings of the 14th International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, ACM, 2009[C]. New York, USA, 2009.

[4] 宋杰，李甜甜等. 一種云計(jì)算環(huán)境下的能效模型和度量方法[J].軟件學(xué)報(bào)，2012,23(2):200-214.

A brief analysis of the factors and evaluation models of data center energy efficiency

WU Chen-yun
(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210006, China)

This paper introduces the composition of data center power consumption, enumerates the factors affecting energy consumption, and briefly describes the methods for reducing energy usage. The paper applies the Power Usage Effectiveness (PUE) metric as a basis to the analysis of different energy efficiency evaluation standards, and proposes an integrated energy effciency assessment model.

data center; energy management; energy effciency; infuencing factors; evaluation model

TN915

A

1008-5599（2014）01-0046-04

2013-09-06

巫晨云，高級(jí)工程師，中通服印尼有限公司總經(jīng)理，主要從事IDC機(jī)房設(shè)計(jì)、EPC總承包等業(yè)務(wù)研究及在印度尼西亞的拓展等工作。