云計算數(shù)據(jù)中心節(jié)能關鍵技術的研究

楊馥寧

為了提升云計算數(shù)據(jù)中心發(fā)展水平，打造規(guī)模化、虛擬化和平衡化的節(jié)能體系，要從智能轉型角度出發(fā)，促進云計算項目能獲取更加科學的運算成本，實現(xiàn)經濟效益和社會效益的雙贏。本文從基礎運營成本和電力消耗成本2個方面分析了云計算數(shù)據(jù)中心節(jié)能對象，并對關鍵技術內容展開討論。

伴隨著信息化技術的全面發(fā)展進步，云計算和新型節(jié)能技術受到了廣泛關注，如何在發(fā)揮云計算數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢的同時減少能源損耗是相關工作落實的關鍵。

云計算數(shù)據(jù)中心節(jié)能對象

云計算數(shù)據(jù)中心基礎運營成本

要想更好地了解基礎運營成本內容，就要結合最新先進技術方案落實相關工作，從而維持計算分析工作的合理性。在云計算技術應用體系內，一般會采取施耐德公司提供的數(shù)據(jù)中心，將其視為成本核算工具，設定中心總額定功率為100 kW、生命周期為10年、功率密度為500 W/m2、平均機柜功率為1 500 W，有效對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心總成本予以測定評估，如圖1所示。

由圖1可知，在成本內容中，電力系統(tǒng)成本支出數(shù)據(jù)最多，要想減少云計算數(shù)據(jù)中心運營成本，就要核心控制電能消耗，滿足成本管理要求。

云計算數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)能耗

依據(jù)科智咨詢發(fā)布的《2019-2020年中國IDC產業(yè)發(fā)展研究報告》數(shù)據(jù)顯示，預計2022年，我國IDC業(yè)務市場的規(guī)模將在3 200.5億元以上，迎來新一輪的爆發(fā)期，依據(jù)數(shù)據(jù)中心規(guī)劃內容可知，華東地區(qū)、華北地區(qū)以及華南地區(qū)數(shù)據(jù)中心將新增總機柜超出50萬架，這對于電力管理提出了新的要求。其中，空調系統(tǒng)、電源管理、供配電系統(tǒng)等，都是較為巨大的成本支出項目。因此，要量化PUE數(shù)值（如表1所示），從而明確對應的能耗要求。

云計算數(shù)據(jù)中心節(jié)能關鍵內容

在明確電力能耗要點的基礎上，就要結合相關系統(tǒng)建立對應的分析和控制機制，從而更好地提升云計算數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理效果，維持環(huán)保效益和經濟效益的平衡，減少能耗造成的不良影響。

云計算數(shù)據(jù)中心機房選址

結合我國數(shù)據(jù)中心對相關數(shù)據(jù)的分析可知，我國PUE數(shù)值較高，并且在通信業(yè)十二五規(guī)劃中明確指出，要進一步提升云計算數(shù)據(jù)中心節(jié)能處理效果，將PUE數(shù)值控制在1.5以下。那么，就要從數(shù)據(jù)中心機房的選址方案入手，從源頭提升節(jié)能基礎管控工作的便捷性。值得一提的是，在數(shù)據(jù)中心選址工作中，不僅要綜合分析數(shù)據(jù)中心的安全問題和交通問題，也要將地區(qū)經濟水平、政策傾向、人力資源及電力供應狀態(tài)等多方面因素展開討論，維持綜合效率。例如，愛爾蘭都柏林Facebook數(shù)據(jù)中心就建立在北歐地區(qū)，地區(qū)溫度濕度較為適中，形成天然的冷卻系統(tǒng)，有效減少了服務器制冷方面的支出。

而在我國云計算數(shù)據(jù)中心選址工作中，內蒙古地區(qū)是首選，不僅電力資源充沛，且地區(qū)冬季時間較長，氣候條件適宜，因此，我國主要的電信運營商都將大型云計算數(shù)據(jù)中心建立在此處。

云計算數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)

在對云計算數(shù)據(jù)中心能耗類型和內容予以分析后可知，制冷系統(tǒng)等能耗數(shù)值也較高，為了維持其整體效果，就要從數(shù)據(jù)中心高溫化、冷熱通道以及自然冷卻-水冷空調等方面予以分析。

1.數(shù)據(jù)中心的高溫化狀態(tài)

高溫化處理模式是近幾年受到廣泛關注的技術方案，可打造更加合理的運行環(huán)境，確保數(shù)據(jù)中心能在高溫環(huán)境中工作，從而節(jié)省制冷系統(tǒng)產生的成本。谷歌比利時數(shù)據(jù)中心的PUE數(shù)值為1.16，整體運行節(jié)能效果較好，其數(shù)據(jù)中心內服務器的基礎運行環(huán)境為27℃，在處理高溫化問題時主要采取的是服務器設備崩潰點分析和精準的溫度調控機制。只有解決內存結構和硬盤設備高溫環(huán)境運行問題，才能有效調控其運行趨勢。例如，Intel公司從處理器、數(shù)據(jù)中心等系列化技術層面開展相關研究，匹配智能功耗節(jié)點管理單元、高溫環(huán)境數(shù)據(jù)中心管理單元以及電池備份解決方案等，從而更好地提升服務器工作效率，確保服務器能在31℃環(huán)境中運行，而在溫度升高到34℃后，對應數(shù)據(jù)中心運行PUE能降低到1.14。

2.數(shù)據(jù)中心自然冷卻-水冷空調

為了保證數(shù)據(jù)中心相關設施運行環(huán)境的合理性，一些云計算數(shù)據(jù)中心會采取冬季夏季區(qū)別化管理方案，在夏季，因為要進行能量的交換處理，所以一般會減少空調的運行時長，確保其能在低負荷狀態(tài)下運行。而在冬季，則要利用冷空氣循環(huán)的方式將冷空氣抽入機房內部，匹配相應的過濾操作，確保設備得以降溫。目前，應用最為廣泛的是水冷精密空調，相較于傳統(tǒng)的風冷精密空調能提升制冷量，并克服了風冷空調除濕和加濕產生的能耗。

在室外溫度降低后，技術部門就可以關閉水冷空調系統(tǒng)的制冷機組，然后匹配換熱器實現(xiàn)實時性換熱分析，達到自然冷卻的狀態(tài)。也就是說，水冷空調和自然冷卻的有效匹配，能大大降低制冷系統(tǒng)能耗數(shù)值，從而打造節(jié)能環(huán)保的應用環(huán)境。

3.冷熱通道控制

一般而言，不僅要配合技術方案實現(xiàn)制冷處理，也要對設備的擺放位置、功耗環(huán)境等因素予以關注。利用背對背的方式安放處理器，實現(xiàn)前端冷風吸入、后端熱風排出的循環(huán)模式，能提升冷空氣通道應用的合理性。與此同時，機柜的位置也要結合實際情況采取相向布置的方式，匹配冷熱通道的應用要求，合理性隔離熱通道，就能避免能耗造成的經濟損失。

云計算數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)

為了保證電源系統(tǒng)能耗的平衡性和合理性，新型高頻UPS是首選，能建立電源轉換應用模式，大大提升功率因數(shù)，并且，新型高頻UPS設備的體積較小，減少了空間占比。在其實際應用過程中，它能實現(xiàn)電源轉換效率和負載率的平衡。例如，我國主要的電信運營商都在積極應用高壓直流UPS，不僅能避免逆變問題，還能大大提升電源轉換率，維持較好的應用可靠性和安全性。

除此之外，國外還在積極推進去除中心式UPS方案，能在提升應用效率的同時減少能耗。

云計算數(shù)據(jù)中心IT設備

對于云計算數(shù)據(jù)中心而言，IT設備是非常關鍵的設備機組，要想維持能耗管理方案的規(guī)范性和合理性，就要對IT設備的應用工作予以重視，確保對應服務器管控工作滿足標準。

1. IT設備中聚合微服務器

在眾多IT設備中，聚合微服務器的應用價值較高，主要采取的是聚合類ARM處理設備和分布式架構應用模式，能搭建基于云計算分析要求的節(jié)點堆疊框架，不僅符合互聯(lián)網應用需求，還能有效處理高并發(fā)問題，是云計算聚合型技術發(fā)展的必然趨勢。在高密度微服務器應用后，整體云計算數(shù)據(jù)中心IT設備能耗能達到40 %。

盡管ARM微服務器自身的應用性能以及軟件應用控制支持效果略低于Intel，但是，處理器自身的價格優(yōu)勢非常突出，且能實現(xiàn)低能耗運行，這對于節(jié)能降耗工作而言具有重要的意義。其性能參數(shù)對比，如表2所示。

2.虛擬切分服務器

近幾年，對相關技術的研究在不斷深入和拓展，針對x86服務器虛擬機管理的分布式電源系統(tǒng)也受到了廣泛關注，是在傳統(tǒng)技術體系上的動態(tài)升級，搭建更加合理的負載模式，從而避免物理服務器負載超標造成的能耗超標。并且，能更好地維持服務器工作運行狀態(tài)，減少不必要服務器運行產生的消耗，在物理資源匹配狀態(tài)下開啟服務器，實現(xiàn)智能化感應處理，滿足連續(xù)性、環(huán)保性要求。

另外，更多的研發(fā)企業(yè)將關注點落在新型芯片的研發(fā)方面，其中，Intel研發(fā)的Atom芯片能應用低能耗技術建立智能處理系統(tǒng)，在減少能耗支出的同時，提供充沛的電力環(huán)境，維持計算能力和應用效果的平衡。

總而言之，在節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢下，云計算數(shù)據(jù)中心積極推進節(jié)能關鍵技術具有重要的時代意義，要結合網絡基礎要求、客戶資源等要點落實完善的方案，保證各個系統(tǒng)都能滿足節(jié)能要求，實現(xiàn)大規(guī)模云計算數(shù)據(jù)中心布局合理且運行穩(wěn)定的發(fā)展目標，促進云計算數(shù)據(jù)分析業(yè)務可持續(xù)健康發(fā)展。