于世江+武旭升+關(guān)泰璐　廖秋敏

摘 要 云計(jì)算是當(dāng)前ICT領(lǐng)域重要發(fā)展方向。近年來(lái)，各地大力發(fā)展云計(jì)算，建設(shè)了大批數(shù)據(jù)中心，但往往由于建設(shè)偏重于性能指標(biāo)，忽視了數(shù)據(jù)中心本身的能耗，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)維中出現(xiàn)了很多問(wèn)題。本文對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問(wèn)題做出了思考，并給出了具體的解決方案，為將來(lái)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供思路和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算 數(shù)據(jù)中心 探討

隨著“云計(jì)算時(shí)代”的來(lái)臨，越來(lái)越多的政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位開(kāi)始逐步將各自的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)向“云”上遷移，云計(jì)算行業(yè)已經(jīng)成為未來(lái)ICT（（Information Communication Technology）領(lǐng)域中發(fā)展的重要方向。隨著云計(jì)算需求量的增大，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心開(kāi)始在各地建立起來(lái)。盡管云計(jì)算本身能夠提高效率，避免計(jì)算資源的浪費(fèi)，但同時(shí)，云計(jì)算自身的能耗問(wèn)題也逐步凸顯出來(lái)。

根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果表明，數(shù)據(jù)中心耗費(fèi)了全球1.5%至2%的電力，并且以每年12%的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。全球數(shù)據(jù)中心耗電量同樣驚人，據(jù)IDC報(bào)告，2005年全球數(shù)據(jù)中心的耗電量是全球用電量的0.8%。2007年全球數(shù)據(jù)中心耗費(fèi)的總能量達(dá)到了3300億千瓦時(shí)，相當(dāng)于整個(gè)英國(guó)的電力需求。美國(guó)環(huán)保署報(bào)告，2011年美國(guó)的數(shù)據(jù)中心全年累計(jì)耗電1000億千瓦時(shí)，占全美當(dāng)年總耗電量的1.5%，電費(fèi)約74億美元。數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為名副其實(shí)的“電老虎”。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心電力的消耗會(huì)帶來(lái)大量的碳排放，自2008年以來(lái)，全球數(shù)據(jù)中心每年都產(chǎn)生大約8000萬(wàn)噸二氧化碳，據(jù)預(yù)估，在2020年碳排放將達(dá)到3.4億噸。

作為發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必須走節(jié)能環(huán)保之路。云計(jì)算作為當(dāng)前ICT發(fā)展重點(diǎn)方向，也必須尋找出一整套行之有效的節(jié)能技術(shù)手段。在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)過(guò)程中，綜合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)從以下三個(gè)方面開(kāi)展技術(shù)革新，節(jié)約能源，建設(shè)更“綠色”的數(shù)據(jù)中心。

1 IT節(jié)能技術(shù)的革新

IT技術(shù)是云計(jì)算技術(shù)的核心，目前業(yè)界對(duì)于IT技術(shù)的研究重心已經(jīng)由發(fā)展初期關(guān)注如何提高計(jì)算系統(tǒng)的高速度高性能，轉(zhuǎn)向如何提高計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算效率（提高能耗比）。云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心是所有計(jì)算和存儲(chǔ)的中心，因此要構(gòu)建“綠色”的數(shù)據(jù)中心，首先從IT節(jié)能技術(shù)的革新開(kāi)始。

CPU體系結(jié)構(gòu)的變化。CPU作為計(jì)算機(jī)的“心臟”主要有CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）和RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）兩種體系結(jié)構(gòu)。Intel公司出品的X86系列CPU就是典型的CISC產(chǎn)品，其特點(diǎn)是指令復(fù)雜，指令長(zhǎng)度較長(zhǎng)，編解碼復(fù)雜，需要分解成多個(gè)微指令去執(zhí)行，雖然便于提高計(jì)算機(jī)性能，但導(dǎo)致能耗大，相對(duì)而言，能耗比偏低。相對(duì)于此，大家常用的手機(jī)、PAD等智能移動(dòng)終端多以ARM系列CPU為主，特點(diǎn)是性能相對(duì)較差，能耗低。隨著近年來(lái)，電子技術(shù)飛速發(fā)展，以ARM為代表的CPU已經(jīng)在能耗比上逐漸超越X86，并在計(jì)算密集型應(yīng)用中逐漸嶄露頭角，逐漸引入到數(shù)據(jù)中心建設(shè)中。以百度為例，2012年底，該公司實(shí)現(xiàn)ARM Server全球首次規(guī)模化應(yīng)用。并將GPU應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)程序的重構(gòu)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)CPU單核加速400倍，將每瓦特的計(jì)算能力提升34倍的成果，大幅降低數(shù)據(jù)中心能耗。

存儲(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)。當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要采用機(jī)械式硬盤(pán)，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、使用方便，缺點(diǎn)是能耗較高。通過(guò)引入固態(tài)硬盤(pán)（Solid State Drive）將極大地緩解存儲(chǔ)設(shè)備的能耗問(wèn)題。固態(tài)硬盤(pán)，使用閃存顆粒作為存儲(chǔ)單元，不再采用傳統(tǒng)的機(jī)械存儲(chǔ)方法，使用模擬的方式虛擬出傳統(tǒng)硬盤(pán)存取方式和扇區(qū)等，區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械式硬盤(pán)，突出特點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的NAND Flash特性，以區(qū)塊寫(xiě)入和抹除的方式來(lái)作讀寫(xiě)的功能，因此在讀寫(xiě)的效率上，非常依賴(lài)閃存技術(shù)的發(fā)展。與傳統(tǒng)機(jī)械式硬盤(pán)比較，具有低耗電、耐震、穩(wěn)定性高、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)。IBM近期推出“FlashSystem”系列全閃存存儲(chǔ)服務(wù)器，有關(guān)負(fù)責(zé)人指出：數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，采用SSD建設(shè)方案不僅有性能優(yōu)勢(shì)，也更省電，且在散熱措施上的投資也要比傳統(tǒng)硬盤(pán)小很多，綜合來(lái)看，采用SSD技術(shù)是符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流的。

研發(fā)低能耗操作系統(tǒng)。隨著基礎(chǔ)硬件平臺(tái)的演變，低能耗的ARM系列CPU和SSD硬盤(pán)的廣泛使用，操作系統(tǒng)也需要全面調(diào)整體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)將“低能耗，高效率、適度資源使用”原則作為未來(lái)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)原則。例如，微軟在Windows 7操作系統(tǒng)中推出ReadyBoost的技術(shù)，通過(guò)閃存減少常用軟件從較慢的機(jī)械硬盤(pán)中調(diào)用的次數(shù)，把讀取延誤減至最低，相應(yīng)提高性能的同時(shí)，降低了能耗。未來(lái)在服務(wù)器操作系統(tǒng)中，將出現(xiàn)更多的新技術(shù)，為降低服務(wù)器功耗提供更多的技術(shù)支持。

2 機(jī)房系統(tǒng)的技術(shù)革新

根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，機(jī)房系統(tǒng)占整個(gè)數(shù)據(jù)中心的電耗比例已經(jīng)達(dá)到45%，其中冷源部分占到2/3。綠色數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建，機(jī)房系統(tǒng)的節(jié)能解決方案成了重中之重，刻不容緩。

采用自然冷卻的冷水機(jī)組。數(shù)據(jù)中心通常都需要常年不間斷供冷，常規(guī)的制冷系統(tǒng)，室外溫度即使是低于或遠(yuǎn)低于其循環(huán)冷凍水溫的情況下冷水機(jī)組也需要照常運(yùn)行。自然冷卻（Freecooling）機(jī)組與常規(guī)冷水機(jī)組最大的區(qū)別在于它帶有獨(dú)特的風(fēng)冷自然冷卻換熱器，其運(yùn)行優(yōu)先利用天然環(huán)境的低溫空氣冷卻循環(huán)冷凍水，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)壓縮機(jī)運(yùn)行制冷，顯著節(jié)省壓縮機(jī)的電耗。在夏季，自然冷卻機(jī)組與常規(guī)空調(diào)一樣仍舊采用壓縮機(jī)制冷。在過(guò)渡季，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低2℃或以上時(shí)，開(kāi)起自然冷卻，利用冷空氣的冷量預(yù)冷冷凍水，無(wú)需壓縮機(jī)功耗；自然冷卻不足部分，再由常規(guī)壓縮制冷接力，從而減少了系統(tǒng)功耗。在冬季，完全靠自然冷卻冷卻冷凍水，不需壓縮機(jī)開(kāi)起，只需少量風(fēng)扇電耗，能效比高達(dá)20以上。通過(guò)自然冷卻技術(shù)，在過(guò)渡季和冬季減少了壓縮機(jī)工作時(shí)間和強(qiáng)度，有效降低了制冷功耗。與常規(guī)的冷水機(jī)組相比，據(jù)計(jì)算，北京所在緯度地區(qū)為例，常年節(jié)電達(dá)到30%-38%。endprint

熱回收技術(shù)利用。大型數(shù)據(jù)中心常年需要不間斷的冷源，需要冷水機(jī)組高效制冷完成。而與數(shù)據(jù)中心配套的周邊辦公、運(yùn)維和宿舍在冬季卻同時(shí)需要大量的熱量來(lái)解決供暖問(wèn)題。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，供暖需要鍋爐或熱泵解決，需要消耗大量的能源。新的熱回收技術(shù)，免費(fèi)利用制冷機(jī)組在制冷時(shí)候向環(huán)境中排放的冷凝熱來(lái)加熱供暖系統(tǒng)，從而不需要鍋爐或熱泵系統(tǒng)。在冬季需要供暖時(shí)，系統(tǒng)回收冷凝熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，多余的冷凝熱仍舊排放到環(huán)境中去。由于實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)組的冷熱聯(lián)供，空調(diào)綜合能效比達(dá)到9-10，這是其他任何冷機(jī)效率所無(wú)法比擬的。采用這種熱回收技術(shù)，一個(gè)數(shù)據(jù)中心的上萬(wàn)平方米的辦公、運(yùn)維和宿舍都可以實(shí)現(xiàn)免費(fèi)供暖。

高效磁懸浮變頻離心冷水機(jī)組。磁懸浮離心壓縮機(jī)代表了當(dāng)今最先進(jìn)的壓縮機(jī)技術(shù)趨勢(shì)。變頻驅(qū)動(dòng)的高效磁懸浮無(wú)油離心式壓縮機(jī)采用磁懸浮軸承技術(shù)，高性能脈寬調(diào)制（PWM）永磁同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保機(jī)組在各工況下始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，使機(jī)組在滿負(fù)荷及部分負(fù)荷時(shí)均能高效運(yùn)行。無(wú)油潤(rùn)滑磁懸浮軸承，無(wú)任何接觸摩擦，無(wú)需潤(rùn)滑油系統(tǒng)，顯著增加機(jī)組可靠性，保養(yǎng)簡(jiǎn)單方便；無(wú)換熱器油膜熱阻，可提高蒸發(fā)、冷凝換熱效率達(dá)15%左右，提升離心機(jī)組運(yùn)行效率。采用該技術(shù)建設(shè)的空調(diào)機(jī)組具有當(dāng)前最高的使用效率，無(wú)論在滿負(fù)荷下，還是在部分負(fù)荷下，機(jī)組都有非常高的能效系數(shù)，空調(diào)綜合能效比值達(dá)到10。

3 數(shù)據(jù)中心建設(shè)的技術(shù)革新

解決計(jì)算時(shí)代數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題，除了在IT技術(shù)和機(jī)房系統(tǒng)的節(jié)能方面做出努力外，還需要在數(shù)據(jù)中心建設(shè)上做出整體的節(jié)能考慮，目前主要數(shù)據(jù)中心建設(shè)節(jié)能技術(shù)革新主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

全面使用DCIM軟件。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行效率低下是運(yùn)維中的長(zhǎng)期困擾，企業(yè)在初期缺少合理的規(guī)模設(shè)計(jì)，并在后期未能提高總體的管控能力是關(guān)鍵因素。為此多功能的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理（DCIM）軟件作為一種解決方案被引入進(jìn)了企業(yè)，全球已有上百家公司提供數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施解決方案。DCIM 解決方案可幫助CIO收集個(gè)人設(shè)備的電源和冷卻系統(tǒng)信息以及測(cè)量的能源消耗情況，動(dòng)態(tài)配置能源使用方案。如艾默生電氣公司的Trellis平臺(tái)，被康普收購(gòu)的iTRACS公司，都可以幫助企業(yè)積極主動(dòng)地管理能源使用和自動(dòng)執(zhí)行的內(nèi)部任務(wù)計(jì)劃，以降低運(yùn)營(yíng)成本。DCIM軟件管理讓IT管理人員與設(shè)備管理人員可以更好地交流并協(xié)同工作，顯而易見(jiàn)的好處是可以實(shí)現(xiàn)至少30%的節(jié)能效果，有助于讓PUE（Power Usage Effectiveness，衡量數(shù)據(jù)中心能源效率指標(biāo)）值降至1.22甚至更低。根據(jù)IDC研究，DCIM有望在未來(lái)幾年保持穩(wěn)健的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在2011年， DCIM軟件和服務(wù)的市場(chǎng)總額達(dá)2.47億美元。到2016年，DCIM市場(chǎng)將增長(zhǎng)到6.9億美元，年增長(zhǎng)率為22.8%。

加強(qiáng)能源效率審計(jì)。近年來(lái)，企業(yè)對(duì)能效審計(jì)工作越來(lái)越關(guān)注，國(guó)外的很多成功經(jīng)驗(yàn)也表明，能效管理將成為決定企業(yè)發(fā)展的“軟實(shí)力”。德國(guó)能效博士柯文諾表示：“高能耗企業(yè)發(fā)展到今天，年產(chǎn)值已經(jīng)不再是企業(yè)強(qiáng)大與否的唯一指標(biāo)，重不重視節(jié)能技術(shù)正成為決定企業(yè)成敗的關(guān)鍵因素。”數(shù)據(jù)中心運(yùn)維過(guò)程中，信息化部門(mén)可通過(guò)定期審計(jì)并分析有關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握能耗情況，便于確定能耗突出點(diǎn)，從而有針對(duì)性地完善方案，優(yōu)化配置。數(shù)據(jù)中心通過(guò)引入能源效率審計(jì)，有助于進(jìn)一步節(jié)能工作的開(kāi)展。

目前，信息技術(shù)正在日新月異的發(fā)展，云計(jì)算逐步在我國(guó)落地。從資源節(jié)約角度，云計(jì)算為我們的節(jié)能、環(huán)保提供了一個(gè)非常好的發(fā)展方向，但是大規(guī)模的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的建設(shè)又給我們帶來(lái)了數(shù)據(jù)中心能耗突出的實(shí)際問(wèn)題。因此，我們既要用好云計(jì)算，同時(shí)也要管好云計(jì)算，只有通過(guò)IT技術(shù)革新、機(jī)房系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)革新、數(shù)據(jù)中心技術(shù)革新等多項(xiàng)節(jié)能舉措并行，才能更好的將云計(jì)算為我們建設(shè)服務(wù)，才能真正的享受云計(jì)算帶來(lái)的種種好處。

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作者單位

1.中國(guó)五礦集團(tuán)公司 北京市 100044

2.中節(jié)能科技投資有限公司 北京市 100082

3.北京市政務(wù)信息安全應(yīng)急處置中心 北京市 100101

4.廣播科學(xué)研究院技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 北京市 100866endprint