數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能技術(shù)及發(fā)展趨勢淺析

遲媛，張兵，朱國棟，王納

（北京特種工程設(shè)計研究院，北京 100028）

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬計算等新概念、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)機(jī)房作為支撐其高效穩(wěn)定運行的核心基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)規(guī)模急劇增長。截至2017年，我國正在使用的機(jī)柜總計166萬架，隨著機(jī)架和刀片服務(wù)器功率的增加，能耗（發(fā)熱）密度也不斷增長。建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)張和耗能密度的增大，使得數(shù)據(jù)機(jī)房的運行能耗增長迅速，這給機(jī)房的運維管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，2017年我國數(shù)據(jù)機(jī)房總耗電量約為1250億kW·h，超過了葛洲壩和三峽發(fā)電站當(dāng)年的發(fā)電量之和。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房當(dāng)前能耗現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)數(shù)據(jù)機(jī)房當(dāng)前能耗現(xiàn)狀

作為設(shè)計和評估數(shù)據(jù)中心評價能源效率的一項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，PUE（數(shù)據(jù)總的能耗與IT設(shè)備總能耗之比）被設(shè)計院和用戶廣泛應(yīng)用。通常認(rèn)為，PUE值越接近1，該數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能化水平越高。目前，如Facebook、雅虎、谷歌等知名企業(yè)建設(shè)的數(shù)據(jù)機(jī)房，其PUE值普遍低于1.5，有的甚至達(dá)到了1.1，而我國大部分?jǐn)?shù)據(jù)機(jī)房的PUE值在2～3，以上海為例，數(shù)據(jù)機(jī)房全年P(guān)UE平均值為2.21。

我國一些大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)開展了一系列節(jié)能實踐，在數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)和改造中采用了多項節(jié)能措施，高能耗問題依舊普遍存在，改進(jìn)和提升節(jié)能性能的空間仍然很大。

圖1 國內(nèi)數(shù)據(jù)中心機(jī)房能效現(xiàn)狀

圖2 典型數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗構(gòu)成

1.2 數(shù)據(jù)機(jī)房整體能耗分析

數(shù)據(jù)機(jī)房能耗主要包括以下幾個部分：（1）數(shù)據(jù)機(jī)房IT設(shè)備用電；（2）制冷系統(tǒng)用電；（3）供電系統(tǒng)用電；（4）照明、通風(fēng)、加濕等其他系統(tǒng)設(shè)備用電等。

分析目前我國數(shù)據(jù)機(jī)房能耗偏高的原因，主要包括以下幾個方面：（1）IT設(shè)備能耗偏高；（2）選用的空調(diào)冷源形式、氣流組織形式不合理，造成數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗高；（3）供電系統(tǒng)不夠優(yōu)化，變壓器、UPS等供電設(shè)備電能損耗高；（4）運行管理能力不足，效率低下。

2 數(shù)據(jù)機(jī)房常用節(jié)能技術(shù)

2.1 IT設(shè)備節(jié)能技術(shù)

服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、控制軟件構(gòu)成了數(shù)據(jù)機(jī)房的核心。在保證穩(wěn)定運行的條件下，提高數(shù)據(jù)機(jī)房IT設(shè)備使用效率，可有效降低對電力的消耗，從而降低運營成本。

對于服務(wù)器而言，節(jié)能技術(shù)主要包括以下幾種：

（1）服務(wù)器機(jī)箱通風(fēng)技術(shù)。該技術(shù)在延續(xù)了服務(wù)器前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)的設(shè)計理念的同時，將機(jī)箱分為多個散熱區(qū)域，使得機(jī)箱氣流分割更加精細(xì)，可以更準(zhǔn)確地控制氣流流向，大大提高了機(jī)箱的散熱效率。

（2）使用高效率電源。采用80plus白金電源，該電源在50%的負(fù)載下轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94%，可動態(tài)調(diào)節(jié)并均衡分配電源模塊負(fù)載，以保證電源轉(zhuǎn)換效率。

（3）處理器休眠技術(shù)。當(dāng)處理器較長時間處于空閑狀態(tài)時，該技術(shù)可以讓CPU進(jìn)入不同的休眠狀態(tài)，通過降低電壓或切斷內(nèi)部時鐘實現(xiàn)節(jié)能。

（4）動態(tài)能耗管理技術(shù)DEMT。根據(jù)CPU負(fù)載、環(huán)境溫度等多種輸入?yún)?shù)，按資源的實時使用率，調(diào)整服務(wù)器的整體運行狀態(tài)，動態(tài)實時智能調(diào)節(jié)各部件的功耗，以最小化服務(wù)器電耗。

對于存儲設(shè)備，可以采取以下技術(shù)手段實現(xiàn)節(jié)能目的：

（1）配置精簡自動化技術(shù)。根據(jù)用戶的容量及使用需求，對存儲容量資源進(jìn)行實時、動態(tài)的自動分配，充分利用磁盤陣列的有效存儲空間，提升存儲空間利用率，在節(jié)省電力消耗的同時降低制冷成本。

（2）重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)。通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，篩選并刪除相同的數(shù)據(jù)塊，達(dá)到節(jié)約存儲空間的目的，進(jìn)而達(dá)到減少能耗的效果。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

對數(shù)據(jù)機(jī)房而言，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占總能耗的47%左右，因此，提高能源利用效率最直接的方法就是降低數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗。

（1）選擇合理的空調(diào)冷源形式。目前最常見的空調(diào)冷源有：風(fēng)冷直接蒸發(fā)式系統(tǒng)、風(fēng)冷冷水系統(tǒng)、水冷直接蒸發(fā)式系統(tǒng)、水冷冷水系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)需要根據(jù)地理環(huán)境、機(jī)房等級、制冷量需求、占地面積、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性等因素，選用上述一種或多種形式的組合。

（2）合理應(yīng)用自然冷源技術(shù)。自然冷源，即直接或間接引入室外冷空氣或低溫水（如地下水、江水、河水、湖水、海水、自來水），與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合使用，對數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行降溫冷卻。

（3）提高空調(diào)送風(fēng)溫度。將機(jī)房環(huán)境溫度控制在23～27℃，在保證機(jī)房設(shè)備正常運行的同時，可以降低用于除濕、降溫、加濕熱所需的能耗。并且溫度設(shè)定的越高，其節(jié)能效果越明顯。

（4）采用CFD技術(shù)。對數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度、機(jī)柜排列方式、空調(diào)送回風(fēng)方式等進(jìn)行數(shù)值模擬計算，深入了解機(jī)房內(nèi)氣流速度場和溫度場的分布，并優(yōu)化氣流組織、冷量分配方案，在滿足機(jī)柜設(shè)備的散熱需要的同時，達(dá)到降低機(jī)房空調(diào)能耗的目的。

（5）采用封閉冷熱通道技術(shù)。對于高熱密度機(jī)柜而言，采用封閉冷通道技術(shù)，機(jī)柜的正面空間被延展為送風(fēng)靜壓箱，可使空調(diào)送出的冷風(fēng)全部用于設(shè)備散熱，提空調(diào)系統(tǒng)冷量利用率。

（6）選用帶變風(fēng)量風(fēng)機(jī)的送風(fēng)地板進(jìn)行精確送風(fēng)。對于采用地板送風(fēng)的數(shù)據(jù)機(jī)房，可在機(jī)柜上部裝設(shè)控制單元，并經(jīng)由溫度傳感器來檢測、收集機(jī)柜排風(fēng)溫度信息，根據(jù)機(jī)柜排風(fēng)溫度，由前端控制器實時調(diào)節(jié)各智能送風(fēng)口的送風(fēng)量，避免由于機(jī)房局部過熱，導(dǎo)致降低送風(fēng)溫度，增加空調(diào)能耗的情況發(fā)生。

2.3 供電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗，主要是降低非負(fù)載設(shè)備的用電損耗。

（1）采用節(jié)能效果好的變壓器，并合理使用“2N”變壓器結(jié)構(gòu)，降低電能損耗。

（2）高壓直流供電。采用整流模塊+蓄電池組的并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，在提高供電系統(tǒng)可靠性的同時，可以根據(jù)負(fù)載的實際情況靈活調(diào)整投入運行的整流模塊數(shù)量，確保在線的整流模塊始終處于高負(fù)載率模式下運行。

（3）設(shè)置電量計量、監(jiān)控及綜合管理系統(tǒng)，對每個環(huán)節(jié)的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、分析，并根據(jù)綜合調(diào)節(jié)。

2.4 數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能運行管理

對運行數(shù)據(jù)實時采集、計算、診斷、優(yōu)化、評估，以按需供能為指導(dǎo)，制定機(jī)柜微環(huán)境調(diào)整、配電參數(shù)調(diào)整、水系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整、精密空調(diào)參數(shù)調(diào)整等策略，降低數(shù)據(jù)機(jī)房能耗，提高能源利用效率。

3 數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢

數(shù)據(jù)機(jī)房制冷的核心目的是降低芯片的溫度，使其保持正常運行和長期可靠。目前數(shù)據(jù)機(jī)房大多采用風(fēng)冷的形式對CPU芯片進(jìn)行冷卻，無論是服務(wù)器內(nèi)部還是機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)硬件的設(shè)計，其技術(shù)都比較成熟。這種方式除了風(fēng)扇產(chǎn)生噪音外，風(fēng)扇所產(chǎn)生的能耗約占冷卻能耗的30%以上，同時風(fēng)冷散熱器也存在散熱極限。實驗研究發(fā)現(xiàn)，如果芯片熱流密度超過50W/cm2時，即使增大風(fēng)速其冷卻效果也已經(jīng)不明顯。如果進(jìn)一步降低進(jìn)風(fēng)溫度，除了降低空調(diào)送風(fēng)溫度、增加制冷機(jī)組的能耗外，安裝芯片的基板溫度有可能降到露點溫度，這將帶來新的問題。

液體冷卻方式分為導(dǎo)熱型和浸沒型。其區(qū)別在于冷卻液是否與電子元件或其封裝體發(fā)生直接性的物理接觸。浸沒式冷卻是將各類基板包括存儲，通信和供電在內(nèi)的各種元件及裝置完全浸沒在裝滿非導(dǎo)電絕緣工作液體的冷卻槽內(nèi)，冷卻液在電子元件表面強制對流直接吸熱進(jìn)行冷卻。隨著芯片技術(shù)的跨越式發(fā)展，冷卻方式逐步從機(jī)房級、列間級、機(jī)柜級發(fā)展至服務(wù)器級，液體冷卻技術(shù)也將替代空氣冷卻技術(shù)成為主流。

4 結(jié)語

綜上所述，數(shù)據(jù)機(jī)房運行能耗很高，節(jié)能潛力巨大，在對其進(jìn)行建設(shè)或節(jié)能改造時，應(yīng)結(jié)合其自身特點，積極應(yīng)用節(jié)能減排新技術(shù)，同時實行節(jié)能管理，最大程度降低機(jī)房運行能耗，提高能源利用效率。在能源緊缺的今天，唯有在各個環(huán)節(jié)做好節(jié)能減排工作，實現(xiàn)整體節(jié)能減排效能，才能促進(jìn)數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而為創(chuàng)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約型新社會貢獻(xiàn)出更大的力量。