数据中心能效优化策略研究

数据中心能效优化策略研究

高可君

国网上海信通公司 上海市 200072

摘要：近年来，通信、互联网、金融及一些传统工业企业都开始加入到数据中心投资建设的浪潮中，数据中心建设总体规模较之前有明显提升。可持续发展观念的普及，以及我国政府碳达峰、碳中和工作目标的确立使得数据中心能效优化策略的研究变得十分重要，绿色数据中心、零碳数据中心是数据中心产业发展的必然趋势。良好的能效优化策略能够有效降低数据中心能耗，推动数据中心绿色发展。

关键词：数据中心；能效；优化策略

一、现状分析

(1)数据规模日益庞大，数据来源多元化，共享数据库涵盖系统多，高校生源不断扩张，信息不断积累，致使数据库中的信息不断增加，进而为数据挖掘、管理和分析带来了困难。(2)缺乏稳定高效的校本数据中心环境，高校不同学科与专业采用的数据环境大多依赖现有的IT环境，导致数据运行的基础系统环境比较混乱且极其不稳定，缺乏有效的数据管理，阻碍教学和科研工作的高效进行。(3)在科研管理活动中，没有使用成熟的管理平台，不仅数据难以共享，还容易出现数据随意修改、删除等现象，除了容易造成数据不一致，还严重影响了数据的安全性和稳定性。(4)数据利用不充分，校园的信息仍然停留在收集和累积阶段，而数据仅仅停留在简单查询和分析阶段，并没有对数据进行整合、梳理和挖掘，使得这些信息仍未被管理者采用，作为决策依据的信息则少之又少。

二、数据中心能效指标

制定合理的能效评价指标是开展数据中心能效评估及能效优化的先决条件，不少行业组织针对数据中心能效制定了相应的评价指标。例如，美国绿色网格联盟(TheGreenGrid,TGG)定义了PUE、DCiE、CLF/RLF、CUE、WUE、ITTC、ITTR等能效指标，我国云计算发展与政策论坛(ChinaCloudComputingPromotionandPolicyForum,3CPP)发布的《数据中心能效测评指南》进一步引入了pPUE指标，该指标主要对数据中心部分设备或区域能效状况进行评估。在服务器能效指标方面，开放数据中心委员会(OpenDataCenterCommittee,ODCC)发布的《服务器能效测试白皮书》对服务器整数运算、浮点运算、读写速度、Web性能等活动的能效比进行了定义。在基础设施方面，制冷行业普遍采用COP对制冷设备能效状况进行评估，供配电系统则可以利用电源转换效率EFF和电源功率因数PF指标进行评估。

在众多能效评估指标中，PUE是当前最受产业界认可的数据中心能效评估指标之一。PUE在数值上等于数据中心总能耗与IT设备能耗之比，PUE能够反映出数据中心总供电中有多少电能被IT设备使用，PUE值越小表明数据中心IT设备能耗占比越高，数据中心电能得到了更加有效的利用。

数据中心能效指标为数据中心能效优化提供了方向。以PUE为优化目标，从数据中心整体层面上来看，数据中心能效优化的基本目标是对PUE进行优化，PUE优化的基本思路是在不影响数据中心业务处理能力的基础上，尽量降低供配电系统及制冷系统的电能损耗，使更多电能被IT设备利用。在系统及设备层面上，服务器能效比、COP、EEF和PF等能效指标从本质上来看都反映了系统输入与输出的比值，因此在对系统或设备进行能效优化时，其基本思路是减少电能损耗，扩大有效输出。

三、数据中心能效优化策略

（一）根据实际情况，选择合适的制冷技术

数据中心需要根据机房的功率密度、运维能力和资金情况灵活选择合适的制冷技术，在条件允许的情况下尽量选择更节能的制冷设施。冷水机组的能效比高于风冷直接膨胀空调。在运行数据中心，淘汰能效较低的制冷设备，引进风冷、水冷等新型制冷设备。机柜功率密度低的数据中心可直接采用房间级制冷方案，功率密度高的数据中心可采用液冷和非液冷方案。液冷承担主要热负荷，非液冷提供机房的整体制冷。

（二）提高IT设备的耐热性

随着IT设备耐热性的提高，数据中心制冷系统的制冷量也会相应降低，制冷系统的能耗自然也会降低。对于新的数据中心，承包商可以在考虑节能和成本的基础上，为数据中心配置更节能的制冷设备和更好的耐热IT设备。在耐高温服务器设计方面，国内外很多企业已经开始设计开发耐高温设备。华为通过服务器主板布局设计和散热设计，打造耐高温服务器。华为研发的RH机架全系列服务器和e9000刀片服务器可支持40℃高温环境。耐高温it设备的出现，将有效缓解数据中心的冷却压力，也将大大提高it设备的运行安全性。

（三）充分利用自然冷源，降低制冷系统能耗

这一策略不仅要考虑引入新的制冷系统，还需要外部环境的支持。在一些自然冷源丰富的地区，数据中心可以充分利用风冷自然冷或水冷自然冷技术进行室内外空气热交换。目前，阿里巴巴、桂亭、快手等多家大型互联网公司都选择在内蒙古乌兰察布建设数据中心。这与乌兰察布年平均气温偏低密切相关。乌兰察布年平均气温5～7度。乌兰察布建成的数据中心每年可享受近10个月的天然冷源，将有效降低数据中心制冷系统的能耗。在我国，冷源丰富的地区通常位于云南、贵州、内蒙古等偏远地区。从数据中心计算能力需求来看，华东地区用户需求明显高于中西部地区。偏远地区的数据中心建设可能需要面对数据中心远距离传输带来的服务质量问题。因此，数据中心应在服务质量和所在地节能之间寻求平衡。

（四）IT设备能效优化策略

随着虚拟化技术的快速发展，负载调度变得越来越简单。在虚拟化技术的支持下，服务器可以通过负载调度将负载均衡分配给少量服务器，使空闲服务器休眠或关闭。常见的服务器负载均衡调度算法包括静态负载均衡算法、动态负载均衡算法和仿生负载均衡算法。静态负载均衡算法不考虑服务器设备的当前运行状态，而是只根据预设方案分配用户请求，动态负载平衡根据系统的负载状况动态分配负载。

常见的静态负载均衡算法有轮询调度算法、加权轮询调度算法、随机调度算法、加权随机调度算法、目标地址哈希调度算法和源地址哈希调度算法。

常用的动态负载均衡算法有最小连接调度算法、加权最小连接调度算法、基于局部性的最小连接调度算法和基于局部性的带复制的最小连接调度算法。

静态负载均衡算法和动态负载均衡算法在负载调度过程中容易产生局部最优解，负载调度后很难根据负载在服务器上的执行情况迁移虚拟机。仿生智能算法在提高数据中心的负载均衡程度和实现服务器虚拟机的动态迁移方面具有较好的性能。常见的仿生智能算法有遗传算法、蚁群算法、粒子群算法和人工蜂群算法。

四、结论

数据中心能耗主要由供配电系统、制冷系统及IT设备产生，其用能状况将会在很大程度上对数据中心能效产生影响，因此数据中心能效优化也可以针对这三者来展开。在IT设备能效优化方面，可以采用DVFS技术或负载均衡调度策略;在供配电系统能效优化方面，可以根据负载动态变化来动态控制UPS电源或将高低负载迁徙到同一级电力系统;在制冷系统能效优化方面，可以通过选用适合的制冷技术、提升IT设备耐热性能、充分利用自然冷源和消除机房局部热点的方式实现。

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