基于云數(shù)據(jù)中心服務(wù)能力的評(píng)估指標(biāo)研究

唐懷坤，程瑩瑩

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

自2010年開始，我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模以每兩年翻一番的速度增長。根據(jù)工信部首次公布的《全國數(shù)據(jù)中心應(yīng)用發(fā)展指引（2017）》，截至2016年底，我國在用數(shù)據(jù)中心共計(jì)1 641個(gè)，總體裝機(jī)規(guī)模達(dá)到995.2萬臺(tái)服務(wù)器，規(guī)劃在建數(shù)據(jù)中心共計(jì)437個(gè)，規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模約1 000萬臺(tái)服務(wù)器[1]。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2019年底，總裝機(jī)規(guī)模更是有飛躍式增長。進(jìn)入2020年，在5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的快速演進(jìn)和新冠肺炎疫情倒逼的形勢(shì)下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量呈爆發(fā)式增長，對(duì)數(shù)據(jù)中心提出了更高要求。2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)把數(shù)據(jù)中心建設(shè)上升到國家新型基礎(chǔ)設(shè)施層面。可以預(yù)見，數(shù)據(jù)中心將迎來建設(shè)高潮。

根據(jù)建設(shè)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營用電成本平均占到數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本的50%以上，在電價(jià)相對(duì)較高的數(shù)據(jù)中心熱點(diǎn)地區(qū)甚至占到運(yùn)營成本的70%。國際環(huán)保組織綠色和平與華北電力大學(xué)近日聯(lián)合發(fā)布的《點(diǎn)亮綠色云端：中國數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》研究結(jié)果表明：2018年中國數(shù)據(jù)中心總用電量占全社會(huì)用電量的2.35%[2]。因此，由Green Grid于2006年發(fā)布的用于衡量數(shù)據(jù)中心用電效率的PUE，一直是數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)營方和政府管理部門重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。自2013年起，各級(jí)政府發(fā)布的數(shù)據(jù)中心PUE限制指標(biāo)呈不斷升級(jí)趨勢(shì)，經(jīng)歷了從1.5的推薦性指標(biāo)上升到1.3的限制性指標(biāo)的過程。

Green Grid發(fā)布的PUE計(jì)算公式為[3]：

其中，數(shù)據(jù)中心的總耗電是指維持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的所有耗電，包括IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)和其他設(shè)施的耗電總和。如果數(shù)據(jù)中心所在建筑同時(shí)用于辦公等其他用途，則辦公等所消耗的電能不包括在數(shù)據(jù)中心總耗電中。IT設(shè)備耗電指機(jī)房內(nèi)芯片級(jí)主設(shè)備耗電。在數(shù)據(jù)中心中，只有IT設(shè)備的耗電被認(rèn)為是“有意義”的電能。

PUE衡量數(shù)據(jù)中心的電耗簡(jiǎn)潔、直接，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心能耗管理和運(yùn)營成本管理。但是，該指標(biāo)忽略了數(shù)據(jù)中心能耗多樣性和耗電主體是服務(wù)器設(shè)備，且評(píng)價(jià)機(jī)制和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)存在主觀性等問題。如何落實(shí)并通過科學(xué)的模型或方法規(guī)范數(shù)據(jù)中心能耗管理，是擺在數(shù)據(jù)中心建設(shè)單位和政府考核單位的研究課題之一。

1 數(shù)據(jù)中心能耗及PUE現(xiàn)狀水平分析

根據(jù)業(yè)內(nèi)接觸的多個(gè)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營能耗統(tǒng)計(jì)，運(yùn)行成本支出最大的組成是用電消耗。為盡可能降低用電支出，大型互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛嘗試不同途徑降低PUE。自2015年以來，百度、阿里、騰訊等大型互聯(lián)網(wǎng)公司建設(shè)運(yùn)營數(shù)據(jù)中心過程中，因地制宜采用不同方式降低機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施電能消耗，使得我國數(shù)據(jù)中心PUE接近國際先進(jìn)水平，典型項(xiàng)目如表1所示。

表1 百度、阿里、騰訊等大型互聯(lián)網(wǎng)公司典型數(shù)據(jù)中心PUE

但是，根據(jù)中國信息通信研究院發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心白皮書（2018）》，我國大型數(shù)據(jù)中心能效整體水平相對(duì)較低。截至2017年底，受上架率影響，全國在用超大型數(shù)據(jù)中心平均運(yùn)行PUE 1.63，大型數(shù)據(jù)中心平均1.54[4]。工信部在2017年4月發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》中指出：到2020年，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的能耗效率（PUE）值必須達(dá)到1.4以下。

2 PUE局限性分析

根據(jù)PUE計(jì)算公式，降低PUE值主要是通過控制數(shù)據(jù)中心機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施的電耗，進(jìn)而達(dá)到減少建設(shè)運(yùn)營單位電費(fèi)成本支出的目的。然而，該計(jì)算方式?jīng)]有考慮IT設(shè)備本身性能、數(shù)據(jù)中心運(yùn)營模式及PUE測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)等因素對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)營整體效益的影響。

2.1 IT設(shè)備本身性能的影響

由PUE的計(jì)算方法可以看出，數(shù)據(jù)中心的耗電設(shè)備主要是IT設(shè)備。降低PUE值只是減少了機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施的電耗，忽略了從數(shù)據(jù)中心整體能耗方面考慮時(shí)，IT設(shè)備是數(shù)據(jù)中心耗電主體的情況。在服務(wù)能力不變的情況下，如果IT系統(tǒng)設(shè)備電耗加大，會(huì)出現(xiàn)PUE值降低但是整體用電成本卻可能上升的情況。因此，降低IT設(shè)備的電耗對(duì)降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本具有重要意義。

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營中，采用專用的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器和對(duì)冷熱數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)應(yīng)用優(yōu)化等技術(shù)，均可不同程度降低IT系統(tǒng)的能耗，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電耗成本最優(yōu)，但可能會(huì)導(dǎo)致PUE指標(biāo)不降反升，失去數(shù)據(jù)中心電耗水平風(fēng)向標(biāo)的意義。

2.2 數(shù)據(jù)中心運(yùn)營模式影響

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營模式經(jīng)歷了機(jī)柜出租、帶寬出租與運(yùn)營支撐為主的階段。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI等技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前數(shù)據(jù)中心運(yùn)營正在邁入“云計(jì)算流量”收費(fèi)階段。今后的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心服務(wù)形式以云計(jì)算流量為單位，按需提供，按“流量”收費(fèi)，并逐漸代替目前的按機(jī)柜出租收取租金的方式。根據(jù)IDC統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，國內(nèi)“云計(jì)算”產(chǎn)業(yè)未來幾年將以每年20%以上的復(fù)合增長率快速發(fā)展[5]。由于“云計(jì)算流量”輸出運(yùn)營模式，機(jī)房電源、空調(diào)、油機(jī)等機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施和IT設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)容量和最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)中心能源使用效率。多個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)不確定性分析和敏感性風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果表明，收入增加對(duì)整個(gè)項(xiàng)目內(nèi)部收益率的正面影響最明顯，也是投資運(yùn)營單位最樂意看到的結(jié)果。

綜上所述，PUE指標(biāo)不是從數(shù)據(jù)中心整體能耗角度考慮，表征的結(jié)果是IT設(shè)備的節(jié)能與機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能互相促進(jìn)的博弈過程，無法全面衡量數(shù)據(jù)中心的耗能效益情況。

2.3 測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)影響

在工信部電信研究院2012年4月份公布的《數(shù)據(jù)中心能效測(cè)評(píng)指南》中，就地理位置、選定時(shí)間、單機(jī)架功耗、功率密度以及IT設(shè)備上架率的不確定性對(duì)PUE的影響，具體到城市、時(shí)間段、單機(jī)柜功率密度、數(shù)據(jù)中心規(guī)模、上架率及負(fù)荷使用比例、建筑形式、數(shù)據(jù)中心用途、供電和制冷方式、間接測(cè)量方式和估算方法[6]。實(shí)際上，這么多約定因素降低了數(shù)據(jù)中心的橫向可比性。同時(shí)，IT設(shè)備在AC/DC轉(zhuǎn)換過程中有能量損耗，甚至有的設(shè)備直接采用機(jī)架式EPS電源，要求選取合適的輸入IT設(shè)備能耗測(cè)量點(diǎn)，增加了據(jù)此測(cè)算的PUE值不確定性，影響PUE作為數(shù)據(jù)中心評(píng)估指標(biāo)的客觀性。

因此，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)營中，PUE指標(biāo)是無法充分考慮數(shù)據(jù)中心整體性、服務(wù)能力的有效性及評(píng)估的客觀性。隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G等信息技術(shù)的發(fā)展，PUE指標(biāo)用于衡量數(shù)據(jù)中心的全面性的不足會(huì)進(jìn)一步凸顯。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

3.1 數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)營效率評(píng)估理念分析

數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)、長期的工程，投資大，安全保障要求高。受需求、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、能源供給、氣候以及技術(shù)等條件制約，工程建設(shè)需要統(tǒng)籌考慮規(guī)劃建設(shè)階段和運(yùn)營階段投入產(chǎn)出情況，近、遠(yuǎn)期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性以及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的綜合可行性。PUE作為衡量數(shù)據(jù)中心能耗的最主要、最直觀指標(biāo)，在數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有機(jī)柜出租、帶寬出租與運(yùn)營支撐為主服務(wù)模式下，是投資運(yùn)營方“降本增效”的依據(jù)和政府管理部門節(jié)能減排的把手。

但是，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI等技術(shù)的快速發(fā)展和運(yùn)營商業(yè)模式的變化，通過整體投資成本的把控、單位投資成本的業(yè)務(wù)服務(wù)能力的提高，統(tǒng)籌考慮建設(shè)階段投資、運(yùn)營階段成本和“云計(jì)算流量”收入帶來項(xiàng)目整體效益成為建設(shè)運(yùn)營方關(guān)注的重點(diǎn)。例如，若數(shù)據(jù)中心節(jié)能性很好，但由于選址較偏、服務(wù)價(jià)格偏低、上架率不高，項(xiàng)目的總體收益也是不經(jīng)濟(jì)的。目前，國內(nèi)建成數(shù)據(jù)中心投入運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)表明：北京、長三角、珠三角等熱點(diǎn)以外區(qū)域的數(shù)據(jù)中心盈利性偏低就是證明。

3.2 基于數(shù)據(jù)中心服務(wù)能力的評(píng)估指標(biāo)推薦

在5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI等技術(shù)的快速發(fā)展下，數(shù)據(jù)中心服務(wù)由機(jī)柜、帶寬出租向云計(jì)算流量服務(wù)模式轉(zhuǎn)變，綜合考慮數(shù)據(jù)中心建設(shè)投資（CAPEX）、運(yùn)營階段成本（OPEX）和服務(wù)能力輸出情況，建立單位服務(wù)能力的投資成本（Capital of per Tbyte，CPT）指標(biāo)，將投資、運(yùn)營階段成本量化到數(shù)據(jù)中心的單位服務(wù)能力，從而作為評(píng)估數(shù)據(jù)中心是否高效、經(jīng)濟(jì)的評(píng)估依據(jù)。

其中：CPT為單位服務(wù)能力的投資成本，英文全稱為Capital of per Tbyte；CAPEX為建設(shè)投資；OPEX為運(yùn)營成本。CPT標(biāo)準(zhǔn)可以通過統(tǒng)計(jì)規(guī)劃機(jī)房的對(duì)外傳輸帶寬匹配度并參照財(cái)務(wù)分析的統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

綜上所述，從單位服務(wù)能力運(yùn)營成本的角度評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的效益，屏蔽不確定因素，建立基于單位服務(wù)能力的數(shù)據(jù)中心評(píng)估指標(biāo)，可以補(bǔ)充PUE指標(biāo)評(píng)價(jià)的不足。