關于化解“云計算時代”數據中心能耗難題的探討

于世江+武旭升+關泰璐　廖秋敏

摘 要 云計算是當前ICT領域重要發展方向。近年來，各地大力發展云計算，建設了大批數據中心，但往往由于建設偏重于性能指標，忽視了數據中心本身的能耗，導致實際運維中出現了很多問題。本文對當前數據中心的節能問題做出了思考，并給出了具體的解決方案，為將來數據中心的建設提供思路和依據。

【關鍵詞】云計算 數據中心 探討

隨著“云計算時代”的來臨，越來越多的政府機關、企事業單位開始逐步將各自的業務信息系統向“云”上遷移，云計算行業已經成為未來ICT（（Information Communication Technology）領域中發展的重要方向。隨著云計算需求量的增大，越來越多的數據中心開始在各地建立起來。盡管云計算本身能夠提高效率，避免計算資源的浪費，但同時，云計算自身的能耗問題也逐步凸顯出來。

根據權威機構的研究結果表明，數據中心耗費了全球1.5%至2%的電力，并且以每年12%的增長率增長。全球數據中心耗電量同樣驚人，據IDC報告，2005年全球數據中心的耗電量是全球用電量的0.8%。2007年全球數據中心耗費的總能量達到了3300億千瓦時，相當于整個英國的電力需求。美國環保署報告，2011年美國的數據中心全年累計耗電1000億千瓦時，占全美當年總耗電量的1.5%，電費約74億美元。數據中心已經成為名副其實的“電老虎”。同時，數據中心電力的消耗會帶來大量的碳排放，自2008年以來，全球數據中心每年都產生大約8000萬噸二氧化碳，據預估，在2020年碳排放將達到3.4億噸。

作為發展中國家，中國未來經濟的發展必須走節能環保之路。云計算作為當前ICT發展重點方向，也必須尋找出一整套行之有效的節能技術手段。在數據中心的建設過程中，綜合當前技術發展現狀，應從以下三個方面開展技術革新，節約能源，建設更“綠色”的數據中心。

1 IT節能技術的革新

IT技術是云計算技術的核心，目前業界對于IT技術的研究重心已經由發展初期關注如何提高計算系統的高速度高性能，轉向如何提高計算系統的計算效率（提高能耗比）。云計算的數據中心是所有計算和存儲的中心，因此要構建“綠色”的數據中心，首先從IT節能技術的革新開始。

CPU體系結構的變化。CPU作為計算機的“心臟”主要有CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令系統計算機）和RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令系統計算機）兩種體系結構。Intel公司出品的X86系列CPU就是典型的CISC產品，其特點是指令復雜，指令長度較長，編解碼復雜，需要分解成多個微指令去執行，雖然便于提高計算機性能，但導致能耗大，相對而言，能耗比偏低。相對于此，大家常用的手機、PAD等智能移動終端多以ARM系列CPU為主，特點是性能相對較差，能耗低。隨著近年來，電子技術飛速發展，以ARM為代表的CPU已經在能耗比上逐漸超越X86，并在計算密集型應用中逐漸嶄露頭角，逐漸引入到數據中心建設中。以百度為例，2012年底，該公司實現ARM Server全球首次規模化應用。并將GPU應用于機器學習領域。通過對程序的重構和優化，實現CPU單核加速400倍，將每瓦特的計算能力提升34倍的成果，大幅降低數據中心能耗。

存儲技術的改進。當前計算機系統主要采用機械式硬盤，優點是技術成熟、價格低廉、使用方便，缺點是能耗較高。通過引入固態硬盤（Solid State Drive）將極大地緩解存儲設備的能耗問題。固態硬盤，使用閃存顆粒作為存儲單元，不再采用傳統的機械存儲方法，使用模擬的方式虛擬出傳統硬盤存取方式和扇區等，區別于傳統機械式硬盤，突出特點是沒有機械結構，利用傳統的NAND Flash特性，以區塊寫入和抹除的方式來作讀寫的功能，因此在讀寫的效率上，非常依賴閃存技術的發展。與傳統機械式硬盤比較，具有低耗電、耐震、穩定性高、耐低溫等優點。IBM近期推出“FlashSystem”系列全閃存存儲服務器，有關負責人指出：數據中心建設中，采用SSD建設方案不僅有性能優勢，也更省電，且在散熱措施上的投資也要比傳統硬盤小很多，綜合來看，采用SSD技術是符合當前技術發展潮流的。

研發低能耗操作系統。隨著基礎硬件平臺的演變，低能耗的ARM系列CPU和SSD硬盤的廣泛使用，操作系統也需要全面調整體系結構，應將“低能耗，高效率、適度資源使用”原則作為未來計算機操作系統的重要設計原則。例如，微軟在Windows 7操作系統中推出ReadyBoost的技術，通過閃存減少常用軟件從較慢的機械硬盤中調用的次數，把讀取延誤減至最低，相應提高性能的同時，降低了能耗。未來在服務器操作系統中，將出現更多的新技術，為降低服務器功耗提供更多的技術支持。

2 機房系統的技術革新

根據最新統計，機房系統占整個數據中心的電耗比例已經達到45%，其中冷源部分占到2/3。綠色數據中心的構建，機房系統的節能解決方案成了重中之重，刻不容緩。

采用自然冷卻的冷水機組。數據中心通常都需要常年不間斷供冷，常規的制冷系統，室外溫度即使是低于或遠低于其循環冷凍水溫的情況下冷水機組也需要照常運行。自然冷卻（Freecooling）機組與常規冷水機組最大的區別在于它帶有獨特的風冷自然冷卻換熱器，其運行優先利用天然環境的低溫空氣冷卻循環冷凍水，可以實現無壓縮機運行制冷，顯著節省壓縮機的電耗。在夏季，自然冷卻機組與常規空調一樣仍舊采用壓縮機制冷。在過渡季，當環境溫度達到比冷凍水回水溫度低2℃或以上時，開起自然冷卻，利用冷空氣的冷量預冷冷凍水，無需壓縮機功耗；自然冷卻不足部分，再由常規壓縮制冷接力，從而減少了系統功耗。在冬季，完全靠自然冷卻冷卻冷凍水，不需壓縮機開起，只需少量風扇電耗，能效比高達20以上。通過自然冷卻技術，在過渡季和冬季減少了壓縮機工作時間和強度，有效降低了制冷功耗。與常規的冷水機組相比，據計算，北京所在緯度地區為例，常年節電達到30%-38%。endprint

熱回收技術利用。大型數據中心常年需要不間斷的冷源，需要冷水機組高效制冷完成。而與數據中心配套的周邊辦公、運維和宿舍在冬季卻同時需要大量的熱量來解決供暖問題。在常規設計中，供暖需要鍋爐或熱泵解決，需要消耗大量的能源。新的熱回收技術，免費利用制冷機組在制冷時候向環境中排放的冷凝熱來加熱供暖系統，從而不需要鍋爐或熱泵系統。在冬季需要供暖時，系統回收冷凝熱來實現，多余的冷凝熱仍舊排放到環境中去。由于實現制冷機組的冷熱聯供，空調綜合能效比達到9-10，這是其他任何冷機效率所無法比擬的。采用這種熱回收技術，一個數據中心的上萬平方米的辦公、運維和宿舍都可以實現免費供暖。

高效磁懸浮變頻離心冷水機組。磁懸浮離心壓縮機代表了當今最先進的壓縮機技術趨勢。變頻驅動的高效磁懸浮無油離心式壓縮機采用磁懸浮軸承技術，高性能脈寬調制（PWM）永磁同步電動機，其轉速隨負荷變化而自動調節，確保機組在各工況下始終處于最佳運行狀態，使機組在滿負荷及部分負荷時均能高效運行。無油潤滑磁懸浮軸承，無任何接觸摩擦，無需潤滑油系統，顯著增加機組可靠性，保養簡單方便；無換熱器油膜熱阻，可提高蒸發、冷凝換熱效率達15%左右，提升離心機組運行效率。采用該技術建設的空調機組具有當前最高的使用效率，無論在滿負荷下，還是在部分負荷下，機組都有非常高的能效系數，空調綜合能效比值達到10。

3 數據中心建設的技術革新

解決計算時代數據中心的能耗問題，除了在IT技術和機房系統的節能方面做出努力外，還需要在數據中心建設上做出整體的節能考慮，目前主要數據中心建設節能技術革新主要體現在以下兩個方面：

全面使用DCIM軟件。傳統數據中心的基礎設施運行效率低下是運維中的長期困擾，企業在初期缺少合理的規模設計，并在后期未能提高總體的管控能力是關鍵因素。為此多功能的數據中心基礎設施管理（DCIM）軟件作為一種解決方案被引入進了企業，全球已有上百家公司提供數據中心基礎設施解決方案。DCIM 解決方案可幫助CIO收集個人設備的電源和冷卻系統信息以及測量的能源消耗情況，動態配置能源使用方案。如艾默生電氣公司的Trellis平臺，被康普收購的iTRACS公司，都可以幫助企業積極主動地管理能源使用和自動執行的內部任務計劃，以降低運營成本。DCIM軟件管理讓IT管理人員與設備管理人員可以更好地交流并協同工作，顯而易見的好處是可以實現至少30%的節能效果，有助于讓PUE（Power Usage Effectiveness，衡量數據中心能源效率指標）值降至1.22甚至更低。根據IDC研究，DCIM有望在未來幾年保持穩健的增長態勢。在2011年， DCIM軟件和服務的市場總額達2.47億美元。到2016年，DCIM市場將增長到6.9億美元，年增長率為22.8%。

加強能源效率審計。近年來，企業對能效審計工作越來越關注，國外的很多成功經驗也表明，能效管理將成為決定企業發展的“軟實力”。德國能效博士柯文諾表示：“高能耗企業發展到今天，年產值已經不再是企業強大與否的唯一指標，重不重視節能技術正成為決定企業成敗的關鍵因素?！睌祿行倪\維過程中，信息化部門可通過定期審計并分析有關數據，實時掌握能耗情況，便于確定能耗突出點，從而有針對性地完善方案，優化配置。數據中心通過引入能源效率審計，有助于進一步節能工作的開展。

目前，信息技術正在日新月異的發展，云計算逐步在我國落地。從資源節約角度，云計算為我們的節能、環保提供了一個非常好的發展方向，但是大規模的云計算數據中心的建設又給我們帶來了數據中心能耗突出的實際問題。因此，我們既要用好云計算，同時也要管好云計算，只有通過IT技術革新、機房系統建設技術革新、數據中心技術革新等多項節能舉措并行，才能更好的將云計算為我們建設服務，才能真正的享受云計算帶來的種種好處。

參考文獻

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[4]王珂.數據中心節能的前沿高招.暢享網，[Z].2013.

作者單位

1.中國五礦集團公司 北京市 100044

2.中節能科技投資有限公司 北京市 100082

3.北京市政務信息安全應急處置中心 北京市 100101

4.廣播科學研究院技術經濟研究所 北京市 100866endprint