摘要：云計(jì)算平臺(tái)通過資源整合優(yōu)化、動(dòng)態(tài)調(diào)度和集中管理監(jiān)控等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能。資源整合利用虛擬化技術(shù)提高利用率，動(dòng)態(tài)調(diào)度根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整資源配置，集中管理監(jiān)控提供全面視圖優(yōu)化資源分配。Google和Meta的案例展示了這些技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，如服務(wù)器虛擬化、自然冷卻和智能資源調(diào)度系統(tǒng)等顯著降低了能源消耗，提高了運(yùn)營(yíng)效率，為行業(yè)樹立了節(jié)能減排標(biāo)桿。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；云計(jì)算平臺(tái)；節(jié)能特性；能源消耗

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.015

中圖分類號(hào)：TP 308 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Research and Analysis on Reducing Energy Consumption in Data Centers Through Energy-saving Features of Cloud Computing Platforms

WANG Xuesong

（Jianxin Financial Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200000， China）

Abstract： Cloud computing platforms achieve energy efficiency in data centers through resource integration optimization， dynamic scheduling， and centralized management and monitoring. Resource integration utilizes virtualization technology to improve utilization， dynamically schedules and adjusts resource allocation in real-time according to demand， and centrally manages and monitors to provide a comprehensive view and optimize resource allocation. The cases of Google and Meta demonstrate the practical application effects of these technologies， such as server virtualization， natural cooling， and intelligent resource scheduling systems， significantly reducing energy consumption， improving operational efficiency， and setting a benchmark for energy conservation and emission reduction in the industry.

Keywords： data center; cloud computing platform; energy saving characteristics; energy consumption

1 " 數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)及成因

1.1 數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心的能耗系統(tǒng)是由多個(gè)關(guān)鍵組成部分構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，計(jì)算設(shè)備占據(jù)了能源消耗的主導(dǎo)地位，是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)中最為耗能的環(huán)節(jié)。服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等計(jì)算設(shè)備在數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸過程中持續(xù)工作，其能耗占總能耗的50%以上，這些設(shè)備不僅需要直接的電力供應(yīng)來維持運(yùn)行，還會(huì)產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)而增加了制冷系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。制冷設(shè)備是數(shù)據(jù)中心的第二大消耗者，其能耗約占總能耗的30%，為了確保計(jì)算設(shè)備在最佳溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心必須配備強(qiáng)大的制冷系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，將計(jì)算設(shè)備產(chǎn)生的熱量排出，維持適宜的工作環(huán)境。制冷設(shè)備的能耗與數(shù)據(jù)中心的地理位置、氣候條件以及采用的制冷技術(shù)密切相關(guān)。在數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)中，電力傳輸和轉(zhuǎn)換設(shè)備能耗占約20%的份額，這部分設(shè)備包括不間斷電源（UPS）系統(tǒng)、配電單元（PDU）、變壓器等[1]。雖然這些設(shè)備不直接參與數(shù)據(jù)處理，但它們?cè)诖_保數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行中扮演著至關(guān)重要的角色。電力在傳輸過程中的損耗，以及在電壓轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的能量損失，都會(huì)增加這部分的能源消耗。

1.2 能源消耗成因

數(shù)據(jù)中心能源消耗成因是多方面的。能源成本高是數(shù)據(jù)中心面臨的主要挑戰(zhàn)之一，由于數(shù)據(jù)中心需要24小時(shí)不間斷運(yùn)行，其能源消耗量巨大，直接導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本居高不下，這種高昂的能源成本不僅影響了數(shù)據(jù)中心的盈利能力，還限制了其擴(kuò)張和升級(jí)的可能性。高能耗帶來的環(huán)境影響同樣不容忽視，數(shù)據(jù)中心的大量用電主要來自于化石燃料發(fā)電，這意味著高能耗直接轉(zhuǎn)化為大量的碳排放，這些碳排放加劇了氣候變化，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模和數(shù)量的不斷增加，其對(duì)環(huán)境的影響也在不斷擴(kuò)大。持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)設(shè)備壽命的影響是另一個(gè)重要的成因，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備常年處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這種持續(xù)的高強(qiáng)度使用極易導(dǎo)致設(shè)備過熱、性能下降，甚至出現(xiàn)故障，使設(shè)備壽命縮短，不僅增加了維護(hù)和更換成本，還可能造成服務(wù)中斷，影響數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。資源浪費(fèi)是數(shù)據(jù)中心能源消耗的又一個(gè)重要成因，許多數(shù)據(jù)中心的資源利用率較低，大量服務(wù)器處于低負(fù)載或閑置狀態(tài)，卻仍然消耗能源，這種低效的資源利用不僅造成了能源的浪費(fèi)，還降低了數(shù)據(jù)中心的整體效率，資源浪費(fèi)的問題往往緣于傳統(tǒng)的過度配置思維，以及缺乏有效的資源管理和調(diào)度機(jī)制。這些成因相互關(guān)聯(lián)，共同導(dǎo)致了數(shù)據(jù)中心能源消耗的復(fù)雜問題。

2 " 云計(jì)算平臺(tái)的節(jié)能方式

圖1 云計(jì)算平臺(tái)的節(jié)能方式導(dǎo)圖

2.1 資源整合與優(yōu)化

資源整合與優(yōu)化是云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的核心策略之一。云計(jì)算利用虛擬化技術(shù)，將物理資源抽象為邏輯資源，從而實(shí)現(xiàn)了資源的高效整合和靈活利用，這種技術(shù)革新徹底改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的資源管理模式。在虛擬化環(huán)境中，物理服務(wù)器不再局限于運(yùn)行單一的操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序，虛擬化技術(shù)允許在一臺(tái)物理服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)都可以獨(dú)立運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，這種多租戶模式大大提高了物理資源的利用率，使得服務(wù)器的計(jì)算能力得到充分發(fā)揮。通過虛擬化實(shí)現(xiàn)資源整合，顯著減少了數(shù)據(jù)中心所需的物理設(shè)備數(shù)量。在傳統(tǒng)模式下，每個(gè)應(yīng)用或服務(wù)可能需要獨(dú)立的物理服務(wù)器，即便在低負(fù)載時(shí)期也無法充分利用服務(wù)器資源。而在云計(jì)算環(huán)境中，多個(gè)應(yīng)用可以共享同一物理服務(wù)器的資源，根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)分配和調(diào)整，這種高效的資源共享機(jī)制不僅提高了資源利用率，還大幅降低了數(shù)據(jù)中心的能源消耗。虛擬化技術(shù)還為資源的動(dòng)態(tài)管理和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，云計(jì)算平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各虛擬機(jī)的資源使用情況，并根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整資源分配方案，當(dāng)某些虛擬機(jī)負(fù)載較低時(shí)，系統(tǒng)可以將其遷移到其他物理服務(wù)器上，然后關(guān)閉空閑的物理服務(wù)器，進(jìn)一步節(jié)省能源[2]。

2.2 動(dòng)態(tài)調(diào)度資源

動(dòng)態(tài)調(diào)度資源是云計(jì)算平臺(tái)節(jié)能的關(guān)鍵特性，該特性使云平臺(tái)能夠根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)調(diào)整資源配置，從而實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用和能源消耗的最小化。云計(jì)算平臺(tái)的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度系統(tǒng)通過持續(xù)監(jiān)控各應(yīng)用和服務(wù)的資源使用情況，精確捕捉負(fù)載變化，在系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)應(yīng)用的負(fù)載降低時(shí)，會(huì)自動(dòng)減少分配給該應(yīng)用的計(jì)算資源，如CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)空間；相反，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，系統(tǒng)會(huì)迅速增加資源分配，確保應(yīng)用性能不受影響，這種靈活的調(diào)度機(jī)制使得資源分配始終與實(shí)際需求保持一致，有效避免了資源閑置和過度分配的問題。在傳統(tǒng)的靜態(tài)資源分配模式下，為了應(yīng)對(duì)可能的峰值負(fù)載，往往需要過度配置資源，導(dǎo)致大量資源在大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，動(dòng)態(tài)資源調(diào)度徹底改變了這一狀況[3]。通過實(shí)時(shí)調(diào)整，云平臺(tái)可以將閑置資源快速重新分配給其他需要的應(yīng)用或服務(wù)，大幅提高了資源利用率，這不僅降低了不必要的能耗，還提高了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)效率。動(dòng)態(tài)資源調(diào)度的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其對(duì)負(fù)載波動(dòng)的快速響應(yīng)能力，在面對(duì)突發(fā)流量或計(jì)劃外的需求增長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)可以立即分配額外資源，確保服務(wù)質(zhì)量不受影響；同樣，當(dāng)峰值負(fù)載過后，系統(tǒng)會(huì)迅速回收多余資源，避免長(zhǎng)時(shí)間的資源浪費(fèi)，這種敏捷的調(diào)度策略使得云平臺(tái)能夠在保證性能的同時(shí)最大限度地節(jié)約能源。

2.3 集中管理與監(jiān)控

集中管理與監(jiān)控是云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的關(guān)鍵手段，該功能為數(shù)據(jù)中心管理者提供了全面、實(shí)時(shí)的資源使用視圖，使得精確控制和優(yōu)化資源分配成為可能。云平臺(tái)集中管理系統(tǒng)通過部署分布式傳感器和智能代理，可持續(xù)收集各類計(jì)算資源的使用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括CPU利用率、內(nèi)存占用、存儲(chǔ)空間使用情況、網(wǎng)絡(luò)流量等關(guān)鍵指標(biāo)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，系統(tǒng)能夠快速識(shí)別資源使用的異常模式和低效率問題。實(shí)時(shí)監(jiān)控功能使管理者能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)資源利用率低下的情況。例如，某些服務(wù)器可能長(zhǎng)期處于低負(fù)載狀態(tài)，而另一些則可能面臨資源緊張，通過集中監(jiān)控，這些問題可以被迅速識(shí)別并解決，系統(tǒng)可以自動(dòng)觸發(fā)資源重分配流程，將閑置資源轉(zhuǎn)移到需求更高的應(yīng)用或服務(wù)，從而提高整體資源利用率。集中管理平臺(tái)還提供了強(qiáng)大的分析工具，可以生成詳細(xì)的資源使用報(bào)告和趨勢(shì)分析，這些分析結(jié)果可幫助管理者深入了解資源消耗模式，識(shí)別長(zhǎng)期存在的效率問題，基于這些洞察報(bào)告可以制定更加優(yōu)化的資源配置策略和運(yùn)行方案，進(jìn)一步降低能源消耗[4]。自動(dòng)化是集中管理與監(jiān)控系統(tǒng)的另一個(gè)重要特性，基于預(yù)設(shè)的規(guī)則和策略，系統(tǒng)可以自動(dòng)執(zhí)行資源調(diào)整和優(yōu)化操作，無須人工干預(yù)。

3 " 案例分析

3.1 案例一：Google數(shù)據(jù)中心的節(jié)能實(shí)踐

Google作為全球領(lǐng)先的互聯(lián)網(wǎng)公司，在數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面樹立了行業(yè)標(biāo)桿。通過優(yōu)化云計(jì)算平臺(tái)，Google實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。服務(wù)器虛擬化技術(shù)是Google節(jié)能策略的核心。通過將多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行在同一臺(tái)物理服務(wù)器上，Google將服務(wù)器利用率從傳統(tǒng)的10%～15%提升到了80%以上。這一提升直接導(dǎo)致了物理服務(wù)器的數(shù)量大幅減少，據(jù)估計(jì)，Google通過虛擬化技術(shù)減少了約30%的服務(wù)器數(shù)量。根據(jù)Google公布的數(shù)據(jù)，這一措施每年為該公司節(jié)省了數(shù)億美元的能源成本。自然冷卻是Google另一項(xiàng)革命性的節(jié)能措施。Google在芬蘭赫爾辛基等地的數(shù)據(jù)中心充分利用當(dāng)?shù)睾涞臍夂驐l件，采用自然冷卻技術(shù)。這種方法利用外部冷空氣直接冷卻服務(wù)器，大大減少了傳統(tǒng)機(jī)械制冷的使用。數(shù)據(jù)顯示，采用自然冷卻后，Google數(shù)據(jù)中心的制冷能耗降低了40%，相當(dāng)于每年減少約18萬噸的碳排放。動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)是Google節(jié)能策略的又一亮點(diǎn)。Google開發(fā)了一套智能資源調(diào)度系統(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)分配計(jì)算資源。當(dāng)某些應(yīng)用負(fù)載較低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將閑置資源分配給其他高負(fù)載應(yīng)用，或者將低負(fù)載服務(wù)器置于休眠狀態(tài)。這一技術(shù)使Google數(shù)據(jù)中心的平均資源利用率提高了15%～20%，進(jìn)一步降低了能耗。

3.2 案例二：Meta數(shù)據(jù)中心的節(jié)能策略

Meta作為另一家互聯(lián)網(wǎng)巨頭，同樣在數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面起到表率作用。Meta通過一系列創(chuàng)新措施，實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。高效電源設(shè)備的應(yīng)用是Meta節(jié)能策略的重要組成部分。Meta數(shù)據(jù)中心采用了最新的高效電源供應(yīng)單元（PSU）和不間斷電源系統(tǒng)（UPS）。這些設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%，比傳統(tǒng)設(shè)備提高了5%～10%。據(jù)Meta公布的數(shù)據(jù)，僅此一項(xiàng)措施就使得數(shù)據(jù)中心的整體能耗降低了10%～15%。綠色建筑設(shè)計(jì)是Meta數(shù)據(jù)中心節(jié)能的另一大亮點(diǎn)。其在俄勒岡州普萊恩維爾的數(shù)據(jù)中心采用了創(chuàng)新的建筑設(shè)計(jì)，充分利用自然光和自然通風(fēng)。建筑的屋頂和墻面采用了特殊的隔熱材料，減少了熱量傳導(dǎo)。這些措施使得數(shù)據(jù)中心的照明和空調(diào)能耗降低了30%。更令人矚目的是，該數(shù)據(jù)中心的PUE（電能利用效率）值達(dá)到了1.07，遠(yuǎn)低于行業(yè)2.0的平均水平。能源管理系統(tǒng)的部署為Meta提供了精細(xì)化的能源控制能力。Meta開發(fā)了一套名為FBAR（Meta Building Automation and Reliability）的系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理數(shù)據(jù)中心的能源使用情況。該系統(tǒng)通過收集和分析海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行策略。根據(jù)Meta報(bào)告，F(xiàn)BAR系統(tǒng)使數(shù)據(jù)中心的整體能耗降低了約20%，每年為該公司節(jié)省數(shù)千萬美元的能源成本。

Google和Meta的案例充分展示了云計(jì)算平臺(tái)在數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面的巨大潛力。通過虛擬化、自然冷卻、動(dòng)態(tài)調(diào)度、高效設(shè)備和智能管理等技術(shù)手段，這兩家公司不僅大幅降低了能源消耗，還為整個(gè)行業(yè)樹立了節(jié)能減排的標(biāo)桿。

4 " 結(jié)束語

云計(jì)算平臺(tái)為數(shù)據(jù)中心節(jié)能提供了有效解決方案，其通過先進(jìn)技術(shù)手段優(yōu)化資源利用，大幅降低能源消耗。Google和Meta的成功實(shí)踐證明，這些方法不僅在理論上可行，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了顯著成效。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，云計(jì)算平臺(tái)在數(shù)據(jù)中心節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，為實(shí)現(xiàn)綠色、高效的數(shù)據(jù)處理環(huán)境將做出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳光欣.云服務(wù)器的功耗預(yù)測(cè)和功耗封頂節(jié)能技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2021.

[2] 楊馥寧，劉先勤.云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2021（1）：12-13.

[3] 鄭鋒，連懌，韓穎，等.高效節(jié)能新技術(shù)在超大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的研究及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣，2021，12（6）：66-73.

[4] 馬銘.云計(jì)算數(shù)據(jù)中心建設(shè)技術(shù)與服務(wù)模式研究[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2020（9）：103-104，130.