數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排研究

陳劍皓 符嘉成

摘 要：節(jié)能減排是目前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主題，特別是在中國當(dāng)前提出“雙碳目標(biāo)”之后，顯得非常重要。如何把節(jié)能減排融合到信息技術(shù)中，是數(shù)據(jù)中心日益關(guān)心的問題。油價(jià)和煤碳價(jià)格的上漲，導(dǎo)致電價(jià)不斷上漲，大型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本也持續(xù)上漲。如何對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行改造，降低其運(yùn)營成本，助力“雙碳”目標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心關(guān)注的焦點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;節(jié)能減排

一、數(shù)據(jù)中心能耗分析

數(shù)據(jù)中心能耗包括服務(wù)器IT設(shè)備的能耗、空調(diào)制冷的能耗、UPS損耗的能耗、照明的能源及其它能耗。據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會（ASHRAE）技術(shù)委員會9.9（簡稱TC9.9）統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如下圖所示：

由上圖可以看出，數(shù)據(jù)中心能耗主要集中在空調(diào)制冷及服務(wù)器能耗兩大部分，因此研究數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能和服務(wù)器機(jī)柜節(jié)能可以有效降低數(shù)據(jù)中心能耗水平。

二、制冷系統(tǒng)節(jié)能研究

1、FreeCooling模式研究

FreeCooling即自由冷，是利用自然環(huán)境中的外界空氣溫度來降低儲水溫度的一種方法。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)應(yīng)遵循制冷系統(tǒng)的原理和技術(shù)架構(gòu)，影響其能耗的要素是溫度差、壓力差、傳導(dǎo)路徑、換熱工質(zhì)、設(shè)計(jì)選型、設(shè)備效率、自然冷卻利用空間等。本文以北方W集團(tuán)數(shù)據(jù)中心為實(shí)力進(jìn)行分析，該數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)采用自然冷卻（FreeCooling）技術(shù)，通過該技術(shù)使W集團(tuán)數(shù)據(jù)中心達(dá)到節(jié)能減排的目的。

該數(shù)據(jù)中心面積約6000平方米，2015年投入運(yùn)行。數(shù)據(jù)中心采用FreeCooling制冷模式。由于數(shù)據(jù)機(jī)房IT設(shè)備及其工藝對環(huán)境溫度要求嚴(yán)格，空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行，合理利用免費(fèi)的自然環(huán)境能源降低數(shù)據(jù)機(jī)房的運(yùn)行能耗。在冬季及過渡季節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)探測到外界溫度低于4℃時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令，指示冷水機(jī)組停止工作，此時(shí)在冷卻塔經(jīng)過自然降溫之后的冷卻水會和經(jīng)精密空調(diào)排出的的熱水將會在板式換熱器處進(jìn)行熱交換，從而將熱量帶走，達(dá)到使數(shù)據(jù)中心降溫的目的。在整個(gè)過程中，冷水機(jī)組是不工作的，也就是沒有能耗，從而達(dá)到節(jié)能的效果。在春夏季或者外界溫度高于4℃時(shí)，F(xiàn)reeCooling制冷模式將停止工作，制冷系統(tǒng)恢復(fù)到正常模式，些時(shí)冷水機(jī)組是處于正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)示意圖如下圖所示：

當(dāng)使用FreeCooling制冷模式進(jìn)行工作時(shí)，外界溫度通常會比較低，必須注意冷卻塔結(jié)冰的現(xiàn)象發(fā)生，一旦發(fā)生結(jié)冰，冷卻水無法傳輸至板式換熱器，則無法對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行降溫。

經(jīng)過多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，W集團(tuán)數(shù)據(jù)中心一般從每年11月份至次年3月份運(yùn)行FreeCooling制冷模式，每年可節(jié)省4個(gè)月左右的冷水機(jī)組能耗，節(jié)能減排效果非常好。下表是該數(shù)據(jù)中心某年5月份到次年4月份的用電統(tǒng)計(jì)表。從表中我們可以看出，當(dāng)使用FreeCooling制冷模式，節(jié)能效果是非常明顯的。

三、服務(wù)器節(jié)能研究

服務(wù)器節(jié)能我們可以分成兩種形式進(jìn)行，一種是關(guān)閉沒用使用的服務(wù)器;另一種是對服務(wù)器本身的能耗進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1、關(guān)閉沒有使用的服務(wù)器

通過服務(wù)器運(yùn)維系統(tǒng)可以整理出一些處于空閑的服務(wù)器，并對其進(jìn)行關(guān)閉操作，那么這些服務(wù)器的能耗就能為零。但需要考慮的是服務(wù)器重新啟動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)長，不過通?？梢酝ㄟ^關(guān)閉不必要的導(dǎo)入時(shí)間診斷工具來加快服務(wù)器啟動(dòng)的速度，從已經(jīng)在運(yùn)行的快照映像中直接導(dǎo)入和采用某些硬件中提供的熱啟動(dòng)功能。

2、服務(wù)器內(nèi)部節(jié)能

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的節(jié)能，是在不降低服務(wù)器運(yùn)行性能的前提下進(jìn)行的。工進(jìn)行節(jié)能，我們首先應(yīng)該了解服務(wù)器的耗能情況，在整個(gè)服務(wù)器中，CPU和顯卡是耗能最大的，內(nèi)存則其次，最后是磁盤。如果我們能通過一些手段在不降低服務(wù)器性能的前提下，降低其中某部分器件的能耗，則可以達(dá)到節(jié)能的目的。

1、CPU節(jié)能

CPU即是服務(wù)器的核心部件，也是能耗源頭，不少節(jié)能方案里都提到過CPU的節(jié)能。目前CPU節(jié)能技術(shù)主要有三類：增強(qiáng)型深度休眠技術(shù)，通過該技術(shù)CPU在空閑輕負(fù)載狀態(tài)可以降低工作電壓與倍頻。Intel的CPU還支持一種EIST節(jié)能技術(shù)，通過開啟EIST，能夠讓CPU根據(jù)實(shí)際使用情況來自己控制頻率和電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功耗的控制。AMD也推出了“涼又靜”也是一項(xiàng)讓處理器在閑置狀態(tài)下自動(dòng)降低電壓與頻率的節(jié)能技術(shù)。所有這些CPU節(jié)能技術(shù)原理都是讓CPU可以按需工作，在空閑的時(shí)候?qū)⒐ぷ黝l率降低下來，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器節(jié)能。

2、顯卡節(jié)能

有一些服務(wù)器是不含顯卡的，但有一些則是包含的。對于包含顯卡的服務(wù)器，我們?nèi)绾芜M(jìn)行節(jié)能呢？通過使用Nvidia的PowerMize技術(shù)對GPU進(jìn)行設(shè)置，為服務(wù)器在性能和功耗之間取得最優(yōu)化平衡，從而到節(jié)能效果。一般是提高電壓來傳遞峰值性能，而PowerMizer技術(shù)正好相反，它采用業(yè)界最低的1.575V使系統(tǒng)耗電最小化，同時(shí)還保持提供最快的圖形方案。即使在電池滿負(fù)荷工作模式下，PowerMize技術(shù)GPU在標(biāo)準(zhǔn)辦公程序中的功耗也不到0.5W。

3、內(nèi)存節(jié)能

內(nèi)存是除CPU之外，能耗最高的部件。內(nèi)存節(jié)能技術(shù)有：DDR SDRAM、DDR3 SDRAM甚至DDR4等，這些內(nèi)存具有更低的電壓，當(dāng)沒有讀寫操作時(shí)，可以通過Reset命令使它停止所有操作，切換到最少活動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能目的。還可以在內(nèi)存布線密度上下功夫，也可以達(dá)到節(jié)能的目的。內(nèi)存一般都是50納米，50納米指的是半導(dǎo)體元件基板電路間的連線寬度為50納米，如今已經(jīng)出現(xiàn)了40納米、甚至30納米，這意味著在同樣的空間中可以容納更多的電路。

4、磁盤節(jié)能

（1） 選用高容量磁盤驅(qū)動(dòng)器

典型的SATA磁盤驅(qū)動(dòng)器，與相同容量的光纖通道 （Fibre Channel） 磁盤驅(qū)動(dòng)器相比，可以節(jié)省大約一半的能源。同時(shí)，它們可以提供高的磁盤驅(qū)動(dòng)器可用存儲密度，進(jìn)一步降低能源消耗。一些具有磁盤修復(fù)及數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)的SATA磁盤正日趨流行，成為很多企業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

（2）減少磁盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)量，防止磁盤故障

SATA磁盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)存儲量比光纖通道主磁盤驅(qū)動(dòng)器多，但我們不能因此而忽略了數(shù)據(jù)可靠性。當(dāng)前流行的雙區(qū)間 （Dual-parity） RAID-DP，能夠提供更高的存儲利用率和錯(cuò)誤容忍度，可同時(shí)修復(fù)兩個(gè)故障磁盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)。

（3）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到更高效的存儲系統(tǒng)

為確保有效地使用存儲資源，可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到次存儲系統(tǒng)以減低主存儲的負(fù)荷。一個(gè)完善的信息服務(wù)器能自動(dòng)把存取率較低的數(shù)據(jù)，自動(dòng)由主存儲器轉(zhuǎn)移到存儲效益較高的次存儲系統(tǒng)去。

（4）提高利用率

據(jù)業(yè)內(nèi)估計(jì)，存儲利用率只有25%-40%，即大約有60%-75% 的存儲容量還沒有被使用，卻在不停地消耗能源。市場上有些方案能有效解決這個(gè)問題，通過共享存儲，讓所有磁盤都可以存取數(shù)據(jù)，平均存儲利用率可高達(dá)60%.。

不難看出，機(jī)房服務(wù)器內(nèi)部節(jié)能節(jié)能的方法都遵循了一個(gè)原則，那就是按需分配。根據(jù)部件運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)，來提供合適的功耗，不浪費(fèi)一點(diǎn)多余的能耗。一點(diǎn)點(diǎn)能耗看似微不足道，但是一點(diǎn)點(diǎn)的累積，再放大到整個(gè)數(shù)據(jù)中心，這將是一項(xiàng)巨大能耗節(jié)約。通過服務(wù)器的節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中節(jié)能發(fā)展之路。

四、結(jié)語

數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排是機(jī)房建設(shè)及運(yùn)營過程中應(yīng)該持續(xù)關(guān)注的問題。本文在分析數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗分布的基礎(chǔ)上，對能耗占比較大的制冷和服器能耗兩大部分進(jìn)行研究，找出節(jié)能減排的方法。數(shù)據(jù)中心規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)維的整個(gè)過程中，除了要考慮機(jī)房性能以外，節(jié)能減排的理念，也是非常重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]應(yīng)寅.淺析數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能技術(shù)策略[J].智能建筑與智慧城市，2021（10）：110-111.

[2]馬愛平. 新型電力系統(tǒng)助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)[N]. 科技日報(bào)，2021-10-21（003）.

[3]趙語涵. 上半年我國全社會用電量同比增16.2%[N]. 北京日報(bào)，2021-10-21（012）.

[4]孟靜，趙莎，岑煒. 為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供更精準(zhǔn)的時(shí)間服務(wù)[N]. 國家電網(wǎng)報(bào)，2021-10-19（008）.

[5]翁爽，朱彤. 構(gòu)建新型電力系統(tǒng) 全力保障能源供應(yīng)[N]. 科技日報(bào)，2021-10-19（006）.

[6]張一鳴. 新型電力系統(tǒng)構(gòu)建迫在眉睫[N]. 中國經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào)，2021-10-18（003）.

[7]李偉陽. 新型電力系統(tǒng)構(gòu)建需要全新的底層邏輯[N]. 中國能源報(bào)，2021-10-18（004）.

[8]李偉陽. 新型電力系統(tǒng)底層邏輯演進(jìn)的十點(diǎn)思考[N]. 中國能源報(bào)，2021-10-18（025）.

[9]白宇. 聚力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn) 建言新型電力系統(tǒng)[N]. 中國電力報(bào)，2021-10-16（005）.

[10]沈佳.數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能改造效果評價(jià)方法和驗(yàn)證[J].智能建筑與智慧城市，2021（06）：109-110.

[11]張晟，李超，梁剛強(qiáng)，顧翀，龔延風(fēng).數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能運(yùn)行現(xiàn)狀與問題分析[J].江蘇建筑，2021（02）：101-105.

[12]劉劍楠.IDC機(jī)房節(jié)能技術(shù)研究分析[J].中國信息化，2021（04）：106-108.

[13]紀(jì)中銳.數(shù)據(jù)中心機(jī)房的維護(hù)與節(jié)能方法[J].集成電路應(yīng)用，2020，37（11）：90-91.