數據中心 節電有奇招

如何降低數據中心的電力成本？一些很容易實現的方法并不需要多大的投入，且見效快、效果明顯，何不嘗試一下？

如今數據中心管理人員的日子并不好過，他們既要滿足競爭更激烈的市場給企業帶來的需求，又要應對經濟疲軟導致的預算有限的局面。他們在想方設法降低運營成本，而增長速度最快、比重最大的一項運營成本就是電力成本，服務器和冷卻系統是其中的耗電大戶。

一些有效的節能方法常常需要投入大筆的前期資金，幾年后才能獲得投資回報。相反，一些經常被忽視的方法卻幾乎不需要什么成本，但這些方法有時卻不被重視，原因可能是它們看起來似乎不切實際或者過于激進。本文介紹的幾種節電方法在實際的數據中心環境中都經過測試和考驗，而且證明其確實有效。有些方法立即就可以運用，不需要多大投資；而另一些方法可能需要投入資金，但是獲得回報的速度比傳統的IT開支要快。

衡量數據中心能效的最佳標準是電力使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），這個數值越小越好，1.0是理想目標。PUE把數據中心的總耗電量與用于處理實際計算任務的耗電量進行比較，如果是2.0，則意味著輸送給數據中心的2瓦電等到輸送給服務器時只剩下了1瓦，而損耗的電轉換成了熱量，這個熱量又需要消耗電力（通過傳統的數據中心冷卻系統）來排出去。

與所有簡單的衡量標準一樣，PUE也是衡量用電效率的一種標準。它并不考慮其他能源，比如周圍環境能源、地熱能或者氫燃料電池，其實這些能源可以利用起來，降低總的電力成本。下面介紹的方法有的能大幅降低PUE，有的不能，但只要查看數據中心每月的電費賬單，就能更簡單地評估其效果。這些方法中找不到太陽能、風能或者氫能，因為這些非傳統能源需要投入大筆資金，而就當前的經濟形勢而言，這無法立即節省成本。相比之下，以下方法沒有一個比使用風扇和管道更復雜。這些方法的價值在于，它們不是相互排斥的，可以混合搭配多種方法，以符合短期預算和長期目標。

將溫度調高

最簡單的節電方法是我們馬上就能實施的，那就是調高數據中心的溫度。一般來說，常規的做法是將數據中心的溫度設定在攝氏20度或更低，而理由是這個溫度能延長設備的使用壽命，并且萬一冷卻系統發生了故障，能有更多的時間來應對。

以往的經驗表明，運行環境的溫度一高，服務器等部件發生故障的幾率確實加大，硬盤更是如此。但近些年來，IT經濟突破了重要的臨界點，服務器的運營成本通常超過了購置成本，這使得削減運營成本比維護硬件來得更重要。

在去年召開的GreenNet大會上，谷歌公司能源主管Bill Weihl分享了谷歌在調高數據中心溫度方面的成功經驗。他表示，可以安全地把26.7攝氏度（80華氏度）作為新的設定點，只要數據中心滿足一個簡單的先決條件：盡可能把熱空氣流與冷空氣流分開；如果需要的話，使用窗簾或堅固的屏障。

雖然26.7攝氏度是一個“安全”的溫度值，但微軟的經驗表明，溫度可以調得更高些。微軟位于愛爾蘭都柏林的數據中心就在“不用冷卻裝置”的情況下運行，它使用室外空氣自然冷卻，服務器的進口溫度高達35攝氏度。但這里要注意的是，如果溫度超過某個值，效果就會遞減，那是由于需要加快服務器風扇的轉速，這本身也加大了耗電量。

關閉未用的服務器

虛擬化技術體現了關閉未使用的處理器、硬盤和內存帶來的節能優勢。既然如此，何不索性關閉整臺服務器？為了提高業務靈活性，讓服務器隨時待命，增加這些服務器的耗電量，這值得嗎？如果你能找到可以關閉服務器的機會，對于這些服務器來說，其耗電量就是零。

不過，對此有人持不同的意見。首先，大家通常認為開關機操作會縮短服務器的使用壽命，因為開關機會給主板電容器等非熱插拔部件造成損耗。這其實是一個誤區。實際上，制造服務器所用的部件與可以頻繁開關機的設備（比如汽車和醫療設備）所用的部件常常一樣。沒有證據表明服務器的頻繁開關機操作會縮短平均故障間隔時間（MTBF）。

第二個反對意見是，服務器需要太長的時間來啟動。其實，我們可以加快服務器的啟動，比如關閉不必要的啟動時診斷檢查、從已經在運行的快照映像啟動，以及利用一些硬件中的熱啟動功能。

第三個反對意見是，如果我們必須啟動服務器以適應更大的負載，不管啟動速度多快，用戶都不會等待。不過，大多數應用軟件架構與其說拒絕新用戶，還不如說只是處理請求的速度更慢而已，所以用戶沒有意識到自己在等待服務器啟動。應用軟件受到人數限制影響時，用戶已表明自己愿意等待，只要向他們提供一條簡單的“我們在啟動更多的服務器來加快處理你的請求”的消息即可。

使用固態硬盤

由于固態硬盤（SSD）讀取數據速度快、耗電量小、散熱量非常低，廣泛應用于上網本、平板電腦和筆記本電腦，以及服務器。但至今，SSD的成本和可靠性仍然是影響用戶采用的一大障礙。不過，SSD的價格在過去兩年有了大幅下降，使它很適用于數據中心的節能，但前提是將它用于合適的應用環境。使用得當的話，SSD能大幅降低磁盤陣列的供電和冷卻費用，耗電量可降低50%，散熱量接近于零。

SSD目前沒有解決的一個問題是寫入操作次數有限，適合服務器存儲的單層單元（SLC）SSD目前可以寫入500萬次，而成本較低的消費級多層單元（MLC）SSD的存儲容量更大，但壽命只有SLC的1/10。

SSD有一個好處，即購買來SSD后，馬上就能換掉耗電量和散熱量都很大的現有的硬盤。為了迅速減少耗電量，我們可以用SSD來存儲只讀型的龐大數據集，比如視頻流文件。使用SSD不但能立即提升性能，還可以降低電力和冷卻成本。

應選擇專門為服務器設計、而不是為臺式機設計的SSD。這類SSD通常擁有多通道架構，可以提高傳輸速率。最常見的接口是SATA 2.0，傳輸速率為3Gbps。更高端的SAS SSD（如日立/英特爾Ultrastar SSD系列）可達到6Gbps速率，存儲容量高達400GB。雖然固態硬盤設備存在一些設計缺陷，但這些缺陷主要歸因于涉及BIOS密碼和加密的臺式機及筆記本電腦驅動程序，而服務器的存儲設備與這些因素無關。

最初需要花費心思來監控SSD的使用情況。英特爾及其他SSD制造商提供的分析工具，既能跟蹤寫入故障事件，還能跟蹤讀取和寫入周期。SSD會自動重新安排寫入操作，以便設備磨損均勻，這一過程被稱為負載均衡，同時還能檢測一些錯誤，并進行恢復。如果開始出現嚴重的寫入故障時，那就該更換SSD了。

熱量再利用

使用數據中心的熱量為辦公區域供暖，這可以實現節能效果翻番。在寒冷的天氣時，只用室外空氣就能獲得為辦公區域供暖，滿足任何額外冷卻需求所需的全部熱量。

與自然空氣冷卻不一樣，我們可能再也不需要現有的供暖系統。如果室外很暖和，本身就不需要暖氣爐，也不用擔心服務器機房的電子設備釋放出來的煙氣引起的化學污染，符合《電氣、電子設備中限制使用某些有害物質指令（RoHS）》的服務器在制造時就不含對環境有害的污染物，比如鎘、鉛、汞和多溴混合物。

與自然空氣冷卻一樣，惟一需要的技術是空調方面的傳統技術，如風扇、管道和溫度調節器。我們會發現，數據中心生成的熱量多得足以換掉傳統的供暖系統。IBM建在瑞士Uitikon的數據中心就能夠免費為市政游泳池供暖，其節省的能源相當于能為80戶家庭供暖。TelecityGroup Paris數據中心甚至使用服務器產生的廢熱，為常年恒溫的溫室供暖，以便研究天氣變化。

重新配置暖氣爐系統絕不是一個周末就能搞定的項目，但成本可能很低，一年內就能獲得節能效益。

用室外空氣自然冷卻

較高的數據中心溫度可以更容易地利用所謂的自然空氣冷卻，也就是使用溫度較低的室外空氣作為冷空氣來源，避免使用昂貴的冷卻裝置，就像微軟在愛爾蘭的數據中心那樣。如果你試圖將數據中心的溫度保持在26.7攝氏度，而室外氣溫是21攝氏度，那只要將室外空氣引入數據中心，就能滿足所需的冷卻要求。

采用這種方法比前面說到的調高數據中心溫度要復雜一點，因為必須重新布設管道，以引入室外空氣，并安裝基本的安全裝置，比如空氣過濾器、除濕器、防火擋板和溫度傳感器等，確保室外空氣不會破壞靈敏的電子設備。

在對照試驗環境中，英特爾使用自然冷卻方法，把耗電量減少了74%。試驗是將兩輛塞滿服務器的拖車使用10個月，一個使用傳統的冷卻裝置，另一個結合使用冷卻裝置和過濾掉粗顆粒雜質的室外空氣。自然冷卻的拖車在91%的時間能夠完全使用室外空氣冷卻。英特爾還發現，自然空氣冷卻的服務器里面積了一層厚厚的灰塵，這證明需要進行有效的細顆粒雜質過濾。這可能得經常更換過濾器，所以要考慮可清潔、可反復使用的過濾器所需的成本。

盡管灰塵很多，濕度變化很大，但英特爾發現，自然空氣冷卻的拖車故障率并沒有增加。如果將其推廣到耗電量為10兆瓦的數據中心，這相當于每年可省下近300萬美元的冷卻成本，還能少用7600萬加侖的水，而水在一些地方本身就是一種昂貴的商品。

選擇直流電

直流電卷土重來。隨著電力技術的興衰起伏，這種看似變化不定的能源再度流行起來，其魅力很簡單：服務器在內部使用直流電，所以，為服務器直接供應直流電有望節省費用，因為不需要服務器內部電源將交流電轉換成直流電。

直流電在本世紀初大受歡迎，因為當時的服務器電源在數據中心的轉換效率只有75%。但是后來，電源效率得到了改進，數據中心改用更高效的208伏交流電。到了2007年，直流電開始不受歡迎，它的大名甚至赫然出現在《InfoWorld》雜志于2008年刊發的《被揭穿的十大節電神話》文章中。之后，到了2009年，由于市場上出現了高電壓數據中心產品，于是直流電強勢反彈。

2009年推出了一種新的數據中心設備，可以將1.3萬伏交流電直接轉換成575伏直流電，然后直流電可以直接配送到機架，最后降壓轉換器再把575伏直流電變成48伏直流電，供機架里面的服務器使用。每次轉換的效率比原有的交流電變壓器技術大約高出一倍，散熱量也低得多。有廠商聲稱，算上電力和冷卻兩方面的節省，最多可以節能50%，但大多數專家表示節能25%比較可信。

這個方法不需要在新技術方面投入什么資金，涉及的技術也并不復雜，而且被證明很可靠。一個潛在的隱性成本是，需要更粗的銅纜來配送48伏直流電。焦耳定律表明，由于電流強度更高，更低電壓需要更粗的導體來輸送與更高電壓一樣大的電力。數據中心方面的另一個成本因素是，與交流電相比，直流電遠距離配送時，電壓下降幅度較大（每100英尺就下降約20%）。這就是為什么48伏交流電轉換在機架里面進行，而不是在市電配電間里進行。

當然，轉換成直流電要求服務器能夠兼容48伏直流電電源。這對于一些服務器來說，改換直流電只要更換電源，就這么簡單。基于機箱的服務器（如刀片服務器）改換成本更低，因為許多服務器共享一個電源系統。谷歌采用了技術含量低的權宜之計，即把服務器的電源換成了12伏電池，聲稱與交流電供電的傳統UPS（不間斷電源）基礎設施相比，其效率高達99%。

如果一個數據中心正計劃進行服務器升級，那么可以考慮使用直接由575伏直流電供電的更龐大系統；全新建造數據中心的話，那就可以直接采用直流電，Syracuse 大學去年建造數據中心時就采用了575直流電為IBM z和Power大型機供電。

將熱量埋入地下

在比較熱的地區，自然冷卻可能不是一年到頭都能使用。比如，美國愛荷華州的冬季不是很冷，但夏季酷熱難耐，氣溫在32.2攝氏度到37.8攝氏度之間，這顯然不適合通過室外冷空氣進行冷卻。

但一旦往下挖幾英尺深，地表溫度常常很穩定，而且比較低。面對下雨或高溫之類的室外天氣狀況，傳統設備可能不堪重負，而地表下土壤受到的影響則比較小。通過把管道埋到地下，將為服務器降溫的熱水轉移到地下；周圍土壤可以通過傳導作用，散發熱量。

同樣，這項技術并不高深，但地熱冷卻的確需要埋設相當多的管道。安裝成功的地熱冷卻系統還需要事先認真分析。由于數據中心不斷生成熱量，把這些熱量僅引到一片地下散熱區會導致局部飽和以及冷卻效果下降。如果分析數據中心附近的土壤性能，就能確定某片區域能夠吸收多少熱量、地下蓄水層的熱量傳導是否會幫助改進散熱，以及對環境會有什么樣的影響。

在美國愛荷華州，ACT大學的入學考試機構為建在愛荷華城的數據中心部署了一個地熱散熱系統。美國內布拉斯加州的另一家公司Prairie Bunkers正力求對其Data Center Park數據中心采用地熱冷卻，把幾個占地5000平方英尺的彈藥庫改造成了幾個完全獨立的數據中心。

將熱量排進大海

與地熱散熱系統不同，海洋對于數據中心來說實際上是一個無限大的散熱系統。但關鍵是數據中心靠近大海，哪怕是湖泊也能起到同樣的作用，任何水域夠廣的湖泊都能充當冷卻蓄水池，比如美國和加拿大之間的五大湖。

最佳的海水冷卻場景是數據中心島嶼，它可以利用周邊的海洋，使用將海水變成淡水的熱交換器來冷卻數據中心。這個想法真是太棒了，谷歌早在2007年就申請了專利。不過，谷歌采用的方法離本文討論的目標相去甚遠，因為它第一步是要買下或建造一個島。

但是，如果數據中心已經很靠近海岸、大湖或者內陸水路，那么這個想法并非很不靠譜。幾十年來，核電站就使用海水和湖水來用于冷卻。據報道，谷歌將這個方法應用于其在芬蘭哈米納的數據中心，這是由一家紙漿廠改造過來的。使用波羅的海的冰冷海水作為這個新建大型數據中心的惟一冷卻來源，并在緊急狀況下供水滅火，這表明了谷歌高度信任這種方法的可靠性。紙漿廠本來就有一個入海口，鋪設了直徑兩英尺的管道，從而降低了這個項目的實施成本。

淡水湖一直被成功地用于冷卻數據中心。美國康奈爾大學在紐約州Ithaca的校園就使用來自附近Cayuga湖的湖水，該湖蓄水量達到了2.5萬兆加侖，不僅用來冷卻數據中心，還用來冷卻整個校園。這套開創了先河的冷卻設施名為Lake Source Cooling（湖水冷卻），它于2000年建成，每小時可以抽取3.5萬加侖的湖水，將零攝氏度的湖水配送給2.5英里之外的校園建筑。

咸水和淡水冷卻系統都需要一種價格昂貴的部件，那就是把天然水與直接用來冷卻數據中心的水分開來的熱交換器。為了保護環境和靈敏的服務器設備，這種分離必不可少。不過，除了這種部件外就不需要比普通水管更復雜的設備了。