淺談現代數據中心綠色節(jié)能的策略與手法

    一、前言

    數據中心守護著企業(yè)重要IT設備的運行，如服務器、網絡設備以及存儲設備等，在數據中心支持全球數十億人口上網的同時，也產生大量的機房能耗，因此，勢必要研究具體的機房能效改善對策，才能真正實現節(jié)能。對于當前的數據中心管理者來說，必須采用高效率的機房經營方針，才能取得“環(huán)保”及“經濟”雙贏的好處。

    提升數據中心能源效率的第一步，便是審慎評估能源使用效率（PUE, Power Usage Effectiveness），簡單來說，PUE就是數據中心總耗電除以IT設備總耗電，或是數據中心總設施消耗的能源除以IT設備消耗的能源。PUE是由Green Grid所召集的政府及產業(yè)專家組成的項目小組所制定的一項指標，不僅信賴度高，而且可以用來檢驗機房的能源效率，可以廣為適用于一般數據中心，目的是建立一個“一致且可重復使用的衡量指標”，提供數據中心管理者持續(xù)監(jiān)控并改善能耗狀況。根據Uptime Institute于2014年進行的調查研究顯示，全球業(yè)界平均PUE為1.7，高于2013年的1.67，但低于2012年的1.8，表示機房節(jié)能仍有改善空間(如圖1)。

圖1：數據中心平均PUE調查, 2011-2014

（數據來源：2014 數據中心產業(yè)調查報告--Uptime Institute）

    受到近年來大數據、物聯(lián)網浪潮的推動，各地的機房建設持續(xù)進行，同時，在環(huán)保意識高漲的氛圍下，“機房節(jié)能”也成為了一門新的研究領域。從客觀事實來看，首先，數據中心的電力支出占總持有成本（TCO, Total Cost of Ownership）的一大部分，僅次于人力成本；其次，數據中心常背負著“不環(huán)保”的惡名。然而，實際上，以美國為例，數據中心僅消耗了總能源的百分之二，且低于全世界平均值，可見仍有許多機房采用節(jié)能手段達到節(jié)能減排的目標。

    截至目前為止，仍有許多數據中心尚未采用任何效率指標，導致數據中心的節(jié)能毫無標準可循。雖然PUE仍存有許多爭議，但是PUE值仍是衡量數據中心基礎設施效率的主要指導方針，而且對于擬定及執(zhí)行數據中心的綠色節(jié)能策略也很有參考價值。

    二、數據中心綠色節(jié)能策略

    根據《自然氣候變化（Nature Climate Change）》發(fā)表的一篇論文《低碳數據中心的特征》表示，IT設備如：服務器、存儲設備、通訊技術、基礎設施（風扇、冷卻、水泵、配電等），其本身的效率以及碳排放，是影響數據中心產生溫室氣體的主要因素。這篇論文提出建議，如果專注于能耗改善的部分，將可對數據中心的綠色節(jié)能計劃產生顯著的影響。

    以下列舉七大數據中心的綠色節(jié)能策略，將有助于改善數據中心能耗，并優(yōu)化PUE。

    策略一：定期進行硬件檢查

    全球IT巨擘如Facebook、谷歌及蘋果持續(xù)投入研發(fā)來提升數據中心的效率，他們的做法可能看似很了不起，但是這里所建議的第一個策略是屬于大部分企業(yè)都能做到的，就是例行性檢查既有的硬件設備。

    數據中心普遍存在許多不必要的IT設備，所謂“休眠的服務器”指的是仍然插在機柜里，實際上卻已不再使用的服務器，但是會占據寶貴的機柜空間，消耗大量能源，并且使PUE惡化。為了了解此問題的普遍性，Uptime Institute于2013年進行了一項相關調查，發(fā)現大約有半數的被調查者并未執(zhí)行計劃性的檢查及拔除多余的服務器。此外，在美國EPA樣本研究（U.S. EPA sample study）中，大部分機房的現場并無法準確地監(jiān)控所有基礎設施及IT負載，可見機房節(jié)能改善之路還很長。

    以總部位于倫敦的英國巴克萊銀行為例，該銀行于2013年拔除了9,124個多余的服務器之后，不僅減少了使用的電力、冷卻和機柜空間，同時并擴大了計算能力以及節(jié)省了450萬美金的電費，可見減少服務器的好處非常明顯。

    除了IT設備的檢查，對于非IT的基礎設施，也必須做定期的檢核，例如機房的不間斷電源系統(tǒng)（UPS），有別于傳統(tǒng)的工頻單機UPS，當前的趨勢是采用高頻模塊化UPS，為了達到機房節(jié)能，選用UPS時應該考慮以下兩大條件：

    1．隨需擴容：模塊化UPS可以配合機房擴容的腳步，適時增加電源模塊的數量，不需要在機房建置初期投入大量的資金，并且不占據多余的機房空間，使機房業(yè)務逐步成長時，UPS電源仍可“無縫接軌”(圖2)；除了增加電源模塊，UPS也必須滿足多機并聯(lián)的需求，以因應機房規(guī)模擴大的可能性。

圖2：模塊化UPS滿足機房無縫擴容的需求

    2．輕載高效：一般數據中心為了確保可靠度，會配置電源冗余N+X，甚至配置2N雙母線，導致負載率大約在30-40%甚至更低，因此UPS所標榜的“滿載”高效率實際上是不太可能實現的。有鑒于此，市場調查機構Gartner在2013年的報告就指出，除了追求UPS滿載效率之外，也要關注20-100%負載率區(qū)間的效率曲線(如圖3)，設法達到“輕載高效”的理想境界。以一臺容量200kVA的高效率模塊化UPS為例，考慮數據中心日間和夜間負載率的差異，相較于一般傳統(tǒng)UPS，高效率UPS可以省電5%左右(表1)。

圖3：UPS效率曲線

    表1：高效率模塊化UPS與傳統(tǒng)UPS效率比

    策略二：例行測量PUE值

    如前所述，PUE是量化能源效率的主要業(yè)界標準，大部分原因是其具有簡單性及可行性，但是在觀察的幾個行業(yè)中卻很少實施。不定期的紀錄并無法確實了解實際的能源使用狀況，所以業(yè)內人士不斷建議執(zhí)行例行性的PUE檢測，以便監(jiān)測數據中心PUE隨季節(jié)變化及其他因素而波動。此外，為了能實時精確量測總電力，并紀錄實際的PUE，必須在關鍵測量點安裝傳感器，并記錄實際電力(kW及kVA)，并且應該要記錄一段時期之內的能源使用狀況，才能做出最佳的分析(圖4)。

圖4：PUE值監(jiān)測儀表板

    策略三：更新硬件，提升服務器效率

    服務器效率與PUE直接相關，而且是提升PUE的關鍵要素，但是想要正確估計服務器效率，還必須考慮幾個因素。我們可以從CPU利用率出發(fā)，針對能效不佳的CPU，虛擬化技術(virtualization)可以大幅提升CPU能效及服務器的效率，而不需要更新服務器；此外，也應該將每一只機柜的負載能力與消耗電力，列入效率的計算中。采用刀片服務器（blade servers）是提高機柜密度的一種手法（每一機柜最多可容納1,024 CPU核心），也可以降低設施的冷卻及電力需求。

    將實體服務器合并與虛擬化，將可提高數據中心效率，IT管理人員應該在硬件升級時將此列入考慮。根據研究指出，合并服務器的好處有：

    ·平均每年每一服務器最多可節(jié)省美金560元

    ·減少熱量的產生及相關的冷卻成本

    ·釋出多余空間并擴大運算能力

    值得注意的是，虛擬化技術及刀片服務器會產生一個負面影響，亦即會產生額外的熱量及冷卻需求。目前有數種解決方案，例如“冷熱通道封閉”或是“機柜式空調(列間空調)”等氣流管理手段，就是為了處理機房高密度負載的問題，請看以下策略四。

    策略四：提升機房冷卻效率

    冷卻是僅次于IT負載之外，最大的耗電來源，因此，安裝能源監(jiān)控及測量機制非常重要，可以了解冷卻對于PUE的整體影響與改善的方法。

    谷歌已是數據中心節(jié)能領域的佼佼者，具有令人稱羨的PUE 1.12。在最新的Android Emotions報導中指出，最新的谷歌AI產品正在嘗試找出能進一步降低PUE的方法。谷歌更在網志《Efficiency: How others can do it》中，分享了數據中心經理人及經營者可用來降低PUE的五大手法，其中三項與提升機房冷卻效率有關的做法是：

    1、優(yōu)化氣流管理

    設計良好的冷熱通道封閉，可避免熱空氣和冷空氣混合，以提升冷卻系統(tǒng)的效率。為了有效排除機房熱點，建立理想的熱能分布狀態(tài)，可以借由適當地放置溫度傳感器，利用計算機仿真工具找出熱點并加以排除。根據EPA的研究，有效的冷熱信道封閉系統(tǒng)，可減少25%的風扇能耗，以及20%的冰水主機能耗。

圖5：熱信道封閉技術實例

    2、提高機房環(huán)境溫度

    谷歌已打破了數據中心必須保持約攝氏21℃的迷思，確認了冷通道可以在約攝氏27℃的溫度下運轉，因此在提高溫度的同時，關閉再熱器和除濕機，便可以有效節(jié)約能源。

    3、采用自然冷卻技術（Free Cooling）

    空調系統(tǒng)的冰水主機會消耗大量的能源，可以視天候條件，選用自然冷卻系統(tǒng)，將外面的冷空氣吸進來，加以利用后再排放到外面去。其他自然冷卻的來源包括：引入外界的空氣、水蒸氣或設置大型的熱儲存器。

    策略五：提高機房溫度

    長久以來，機房IT人員受限于傳統(tǒng)機房溫度的迷思，不太愿意提高機房溫度，然而，美國空調冷凍工程師學會（ASHRAE）最新發(fā)布的機房工作溫度建議，范圍修訂為18℃至27℃（64.4°F至80.6°F）；除了溫度，ASHRAE也提高了濕度建議范圍。受惠于這樣的修訂，數據中心將可以創(chuàng)造更多冷卻成本的節(jié)約，也更能符合自然冷卻的條件。

    就機房溫度而言，如果太過保守，維持機房低溫，將會使營運成本居高不下，造成PUE值較差或冷卻成本較高；此外，根據英特爾一項研究數據顯示，機房環(huán)境溫度每提升1℃可以帶來4%的制冷成本節(jié)約。有鑒于此，一些高溫節(jié)能產品就應運而生，舉例如下：

    高溫節(jié)能服務器：“高溫”是指服務器耐高溫能夠在5℃至47℃環(huán)境溫度下，無需空調制冷，能穩(wěn)定運行，由于服務器能適應更高的機房溫度，而帶來制冷能耗的減少，相對傳統(tǒng)服務器而言，高溫節(jié)能服務器具有耐高溫、低能耗、易部署等特點，對于機房節(jié)能也是一大功臣。

    高溫冰水空調：一般機房內大多是屬于顯熱，只有很少數的潛熱，因此除濕的需求非常少，機房精密空調的入水溫度便可以從一般的7℃往上調升，在此情況下，冰水主機的制冷量增加，能效比改善，也就爭取更多空調節(jié)能的機會。

    策略六：導入數據中心管理系統(tǒng)(DCIM)

    為了協(xié)助數據中心經營者更有效、全面地管理數據中心，數據中心基礎設施管理系統(tǒng)（Date Center Infrastructure Management, DCIM）就應運而生。DCIM可通過機房鳥瞰圖，協(xié)助IT經理人實時應對、事先規(guī)劃、管理可能的風險，并減少停機時間。如前所述，個別服務器利用率低是數據中心普遍存在的問題，DCIM可協(xié)助數據中心人員找出長期閑置的服務器，加以重新配置，以提升效率，并準確測量數據中心資產及能源的使用狀況。

圖6：數據中心管理系統(tǒng)(DCIM)電視墻與機柜管理接口

    策略七：利用純凈的再生能源

    百分百純凈的能源是遙不可及的夢想，然而還是有許多企業(yè)用的是“混搭”策略來接近此理想目標。舉例來說，包括利用再生能源、就地發(fā)電以及遠距電網等等。IT巨擘如蘋果所安裝的55,000片太陽能板、eBay在猶他州Quicksilver工廠利用燃料電池，以及微軟利用風力和太陽能。中小企業(yè)或許可以與當地公用事業(yè)合作，取得干凈的電力或再生能源，也可在新數據中心選址時，考慮設置在純凈能源公用事業(yè)的周邊地區(qū)。

    三、結論

    數據中心綠色節(jié)能需要發(fā)揮相當的創(chuàng)意，不應受到傳統(tǒng)思維的局限。業(yè)界有許多案例均顯示機房節(jié)能可以帶來許多實質的好處，而PUE值可以作為一個能效指標的基礎，對于創(chuàng)造永續(xù)的綠色數據中心而言是非常重要的。谷歌、Facebook、蘋果及微軟等IT大廠，皆已投資數百萬元進行綠色數據中心的研發(fā)，且通過驗證提出綠色數據中心最佳解決方案，能使數據中心的PUE接近理想值。業(yè)界一致認為必須全面稽核IT基礎設施以提升數據中心的效率，同時，一般企業(yè)可以透過例行測量PUE，以及善用管理工具（如DCIM）找出并修正IT低效率的部分，減少碳排放，提高個別服務器的使用率，最終達到PUE及ROI優(yōu)化的目標。

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