摘要：探討了算力中心構建與運營管理的優(yōu)化策略，包括一體化設計理念、模塊化與預制化建設、綠色節(jié)能技術和智能化運營管理。利用華為云數(shù)據(jù)中心和谷歌數(shù)據(jù)中心的案例，指導了智能監(jiān)控系統(tǒng)、自動化管理工具和可再生能源利用等技術的應用，總結了這些策略的實施效果，需要深入優(yōu)化算力中心，使算力中心成本更低，運營效率更高。

關鍵詞：算力中心；運營優(yōu)化；數(shù)據(jù)；算力設計

一、前言

在現(xiàn)代信息技術體系中，算力中心通過提供高效、可靠的計算資源和服務，支撐各類計算任務。算力中心的構建與運營管理涉及基礎設施建設、硬件配置、資源管理、性能管理、能源管理和智能化管理的多個方面。研究旨在探討算力中心在構建與運營管理中的優(yōu)化策略，通過華為和谷歌的案例，分析智能化管理和綠色節(jié)能技術的應用及其效果。

二、算力中心的概述

算力中心即計算能力中心，主要是指為各類計算任務提供高效可靠計算資源和服務的基礎。算力中心的構建與運營管理涉及多個方面，包括基礎建設、硬件配置、資源管理、性能管理、能源管理和智能化管理等。算力中心的基礎設施建設包括算力中心的選址、建筑結構設計、供電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。在算力中心建設中重點關注能源效率和冷卻效率，通過采用優(yōu)化的功能來避免處理器空閑時間的電能浪費，還需要根據(jù)算力需求選擇合適的硬件設備，并進行合理的資源分配。還有一種電源與性能管理的優(yōu)化解決方案，通過混合整數(shù)規(guī)劃模型，實現(xiàn)了電能比例化和性能保證。性能管理則通過優(yōu)化調度算法和負載均衡技術提高算力中心的性能和利用率[1]。在Hadoop集群中適應DVFS設置對不同應用的性能和能耗的影響，強調了在MapReduce環(huán)境中需要更具針對性的電源管理技術。上面各個部分的相輔相成組成了高效的算力中心。

三、算力中心構建策略

（一）一體化設計理念

單層工業(yè)化數(shù)據(jù)中心主要考慮計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)的需求，確保數(shù)據(jù)中心在任何情況下都能獲得穩(wěn)定的電力供應，避免因電力中斷導致的系統(tǒng)故障。建立高效的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，確保數(shù)據(jù)在各個系統(tǒng)之間的快速傳輸。構建適宜的溫度和濕度環(huán)境，保障設備的正常運行，同時配備完善的空調系統(tǒng)、電氣設備和消防系統(tǒng)。就結構設計而言，單層設計的顯著優(yōu)勢在于其建設的高效性。單層數(shù)據(jù)中心的建筑結構較為簡單，可以通過模塊化和預制化建設方法加快施工速度并降低建設成本。為了提高能源效率，單層數(shù)據(jù)中心通常采用高效的冷卻技術，如自然冷卻、液冷技術等。有效的冷卻系統(tǒng)不僅可以降低能耗，還能延長設備的使用壽命，降低運營成本。

多層鋼結構數(shù)據(jù)中心采用鋼結構建設的高層建筑形式，旨在利用垂直空間提高計算能力和資源密度。在設計結構上，多層鋼結構數(shù)據(jù)中心的設計需要考慮建筑物的穩(wěn)定性和抗震性[2]。Khonsari和Eskandaritorbaghan主要研究了分層鋼結構建筑的三維行為，層次性大梁設計模型（LBDM）能夠有效提升多層鋼結構建筑的穩(wěn)定性和抗震能力。鋼結構組件可以在工廠預制，然后運至現(xiàn)場進行快速組裝，這種預制化建設方法不僅可以提高建設速度，利用箱形立柱和橫梁的設計增強了施工的自動化和勞動效率，降低了工人的勞動強度。在空間利用和擴展性上這種結構主要是通過垂直擴展的方式來實現(xiàn)的，所以可以根據(jù)需求進行樓層的增加或減少，適應未來的擴展需求。這種結構顯著減少了建設時間和成本，鋼結構建筑便于維護和更換，有助于提高數(shù)據(jù)中心的可靠性和可用性。

一體化設計理念中單層工業(yè)化數(shù)據(jù)中心和多層鋼結構數(shù)據(jù)中心各自具有優(yōu)勢。單層工業(yè)化數(shù)據(jù)中心強調簡潔的結構設計和高效的建設流程，它比較適合需要大面積空間的應用場景。多層鋼結構數(shù)據(jù)中心則通過垂直擴展和預制化建設方法，充分利用有限的土地資源，比較適合空間受限但需要高密度計算能力的場景。兩種設計方案在冷卻與能源效率方面均采用高效的技術手段，保障設備的穩(wěn)定運行和低能耗。結合這兩種設計方案的優(yōu)點可以在不同應用場景下為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的建設提供參考。

（二）模塊化與預制化

模塊化設計提升了數(shù)據(jù)中心的靈活性和可擴展性，由于每個模塊都是在控制條件下的工廠環(huán)境中預先制造的，不僅縮短了現(xiàn)場建設的時間，也極大減少了建設期間可能出現(xiàn)的錯誤和延誤。當數(shù)據(jù)中心需要擴展或調整時，只需增加或減少相應的模塊即可，而無需進行大規(guī)模的現(xiàn)場施工，這種快速擴展能力是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心難以比擬的。模塊化數(shù)據(jù)中心在降低維護時間和成本方面也顯示出優(yōu)勢，維護工作可以局限于特定的模塊，而不會影響整個系統(tǒng)的運作，這種局部維護方式不僅減少了整體的維護成本，也減少了對數(shù)據(jù)中心運營的干擾。模塊化數(shù)據(jù)中心的建設和擴展過程對現(xiàn)場環(huán)境的干擾較小，使得數(shù)據(jù)中心的建設更加符合環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的趨勢。

預制化建設縮短了施工時間。主要組件和模塊在控制良好的工廠環(huán)境中生產(chǎn)，可以并行處理多個建設任務，而不受現(xiàn)場條件的限制。這樣的效率加速了整體建設進程，也使數(shù)據(jù)中心可以更快地投入運營和使用。預制化建設降低了現(xiàn)場施工的復雜性和風險。傳統(tǒng)建設過程中的許多不確定因素，如惡劣天氣條件、現(xiàn)場安全問題和材料供應鏈的不穩(wěn)定性，都可以通過工廠化生產(chǎn)得到有效控制。工廠的生產(chǎn)環(huán)境可以承受更嚴格的質量控制，確保每個組件的制造都達到高標準，為整個項目的建設質量和可靠性做保障。預制化方法還減少了對現(xiàn)場環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的建筑工程常常涉及大規(guī)模的現(xiàn)場作業(yè)和長期的環(huán)境干擾，而預制化建設將這些活動轉移到工廠中，大大減輕了對建設現(xiàn)場周邊環(huán)境的影響，這一點對于位于城市或其他敏感環(huán)境中的項目尤為重要。預制化建設不僅提高了建設效率和項目質量，也為數(shù)據(jù)中心的快速部署和靈活擴展提供了有效途徑。隨著技術的進步和建設方法的不斷優(yōu)化，預制化建設將繼續(xù)在未來的數(shù)據(jù)中心項目中發(fā)揮關鍵作用，支持業(yè)務的快速發(fā)展和創(chuàng)新需求。

四、算力中心運營管理優(yōu)化策略

（一）綠色節(jié)能技術

算力中心的綠色節(jié)能技術是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。在諸多優(yōu)化策略中，利用機器學習技術進行溫度優(yōu)化是一個有前景的方向。通過動態(tài)調整數(shù)據(jù)中心的溫度設定點，可以達到最佳的能效表現(xiàn)。例如，基于線性回歸的優(yōu)化技術已經(jīng)在實踐中證明可以顯著提高電源使用效率（PUE），從而減少冷卻系統(tǒng)的負荷。這種方法利用歷史數(shù)據(jù)建立溫度與能耗之間的線性關系模型，然后根據(jù)模型預測的結果實時調整溫度設定值，使之始終保持在最佳的能效點附近。與傳統(tǒng)的固定溫度控制方式相比，動態(tài)優(yōu)化策略可以在保證設備安全運行的前提下，最大限度地降低能源消耗。除了溫度優(yōu)化，使用數(shù)據(jù)中心基礎設施管理（DCIM）和計算流體動力學（CFD）技術也是提高算力中心運營效率的有效手段。DCIM系統(tǒng)可以全面監(jiān)控數(shù)據(jù)中心的能源使用情況，并提供可視化的能耗分析報告，幫助運營團隊及時發(fā)現(xiàn)和解決能效問題。DCIM與CFD軟件無縫集成，模擬不同設備布局和氣流組織方案對溫度場的影響，從而優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的布局和氣流管理，通過合理布置IT設備和冷卻設備，調整冷熱通道的隔離措施，引導冷量精準送達熱源，顯著改善數(shù)據(jù)中心的溫度分布均勻性，避免局部過冷或過熱現(xiàn)象的發(fā)生，從而在保證設備可靠運行的同時，最小化冷卻能耗，提高整體能效水平。

近年來，聯(lián)合熱電冷三聯(lián)供技術在算力中心領域得到越來越多的應用。這種技術通過吸收數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的廢熱，驅動吸收式制冷機組為數(shù)據(jù)中心提供冷量，同時將余熱用于供暖或者發(fā)電，實現(xiàn)了能源的梯級利用，大大提高了能源利用效率。與傳統(tǒng)的分離式供電供冷方案相比，熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)將數(shù)據(jù)中心的PUE值降低10%以上，不僅節(jié)約了運營成本，更是踐行了綠色低碳的理念。在具體實施過程中，需要針對數(shù)據(jù)中心的負荷特性和當?shù)氐臍夂驐l件，合理設計三聯(lián)供系統(tǒng)的供熱制冷能力和運行參數(shù)，以達到電力和冷量的最佳平衡，實現(xiàn)整體能效的協(xié)同優(yōu)化。與硬件優(yōu)化措施相配套，軟件層面的節(jié)能策略也不容忽視，動態(tài)電源管理就是一個很好的例子。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)往往采用恒定的供電電壓，而實際IT設備的用電負載卻是動態(tài)變化的，導致了能源浪費。動態(tài)電源管理策略根據(jù)實時的負載需求，動態(tài)調整電源模塊的輸出電壓和供電方式，減少不必要的能耗損失。例如，在負載較低時，選擇高效的單一供電模式，關閉不需要的電源模塊；而在負載較高時，則切換到冗余供電模式，提高供電可靠性。這種按需供電的策略不僅可以節(jié)約電能，還能延長電源設備的使用壽命，通過對非關鍵性負載實施峰值負載抑制（Peak Shaving）等措施，削減高峰用電需求，在降低運營成本的同時，減輕電網(wǎng)的調峰壓力[3]。

（二）智能化運營管理

隨著算力中心規(guī)模和復雜度的不斷增長，傳統(tǒng)的人工運維方式已經(jīng)難以滿足高效率、高可靠、低成本的要求。因此，引入智能化的運營管理技術和手段成為算力中心優(yōu)化的必然選擇。先進的智能監(jiān)控系統(tǒng)和自動化管理工具，顯著提升算力中心的運營效率，降低人力成本，減少因人為失誤導致的故障風險，同時還能增強系統(tǒng)的可靠性和安全性。在眾多智能化運營管理的優(yōu)化策略中，構建一個集成的監(jiān)控與管理平臺是至關重要的基礎。這個平臺需要能夠覆蓋數(shù)據(jù)中心的各個方面，包括IT設備、環(huán)境設施、電力系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等，實現(xiàn)對各類設備和環(huán)境參數(shù)的實時采集、展示、分析和控制。通過數(shù)據(jù)的綜合集成和關聯(lián)分析，智能監(jiān)控平臺準確評估當前的資源利用狀況、能耗水平、健康度等關鍵運營指標，并通過可視化的儀表盤和報表，直觀地向運維人員呈現(xiàn)，從而支撐管理決策。同時，平臺還應具備異常檢測和智能告警的能力，主動識別各種潛在的故障隱患，并采取自動化的應對措施，及時處置突發(fā)事件，最大限度地降低故障導致的損失。

在算力中心的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中往往存在大量的噪聲和冗余，給實時分析和決策帶來挑戰(zhàn)。因此，智能監(jiān)控系統(tǒng)還需要引入復雜事件處理（CEP）技術，對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件流進行實時過濾、關聯(lián)、聚合和模式匹配，快速甄別有價值的信息，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到?jīng)Q策的自動化流程。CEP引擎通過用戶自定義的規(guī)則，靈活設置各種閾值條件和觸發(fā)動作，自動響應不同的監(jiān)測事件。例如，當環(huán)境溫度或者設備能耗超過預設的安全范圍時，系統(tǒng)自動觸發(fā)空調或者休眠等控制指令，及時降低風險，CEP通過多個事件的時序關聯(lián)，智能診斷問題的根本原因，減少人工分析的工作量[4]。

五、算力中心運營管理案例分析

（一）國內外典型算力中心案例

華為云數(shù)據(jù)中心是中國領先的云計算和數(shù)據(jù)中心解決方案提供商之一，他們采用了先進的智能化運營管理系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)中心的高效、可靠運行。對華為云數(shù)據(jù)中心運營管理進行了詳細分析，使用了eSight ICT統(tǒng)一管理系統(tǒng)實時監(jiān)控和管理數(shù)據(jù)中心的各種環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、供電情況等。通過這套集成的智能化運營管理平臺，華為能夠實時監(jiān)控、優(yōu)化環(huán)境參數(shù)，確保數(shù)據(jù)中心在最佳條件下運行，減少能耗和運營成本，可視化管理簡化運營流程。華為云數(shù)據(jù)中心還采用了先進的自動化管理工具，自動化控制系統(tǒng)用于監(jiān)控和調整數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，實現(xiàn)最優(yōu)性能。例如，通過自動化控制系統(tǒng)可以動態(tài)調整空調的工作狀態(tài)，確保溫度和濕度在設定范圍內，降低能源消耗。采用模塊化的數(shù)據(jù)中心設計，使得數(shù)據(jù)中心能夠快速響應業(yè)務需求的變化，提高靈活性和可擴展性。這種設計不僅簡化了數(shù)據(jù)中心的建設和擴展過程，還提高了維護和管理的便捷性。華為還使用了Stratus everRun軟件，通過冗余設計和故障轉移機制確保業(yè)務的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的完整性。在能源優(yōu)化方面，華為采用了Cold Logik和RDHx解決方案，顯著降低了能源和冷卻成本。利用先進的冷卻技術使得華為能夠在不增加物理空間的情況下增加更多的服務器，滿足不斷增長的業(yè)務需求。在陜西省財政廳的金融管理信息化建設中，華為云平臺通過共享服務平臺提高了組織架構的清晰度和員工的工作效率，推動了財政向價值創(chuàng)造的轉型。

谷歌的數(shù)據(jù)中心是全球最先進和最知名的算力中心之一，采用了一系列智能化運營管理和綠色節(jié)能技術，使數(shù)據(jù)中心保持高效和可持續(xù)運行。谷歌使用了高度智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控和管理所有關鍵設備和環(huán)境參數(shù)。這些系統(tǒng)使用先進的傳感器和數(shù)據(jù)分析工具，允許實時檢測和預測設備故障，優(yōu)化資源配置。他們利用機器學習和人工智能技術優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能耗管理。通過分析傳感器數(shù)據(jù)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的運行，從而降低能耗，提高能源效率。據(jù)研究，谷歌通過這一方法實現(xiàn)了40%的冷卻能耗節(jié)省。谷歌與艾倫·麥克阿瑟基金會合作，致力于在數(shù)據(jù)中心實施循環(huán)經(jīng)濟原則，最大限度地利用和再利用所有材料。他們的主要策略包括維護、翻新、再利用和回收。例如，谷歌定期對服務器和其他設備進行翻新和再利用。當服務器部件需要更換時，谷歌優(yōu)先使用翻新部件，這些部件從之前的谷歌服務器中回收而來。谷歌是全球最大的企業(yè)級可再生能源購買者之一，所有數(shù)據(jù)中心都使用100%可再生能源供電，不僅減少了碳足跡，還大大降低了運營成本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高效運行和環(huán)境保護的雙贏目標。

（二）案例中的優(yōu)化策略應用

華為和谷歌的優(yōu)化策略使用eSight ICT統(tǒng)一管理系統(tǒng)，減少能耗和運營成本，提高管理效率；使用自動化控制系統(tǒng)監(jiān)控和調整冷卻系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，模塊化設計快速響應業(yè)務需求；使用Stratus everRun軟件，減少停機時間和保障數(shù)據(jù)安全；采用Cold Logik和RDHx解決方案優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，降低能源和冷卻成本，增加服務器容量[5]。這里面值得大家借鑒的智能化管理與實時監(jiān)控顯著提高了數(shù)據(jù)中心的運營效率和可靠性；使用可再生能源和遵守循環(huán)經(jīng)濟原則，實現(xiàn)了高效運行和環(huán)境保護的雙贏目標；模塊化設計和冗余系統(tǒng)確保了數(shù)據(jù)中心能夠快速響應業(yè)務需求變化，保障業(yè)務連續(xù)性。

六、未來發(fā)展方向與挑戰(zhàn)

現(xiàn)在發(fā)展的AI和機器學習未來廣泛應用于數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控和管理中。利用AI技術數(shù)據(jù)中心可以實現(xiàn)自我優(yōu)化、自我修復和預防性維護。機器人可以提供服務器的自動化安裝和維護，減少人工干預，從而提高效率。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)中心可以實現(xiàn)高度安全的分布式數(shù)據(jù)管理和透明的資源調度。太陽能、風能等可再生能源結合能源存儲技術，可以使數(shù)據(jù)中心不停電。

就未來的挑戰(zhàn)而言，專業(yè)人才的短缺現(xiàn)象日益嚴重，技術的不斷迭代需要現(xiàn)有人員持續(xù)培訓和技能更新，以適應新技術和工具。IT設備在技術的快速發(fā)展下，數(shù)據(jù)中心需要頻繁更新和更換設備，增加了管理復雜性和成本。通過不斷的創(chuàng)新和優(yōu)化管理策略，這些挑戰(zhàn)可以得到有效應對，為算力中心的持續(xù)發(fā)展提供保障。

七、結語

本文探討了算力中心的構建與運營管理是現(xiàn)代信息技術發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。通過采用先進的智能化管理系統(tǒng)和綠色節(jié)能技術，數(shù)據(jù)中心能夠實現(xiàn)高效、可靠和可持續(xù)的運營。利用華為云數(shù)據(jù)中心和谷歌數(shù)據(jù)中心的案例，看到了模塊化設計、預制化建設、一體化管理、自動化控制、AI與機器學習優(yōu)化能耗管理等策略的實施效果。未來算力中心將繼續(xù)在智能化、綠色節(jié)能和靈活設計方面進行探索和創(chuàng)新，讓新技術和政策的結合應對能源效率、數(shù)據(jù)安全、技術更新和人才短缺等挑戰(zhàn)，推動算力中心的持續(xù)發(fā)展和優(yōu)化。不斷的技術創(chuàng)新和管理優(yōu)化將能夠更好地支持各種復雜計算任務與滿足不斷增長的業(yè)務需求。

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作者單位：重慶純智信息技術有限公司

■ 責任編輯：王穎振、楊惠娟