數(shù)據(jù)機(jī)房PUE和節(jié)能的關(guān)系研究

陳強(qiáng)， 朱濤（中國移動通信集團(tuán)上海有限公司，上海 200233）

CHEN Qiang， ZHU Tao（China Mobile Group Shanghai Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

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數(shù)據(jù)機(jī)房PUE和節(jié)能的關(guān)系研究

陳強(qiáng)， 朱濤
（中國移動通信集團(tuán)上海有限公司，上海 200233）

摘 要通過對PUE的計(jì)算公式進(jìn)行分解和推導(dǎo)，解析論述數(shù)據(jù)機(jī)房PUE和節(jié)能之間的關(guān)系，并與數(shù)據(jù)機(jī)房實(shí)際運(yùn)行的情況進(jìn)行對比驗(yàn)證，最后對數(shù)據(jù)機(jī)房的節(jié)能方法進(jìn)行補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)機(jī)房；PUE；節(jié)能；關(guān)系

多年來，國家對節(jié)能減排工作越來重視，對包括通信行業(yè)在內(nèi)的所有企業(yè)提出了加強(qiáng)資源節(jié)約和管理的要求，在“十一五”期間，各電信服務(wù)商都投入了巨大的人力和專項(xiàng)資金落實(shí)節(jié)能減排工作，也取得了很大的成效，單位電信業(yè)務(wù)總量綜合能耗從每萬元68.5 kg標(biāo)準(zhǔn)煤降低到51.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，累計(jì)降低24.9%。

在“十二五”規(guī)劃中，國家進(jìn)一步提出了電子信息行業(yè)能耗降低18%，其中一般數(shù)據(jù)中心PUE下降8%，新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的PUE要達(dá)到1.5以下的目標(biāo)。

PUE只是用電效率的一個(gè)指標(biāo)，最終目的是為了節(jié)能，但是中國移動對數(shù)據(jù)中心有著節(jié)能和PUE兩方面的要求，那么我們就應(yīng)該對這兩方面，特別是這兩者之間的關(guān)系進(jìn)行透徹的研究，這樣才能更好的制定和完成節(jié)能減排的總體目標(biāo)。

1　PUE及其測算

PUE（Power Usage Effectiveness， 電源使用效率）是一個(gè)綜合考量數(shù)據(jù)機(jī)房能耗運(yùn)行水平的評價(jià)值［1］，其最早是由TGG（The Green Grid，綠色網(wǎng)格）在2007年提出來的，同時(shí)被提出來的還有DCE（后來改為DCIE，Datacenter Efficiency）這個(gè)評價(jià)值，DCIE為PUE的倒數(shù)［2］，因此不在此贅述，能耗測量點(diǎn)圖如圖1所示，PUE的計(jì)算公式：

PUE=總設(shè)備用電/IT設(shè)備用電 （1）

總設(shè)備用電：通信用電、空調(diào)用電和建筑基礎(chǔ)用電三者之和，即A點(diǎn)的用電計(jì)量。

IT設(shè)備用電：數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的通信設(shè)備用電，一般指服務(wù)器用電及G點(diǎn)的用電計(jì)量。

PUE大于2.5時(shí)，說明數(shù)據(jù)機(jī)房能效處于較差水平；PUE值在1.4～2.5時(shí)，說明數(shù)據(jù)機(jī)房能效處于一般水平；PUE值小于1.4時(shí)，說明數(shù)據(jù)機(jī)房能效處于優(yōu)秀水平。

圖1　能耗測量點(diǎn)圖

目前，數(shù)據(jù)機(jī)房的PUE水平大致在1.8～2.5之間，個(gè)別機(jī)房因?yàn)椴捎昧俗匀焕湓椿蛘哓?fù)載率比較高，PUE甚至可以做到低于1.5，而有些機(jī)房因?yàn)樨?fù)載率很低，同時(shí)也沒有采用好的節(jié)能措施，其PUE甚至?xí)笥?。

表面看目前的數(shù)據(jù)機(jī)房的PUE值還是可以接受的，但是其存在以局部PUE替代總體PUE的問題，所以PUE看上去比較小，實(shí)際上能耗還是比較大的。以上海移動怒江IDC機(jī)房為例，所有5個(gè)樓層的PUE均在1.8以下，最低的到達(dá)1.46，但是其總設(shè)備用電的測量點(diǎn)不是在圖1的A點(diǎn)位置，而是取E、C和D這3者的和，忽略了UPS設(shè)備自身的消耗電量，所以其PUE值應(yīng)該比目前測量的大0.2左右。如果使用的是冷凍水或者冷卻水系統(tǒng)，則還必須加上水泵和淋水塔風(fēng)扇的用電量［3］。

2　PUE和節(jié)能的關(guān)系

PUE計(jì)算公式中包含通信能耗、空調(diào)能耗、建筑照明能耗以及供電設(shè)備自身的能耗等4個(gè)方面的數(shù)據(jù)，因此節(jié)能可以大致分為通信主設(shè)備節(jié)能、供電設(shè)備節(jié)能、空調(diào)設(shè)備節(jié)能和建筑節(jié)能這4個(gè)方面。

PUE計(jì)算公式的分母是IT設(shè)備用電，其實(shí)也就是通信主設(shè)備用電。分子是總設(shè)備用電，即通信用電、空調(diào)用電和建筑基礎(chǔ)用電三者之和。其中通信用電又包含通信主設(shè)備用電、電源設(shè)備損耗和配電線路損耗三部分，因此說4個(gè)節(jié)能方面都包含在PUE計(jì)算公式中，為了便于推導(dǎo)它們之間的關(guān)系，對計(jì)算公式進(jìn)行分解。

PUE=（IT設(shè)備用電+電源設(shè)備損耗+配電損耗+空調(diào)設(shè)備用電+建筑用電）/IT設(shè)備用電 （2）

電源設(shè)備損耗用電根據(jù)其供電效率而不同，老舊的通信電源因其負(fù)載率小于50%低時(shí)，其效率往往低于0.8，近年來隨著模塊化UPS和高壓直流設(shè)備的引入，其負(fù)載率在30%時(shí)的效率可以達(dá)到0.9以上。

綜上，設(shè)IT設(shè)備用電為變量t，則PUE計(jì)算公式套入經(jīng)驗(yàn)值后變形為：合并同類項(xiàng)后

下面分別對通信主設(shè)備節(jié)能、供電設(shè)備節(jié)能、空調(diào)設(shè)備節(jié)能和建筑節(jié)能這4個(gè)方面與PUE的關(guān)系進(jìn)行研究。

2.1通信主設(shè)備節(jié)能與PUE的關(guān)系

就是研究t變化時(shí)PUE值的變化情況，對式（4）進(jìn)行求導(dǎo)即可，求導(dǎo)后得到：t2

因?yàn)槭剑?）恒為負(fù)值，因此隨著IT設(shè)備用電量的增大，PUE值變小，當(dāng)采用云計(jì)算、虛擬化等主設(shè)備節(jié)能手段后，IT設(shè)備用電量減小了，PUE值反而增大了。

由此可見反映機(jī)房能耗效率的指標(biāo)PUE，在反映通信主設(shè)備節(jié)能上，是不正確的，甚至是相反的，這是PUE這一指標(biāo)的局限性，要引起特別的注意［4］。

2.2供電設(shè)備節(jié)能與PUE的關(guān)系

在主設(shè)備用電不變的情況下，在式（4）中，反映供電設(shè)備節(jié)能的是分子中的第二項(xiàng)的系數(shù)0.23，所謂供電設(shè)備節(jié)能，就是對此項(xiàng)系數(shù)的改變，當(dāng)采用了高效供電設(shè)備，或者供電設(shè)備被調(diào)整到運(yùn)行在比較高效的工況時(shí)，此項(xiàng)系數(shù)會變小，反之則變大。

因此供電設(shè)備節(jié)能會使PUE值變小，能夠正確地反映機(jī)房能效水平。

2.3空調(diào)設(shè)備節(jié)能與PUE的關(guān)系

在主設(shè)備用電不變的情況下，同供電設(shè)備節(jié)能相類似的是，在式（4）中，反映空調(diào)設(shè)備節(jié)能的是分子中的第3項(xiàng)的系數(shù)0.6，理論上空調(diào)設(shè)備節(jié)能，就是對此項(xiàng)系數(shù)的改變，當(dāng)采用了高能效比的空調(diào)設(shè)備，或者空調(diào)設(shè)備被調(diào)整到運(yùn)行在比較高效的工況時(shí)，此項(xiàng)系數(shù)會變小，反之則變大。

因此空調(diào)設(shè)備節(jié)能會使PUE值變小，能夠正確地反映機(jī)房能效水平。

2.4建筑節(jié)能與PUE的關(guān)系

建筑用電在式（4）中是分子中的常數(shù)項(xiàng)，不同于供電設(shè)備和空調(diào)設(shè)備，在機(jī)房和人員確定后，其基本不受主設(shè)備用電的影響，因此顯而易見，當(dāng)建筑采用了節(jié)能手段后，PUE值下降，反之上升。

因此建筑節(jié)能會使PUE值變小，能夠正確地反映機(jī)房能效水平。

3　實(shí)際運(yùn)行對兩者關(guān)系的驗(yàn)證和補(bǔ)充

在上海移動十幾年的數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)行維護(hù)過程中，經(jīng)歷了多次的IT設(shè)備和技術(shù)升級、電源設(shè)備升級更新、空調(diào)設(shè)備升級更新，以及機(jī)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的變遷，因此可以作為對上面理論上論述的PUE和各種節(jié)能技術(shù)或手段之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。

首先說主設(shè)備的方面，當(dāng)?shù)镀瑱C(jī)逐漸代替老式的服務(wù)器，或者機(jī)房從建設(shè)之初的低裝機(jī)率到后來裝機(jī)率上升到一定程度，PUE的變化是明顯的，那就是隨著通信負(fù)載的增大，PUE整體而言是呈下降趨勢。而隨著近幾年云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的逐漸引入，某些機(jī)房的主設(shè)備用電量反而下降了，隨之PUE卻有增大的趨勢，這一現(xiàn)象說明上面論述的主設(shè)備節(jié)能和PUE之間的關(guān)系是正確的。

其次是供電設(shè)備的更新升級，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展成熟，數(shù)據(jù)機(jī)房供電設(shè)備也發(fā)生了很大的變化，由最早的清一色的6脈沖的UPS，發(fā)展到12脈沖UPS，再到高頻機(jī)UPS，再到模塊化UPS，直到近兩年逐漸引入的高壓直流設(shè)備，撇開設(shè)備本身的可靠性、可用性指標(biāo)不談，其工作效率確實(shí)是在不斷的提高，這就使得供電設(shè)備本身消耗的電能下降了，引起了PUE值的下降，驗(yàn)證了供電設(shè)備節(jié)能和PUE之間的關(guān)系。

然后是空調(diào)設(shè)備的更新升級，空調(diào)采購上，由以前的能效比2.5、3提升到了目前的4，室外工況也由以前的25℃提升到了目前的35℃，因此空調(diào)的節(jié)能效果有了很大的提升，在通信負(fù)載發(fā)熱不變的情況下，機(jī)房PUE有了很大的下降，這一點(diǎn)也驗(yàn)證了空調(diào)設(shè)備節(jié)能和PUE之間的關(guān)系。

最后是建筑節(jié)能這塊，數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的變遷有些不能說是嚴(yán)格意義上的建筑節(jié)能，比如冷熱通道分離、冷通道封閉等，應(yīng)該偏空調(diào)節(jié)能多一點(diǎn)，但是對建筑節(jié)能也有影響，完全屬于建筑節(jié)能的應(yīng)該是數(shù)據(jù)機(jī)房禁止開窗，隔熱材料等，這些措施在數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用較少，反而是基站應(yīng)用的較多，數(shù)據(jù)機(jī)房用的較多的是減少機(jī)房日光燈的開啟數(shù)量這一管理手段，取得了很好的節(jié)能效果，當(dāng)然因?yàn)榻ㄖ秒娺@塊在數(shù)據(jù)機(jī)房用電占比較小，所以對PUE的影響不大，但是變化趨勢是沒有問題的，驗(yàn)證了建筑節(jié)能和PUE之間的關(guān)系。

這里要補(bǔ)充一點(diǎn)的是，雖然上述4個(gè)方面都驗(yàn)證了節(jié)能和PUE之間的關(guān)系，但是實(shí)際運(yùn)行中的變化曲線并非嚴(yán)格按照式（4）的算術(shù)關(guān)系所形成的光滑曲線，而是階梯狀的，帶有斷點(diǎn)的形狀，如圖2、圖3所示。

比如說一個(gè)已經(jīng)有一定裝機(jī)率的數(shù)據(jù)機(jī)房，現(xiàn)在要增加IT設(shè)備負(fù)載，按照我們上面論述的關(guān)系研究，其機(jī)房PUE應(yīng)該是隨著IT設(shè)備負(fù)載的增加而逐漸下降。但是實(shí)際情況并不完全如此，當(dāng)下降到一定程度時(shí)，PUE反而會在某一點(diǎn)上有個(gè)跳躍上升的斷點(diǎn)，然后再以此斷點(diǎn)開始新一段的下降過程。

圖2　理論關(guān)系圖

圖3　實(shí)際關(guān)系圖

造成這種情況的原因是空調(diào)因素，因?yàn)樵谑剑?）中，空調(diào)分項(xiàng)是0.6 t，這是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，是在實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上為了簡化空調(diào)因素的作用而總結(jié)的，是假設(shè)空調(diào)用電量會隨著IT設(shè)備用電量同步上升或者下降，但實(shí)際上目前數(shù)據(jù)機(jī)房使用的大多數(shù)空調(diào)不是這樣的，首先有個(gè)運(yùn)行工況的概念，效率隨著工況變化，還有就是空調(diào)的開啟關(guān)閉是以臺為單位的，并不是一個(gè)以冷量為單位的平滑曲線，如果因IT設(shè)備負(fù)載增加而增加開啟的空調(diào)制冷量和新增的熱量這兩者不匹配，就會造成關(guān)系曲線斷點(diǎn)的形成，而這兩者在絕大多數(shù)情況下是不可能匹配的。

目前逐步引入帶EC風(fēng)機(jī)的空調(diào)能使得實(shí)際關(guān)系曲線更平滑一些，但是并不能完全消除斷點(diǎn)。

4　總結(jié)

到目前為止，PUE仍然是被業(yè)界廣泛接受的數(shù)據(jù)機(jī)房能效指標(biāo)，雖然PUE在面對云計(jì)算、虛擬化等IT新技術(shù)時(shí)表現(xiàn)出了一定的局限性，而且還存在一些不合理的地方，例如清理關(guān)閉數(shù)據(jù)機(jī)房的僵尸服務(wù)器反而會使得PUE上升等。

從邏輯上來講，既然是關(guān)于數(shù)據(jù)機(jī)房的指標(biāo)，必然需要和數(shù)據(jù)機(jī)房的數(shù)據(jù)流量或者服務(wù)器的計(jì)算工作量有關(guān)，才能完整反映數(shù)據(jù)機(jī)房的運(yùn)行水平。但是可能這方面的統(tǒng)計(jì)比較困難，所以還沒有一個(gè)可以替代PUE，且能被業(yè)界廣泛接受的指標(biāo)。所以PUE還是數(shù)據(jù)機(jī)房最重要的一個(gè)能耗指標(biāo)，我們還是很有必要緊緊把握其與節(jié)能之間的關(guān)系，以指導(dǎo)我們更好地完成節(jié)能減排工作。

參考文獻(xiàn)

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［4］ QUANTITATIVE EFFICIENCY ANALYSIS OF POWER DISTRIBUTION CONFIGURATIONS FOR DATA CENTERS［R］. TGG， 2008.

CHEN Qiang， ZHU Tao
（China Mobile Group Shanghai Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Relationship of PUE and energy saving in data center

Keywordsdata center； PUE； energy saving； relationship

AbstractThe essay notes the relationship of PUE and energy saving in data center base on the decomposition and derivation of the PUE calculating formula.Verifying and complementing the relationship by the actual operation and experience in data center.

中圖分類號TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1008-5599（2016）05-0081-04

收稿日期：2016-03-01