數據中心節能減排研究

陳劍皓 符嘉成

摘 要：節能減排是目前全球經濟發展的主題，特別是在中國當前提出“雙碳目標”之后，顯得非常重要。如何把節能減排融合到信息技術中，是數據中心日益關心的問題。油價和煤碳價格的上漲，導致電價不斷上漲，大型數據中心的運營成本也持續上漲。如何對數據中心進行改造，降低其運營成本，助力“雙碳”目標，是數據中心關注的焦點。

關鍵詞：數據中心;節能減排

一、數據中心能耗分析

數據中心能耗包括服務器IT設備的能耗、空調制冷的能耗、UPS損耗的能耗、照明的能源及其它能耗。據美國采暖制冷與空調工程師學會（ASHRAE）技術委員會9.9（簡稱TC9.9）統計報告顯示，數據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，數據中心能耗主要集中在空調制冷及服務器能耗兩大部分，因此研究數據中心制冷系統節能和服務器機柜節能可以有效降低數據中心能耗水平。

二、制冷系統節能研究

1、FreeCooling模式研究

FreeCooling即自由冷，是利用自然環境中的外界空氣溫度來降低儲水溫度的一種方法。數據中心制冷系統應遵循制冷系統的原理和技術架構，影響其能耗的要素是溫度差、壓力差、傳導路徑、換熱工質、設計選型、設備效率、自然冷卻利用空間等。本文以北方W集團數據中心為實力進行分析，該數據中心制冷系統采用自然冷卻（FreeCooling）技術，通過該技術使W集團數據中心達到節能減排的目的。

該數據中心面積約6000平方米，2015年投入運行。數據中心采用FreeCooling制冷模式。由于數據機房IT設備及其工藝對環境溫度要求嚴格，空調系統全年運行，合理利用免費的自然環境能源降低數據機房的運行能耗。在冬季及過渡季節，當系統探測到外界溫度低于4℃時，系統發出指令，指示冷水機組停止工作，此時在冷卻塔經過自然降溫之后的冷卻水會和經精密空調排出的的熱水將會在板式換熱器處進行熱交換，從而將熱量帶走，達到使數據中心降溫的目的。在整個過程中，冷水機組是不工作的，也就是沒有能耗，從而達到節能的效果。在春夏季或者外界溫度高于4℃時，FreeCooling制冷模式將停止工作，制冷系統恢復到正常模式，些時冷水機組是處于正常工作狀態。系統示意圖如下圖所示：

當使用FreeCooling制冷模式進行工作時，外界溫度通常會比較低，必須注意冷卻塔結冰的現象發生，一旦發生結冰，冷卻水無法傳輸至板式換熱器，則無法對數據中心進行降溫。

經過多年運行經驗可知，W集團數據中心一般從每年11月份至次年3月份運行FreeCooling制冷模式，每年可節省4個月左右的冷水機組能耗，節能減排效果非常好。下表是該數據中心某年5月份到次年4月份的用電統計表。從表中我們可以看出，當使用FreeCooling制冷模式，節能效果是非常明顯的。

三、服務器節能研究

服務器節能我們可以分成兩種形式進行，一種是關閉沒用使用的服務器;另一種是對服務器本身的能耗進行調節。

1、關閉沒有使用的服務器

通過服務器運維系統可以整理出一些處于空閑的服務器，并對其進行關閉操作，那么這些服務器的能耗就能為零。但需要考慮的是服務器重新啟動所花費的時長，不過通常可以通過關閉不必要的導入時間診斷工具來加快服務器啟動的速度，從已經在運行的快照映像中直接導入和采用某些硬件中提供的熱啟動功能。

2、服務器內部節能

數據中心服務器的節能，是在不降低服務器運行性能的前提下進行的。工進行節能，我們首先應該了解服務器的耗能情況，在整個服務器中，CPU和顯卡是耗能最大的，內存則其次，最后是磁盤。如果我們能通過一些手段在不降低服務器性能的前提下，降低其中某部分器件的能耗，則可以達到節能的目的。

1、CPU節能

CPU即是服務器的核心部件，也是能耗源頭，不少節能方案里都提到過CPU的節能。目前CPU節能技術主要有三類：增強型深度休眠技術，通過該技術CPU在空閑輕負載狀態可以降低工作電壓與倍頻。Intel的CPU還支持一種EIST節能技術，通過開啟EIST，能夠讓CPU根據實際使用情況來自己控制頻率和電壓，進而實現功耗的控制。AMD也推出了“涼又靜”也是一項讓處理器在閑置狀態下自動降低電壓與頻率的節能技術。所有這些CPU節能技術原理都是讓CPU可以按需工作，在空閑的時候將工作頻率降低下來，實現服務器節能。

2、顯卡節能

有一些服務器是不含顯卡的，但有一些則是包含的。對于包含顯卡的服務器，我們如何進行節能呢？通過使用Nvidia的PowerMize技術對GPU進行設置，為服務器在性能和功耗之間取得最優化平衡，從而到節能效果。一般是提高電壓來傳遞峰值性能，而PowerMizer技術正好相反，它采用業界最低的1.575V使系統耗電最小化，同時還保持提供最快的圖形方案。即使在電池滿負荷工作模式下，PowerMize技術GPU在標準辦公程序中的功耗也不到0.5W。

3、內存節能

內存是除CPU之外，能耗最高的部件。內存節能技術有：DDR SDRAM、DDR3 SDRAM甚至DDR4等，這些內存具有更低的電壓，當沒有讀寫操作時，可以通過Reset命令使它停止所有操作，切換到最少活動狀態，達到節能目的。還可以在內存布線密度上下功夫，也可以達到節能的目的。內存一般都是50納米，50納米指的是半導體元件基板電路間的連線寬度為50納米，如今已經出現了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、磁盤節能

（1） 選用高容量磁盤驅動器

典型的SATA磁盤驅動器，與相同容量的光纖通道 （Fibre Channel） 磁盤驅動器相比，可以節省大約一半的能源。同時，它們可以提供高的磁盤驅動器可用存儲密度，進一步降低能源消耗。一些具有磁盤修復及數據保護技術的SATA磁盤正日趨流行，成為很多企業應用的理想選擇。

（2）減少磁盤驅動器數量，防止磁盤故障

SATA磁盤驅動器的數據存儲量比光纖通道主磁盤驅動器多，但我們不能因此而忽略了數據可靠性。當前流行的雙區間 （Dual-parity） RAID-DP，能夠提供更高的存儲利用率和錯誤容忍度，可同時修復兩個故障磁盤驅動器的數據。

（3）將數據轉移到更高效的存儲系統

為確保有效地使用存儲資源，可以把數據轉移到次存儲系統以減低主存儲的負荷。一個完善的信息服務器能自動把存取率較低的數據，自動由主存儲器轉移到存儲效益較高的次存儲系統去。

（4）提高利用率

據業內估計，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問題，通過共享存儲，讓所有磁盤都可以存取數據，平均存儲利用率可高達60%.。

不難看出，機房服務器內部節能節能的方法都遵循了一個原則，那就是按需分配。根據部件運行的實際狀態，來提供合適的功耗，不浪費一點多余的能耗。一點點能耗看似微不足道，但是一點點的累積，再放大到整個數據中心，這將是一項巨大能耗節約。通過服務器的節能，從而實現數據中節能發展之路。

四、結語

數據中心節能減排是機房建設及運營過程中應該持續關注的問題。本文在分析數據中心機房能耗分布的基礎上，對能耗占比較大的制冷和服器能耗兩大部分進行研究，找出節能減排的方法。數據中心規劃、建設和運維的整個過程中，除了要考慮機房性能以外，節能減排的理念，也是非常重要的。

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