王洪鎖，張銳鋒，賈春香

[摘 要] PUE是Power Usage Effectiveness的簡寫，是評價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比，是DCIE（data center infrastructure efficiency ）的反比。PUE = 數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗，PUE是一個(gè)比值，基準(zhǔn)是2，越接近1表明能效水平越高。PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）值已經(jīng)成為國際上比較通行的數(shù)據(jù)中心電力使用效率的衡量指標(biāo)。PUE值越接近于1，還表示一個(gè)數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高。因此，在數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)和規(guī)劃前期，要充分考慮PUE要素，并作為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要評價(jià)指標(biāo)。后期，在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營過程中，能夠做到更加節(jié)能、環(huán)保，以期投資收益比的最大化。

[關(guān)鍵詞] 綠色數(shù)據(jù)中心； 能耗； PUE； DCiE

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 02. 058

[中圖分類號] TP391 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）02- 0111- 03

1 前 言

1.1 數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)

據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署的報(bào)告，典型的數(shù)據(jù)中心能耗分布為：數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)通信與交換，存儲器等）的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的50%～52%；機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總能耗的38%～40%；供電及輔助照明等系統(tǒng)的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的8%～10%[1]。

1.2 PUE和DCiE能效模型

2007年2月，綠色網(wǎng)格組織（Green Grid）制定了數(shù)據(jù)中心的能效比指標(biāo)，分別叫PUE和DCiE。 PUE即能量使用效率，是Power Usage Effectiveness的簡寫，是評價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的一個(gè)指標(biāo)，PUE：數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗，PUE是一個(gè)比率，基準(zhǔn)是2，越接近1表明數(shù)據(jù)中心能效水平越高。DCiE即數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施效率，是Data Center Infrastructure Effectiveness的簡寫。其值是PUE的倒數(shù)。DCiE=IT設(shè)備能耗/數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗 × 100%[2]。

數(shù)據(jù)中心典型的PUE 和DCiE曲線如圖2。

數(shù)據(jù)中心總能耗 = 制冷用電負(fù)荷 + 供配電能耗 + IT 設(shè)備能耗，Total Facility Power = Cooling Load + Power Equipment Loss + IT Equipment Load， 所以PUE 指標(biāo)分解為：

CLF 就代表在每W IT負(fù)載上消耗的制冷用電量，而 PLF 就代表在每W IT負(fù)載上供電系統(tǒng)的損耗，1.0則永遠(yuǎn)不會變，因?yàn)檫@是 IT 負(fù)載和自己的比率。這樣，就可通過一些子指標(biāo)來定量表征數(shù)據(jù)中心能效模型[3]。

2 數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)研究

基于上述PUE 模型，將從以下3方面進(jìn)行研究： ① IT 設(shè)備節(jié)能研究； ② 供電系統(tǒng)的節(jié)能研究； ③ 制冷系統(tǒng)節(jié)能研究。

2.1 IT設(shè)備綠色節(jié)能技術(shù)研究

數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備是能耗大戶。以服務(wù)器為例，服務(wù)器最大的能耗來自芯片，單顆Intel至強(qiáng)處理器的功耗為80～95 W，有的達(dá)130 W。基于X86服務(wù)器環(huán)境中，Windows和Linux服務(wù)器利用率一般低于CPU資源的15%；很多UNIX服務(wù)器只利用了15%～25%；這意味著服務(wù)器有75%～90%的時(shí)間在消耗電源和冷卻資源，卻不完成任何工作。

針對服務(wù)器能耗及利用率低下的問題，廠商不僅在自身產(chǎn)品節(jié)能優(yōu)化上下功夫，同時(shí)，兼顧新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2.1.1 自身產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)屢有突破

（1） 芯片方面，即采用多核的X86芯片技術(shù)提升處理能力，從而降低芯片數(shù)量的增加。因此，在短短幾年時(shí)間里，我們見證了處理器從2核、4核、6核、8核，直至12核的飛速發(fā)展。

（2） 電源方面，服務(wù)器廠商采用高效電源。如戴爾采用智能節(jié)能技術(shù)，可在性能增加的同時(shí)降低能耗。

（3） 風(fēng)扇方面，IBM引入高效率的雙段式對轉(zhuǎn)風(fēng)扇，比傳統(tǒng)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)節(jié)能40%。

（4） 在硬盤方面，機(jī)架服務(wù)器更多采用的是HDD2.5英寸小硬盤，相比3.5寸大硬盤，有近一半電能的節(jié)省。不僅如此，固態(tài)硬盤開始在服務(wù)器中亮相，與普通HDD硬盤相比，在能耗上，固態(tài)硬盤的能耗比HDD硬盤低4/5。

2.1.2 新技術(shù)的推廣應(yīng)用

虛擬化技術(shù)使多個(gè)服務(wù)器上的工作負(fù)載合并到單個(gè)服務(wù)器上，使服務(wù)器利用率提高到50%～70%，并且潛在地以削減的成本在X86和UNIX服務(wù)器上完成4～6倍的工作。服務(wù)器整機(jī)生產(chǎn)廠商紛紛推出各種“綠色”產(chǎn)品與以往服務(wù)器相比，當(dāng)前的服務(wù)器無論在性能、計(jì)算能力上都可“以一當(dāng)十”，而能耗在不斷降低。

除服務(wù)器外，還有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備等，都有相應(yīng)的虛擬化等新技術(shù)支持。

2.2 供電系統(tǒng)的節(jié)能研究

一項(xiàng)針對CIO的調(diào)查顯示，UPS系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的負(fù)載情況都是在30%左右，目前數(shù)據(jù)中心面臨著低效率運(yùn)行的問題。圖4為傳統(tǒng)UPS在不同負(fù)載百分比情況下的效率示意圖。

針對UPS電源系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，高可靠性、可用性及高適應(yīng)性能力，保護(hù)環(huán)境及節(jié)能降耗等多維度考慮。在UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)應(yīng)從以下3方面予以考慮：

（1） 提高UPS的效率：提高UPS效率有兩個(gè)方向。一個(gè)方向是提高UPS的最佳負(fù)載下的轉(zhuǎn)換效率，一個(gè)是提高UPS在低負(fù)載下的轉(zhuǎn)換效率。前者，業(yè)界的主流供應(yīng)商正在努力把轉(zhuǎn)換效率由88%提高到92%，未來要提高到96%。后者是一種隱形效率。

（2） UPS虛擬運(yùn)行技術(shù)：這是一種配合虛擬運(yùn)算的UPS運(yùn)行管理技術(shù)。采用UPS虛擬運(yùn)行技術(shù)，在低負(fù)載下，UPS組供電系統(tǒng)只保持少數(shù)UPS給負(fù)載供電，將其余UPS與服務(wù)器同步休眠，以此減少低負(fù)載下的UPS組的能耗。

（3） 改變服務(wù)器的供電方式：在數(shù)據(jù)中心以直流供電系統(tǒng)取代交流供電系統(tǒng)已有多年的探索。業(yè)界流傳的教條是直流比交流節(jié)能。其理論根據(jù)是直流電源比UPS的電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，因此節(jié)能。

2.3 制冷系統(tǒng)的節(jié)能研究

機(jī)房空調(diào)制冷系統(tǒng)對安全穩(wěn)定運(yùn)行起著不可或缺的作用，且空調(diào)能效因子（CLF）是PUE值中權(quán)重最大的因子，因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能就是降低PUE值最重要的方向?？照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能方面有7個(gè)方向可以研究[4]：

（1） 發(fā)展高能效機(jī)房空調(diào)：目前國內(nèi)已經(jīng)有了家用空調(diào)的能效標(biāo)準(zhǔn)，由低到高設(shè)定了5級能效標(biāo)準(zhǔn)，1代表能耗最低，5代表能耗最高。機(jī)房空調(diào)行業(yè)目前尚沒有相應(yīng)的節(jié)能等級標(biāo)準(zhǔn)，但國家相關(guān)部門已經(jīng)開始著手制定，預(yù)計(jì)近年內(nèi)將會進(jìn)行頒布。

（2） 機(jī)房空調(diào)虛擬運(yùn)行技術(shù)：服務(wù)器的虛擬運(yùn)算有一項(xiàng)技術(shù)就是在運(yùn)算低谷期將運(yùn)算業(yè)務(wù)集中到少數(shù)服務(wù)器上進(jìn)行運(yùn)算而將其余服務(wù)器進(jìn)行休眠來降低能耗。但這種節(jié)能方式需要機(jī)房空調(diào)的虛擬化運(yùn)行配合才能讓數(shù)據(jù)中心整體節(jié)能。

（3） 機(jī)房冷熱氣流隔離技術(shù)：該技術(shù)是通過保證空調(diào)的出、回風(fēng)不混合，使機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高，從而提高了整個(gè)機(jī)組的能效。

（4） 高熱密度解決空調(diào)方案：是一種通過將終端靠近IT設(shè)備熱源的空調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)，由于其采用了提高回風(fēng)溫度、100%顯熱、低能耗風(fēng)扇和縮短送風(fēng)距離等技術(shù)來大大降低了空調(diào)的運(yùn)行能耗。主要是用于服務(wù)器機(jī)架熱密度超過5 kW/機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心。

（5） 機(jī)架式空調(diào)技術(shù)：是一種將服務(wù)器機(jī)柜與機(jī)房空氣實(shí)行完全隔離，實(shí)行機(jī)柜里制冷的一種空調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)最大限度地提高了冷熱交換效率，大大地縮短了空調(diào)送風(fēng)距離，從而最大限度地降低了PUE空調(diào)能效因子系數(shù)。

（6） 多冷媒利用技術(shù)：這是一種能采用自然冷媒攝取室外低溫，從而降低空調(diào)能耗的技術(shù)方案，統(tǒng)稱Free Cooling。自然冷媒包括風(fēng)和水以及制冷劑等，最常用于室外低溫的利用的方案是直接新風(fēng)方式。

（7） 可再生能源空調(diào)：太陽能空調(diào)是未來主要的可再生能源發(fā)展方向。這是一種零碳排量的空調(diào)技術(shù)，它的應(yīng)用速度取決于光伏材料效率提高和成本降低的速度。

3 某數(shù)據(jù)中心節(jié)能分析應(yīng)用實(shí)例

某數(shù)據(jù)中心機(jī)房共3層。1樓能源中心機(jī)房，2～3樓為IT設(shè)備機(jī)房，樓頂為空調(diào)冷卻系統(tǒng)。IT設(shè)備采用不間斷電源系統(tǒng)供電，其中交流不間斷電源共有8臺UPS，直流不間斷電源并機(jī)；共有2臺通信電源；經(jīng)測算結(jié)果：IT設(shè)備能耗為：881.68 kW；機(jī)房制冷系統(tǒng)能耗為：591.14 kW；UPS/通信電源供配電及照明、門禁、消防等輔助系統(tǒng)能耗為196.96 kW。由PUE模型分解公式：

總能耗 = IT設(shè)備能耗 + 空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗 + 供配電及其他輔助系統(tǒng)能耗 = 881.68 + 591.14 + 196.96 = 1 669.78（kW）；

PUE = ■ = ■ = 1.89；

DCiE = ■ = ■ = 52.9%；

空調(diào)能耗因子（CLF） = 0.66；供配電等其他能耗因子（PLF） = 0.22；

綜上，該機(jī)房PUE值為1.9，相對于國內(nèi)同行業(yè)，屬于節(jié)能型機(jī)房。類比于國際先進(jìn)機(jī)房（PUE值區(qū)間為1.6～1.8；空調(diào)能效因子（CLF）在0.45左右；供配電系統(tǒng)的能效因子（PLF）在0.11左右。）因此，各方面能耗有進(jìn)一步提升的潛力。

4 結(jié) 論

PUE/DCiE指標(biāo)模型為數(shù)據(jù)中心節(jié)能提供了基本方法和考核指標(biāo)。數(shù)據(jù)中心節(jié)能必須建立PUE值檢測和改善的長效機(jī)制，采用PDCA質(zhì)量管理循環(huán)機(jī)制進(jìn)行客觀評價(jià)，使數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗走上良性循環(huán)之路。

主要參考文獻(xiàn)

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[2] GB/T 50378-2006，綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2006.

[3] 鐘景華，朱利偉，曹播. 綠色數(shù)據(jù)中心節(jié)能設(shè)計(jì)與建設(shè)初探[J]. 智能建筑與城市信息，2009（10）：21-30.

[4] GB 50174-2008，電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2006.