綠色數據中心加權平均PUE概念的提出與計算

文｜艾默生網絡能源有限公司 傅烈虎 和小偉 丁麒鋼 曹 播

綠色節能是數據中心的一個發展趨勢，自從Green Grid（綠色網格組織）提出用PUE指標來衡量數據中心的節能情況以來，在業界的應用十分廣泛。用以Power定義的PUE來衡量數據中心的節能情況合理？PUE達到1.6的數據中心就一定節能？筆者認為，只有將時間納入PUE的定義中計算出來的結果才具有實際意義，并提出了基于動態部分負荷工況下的WAPUE的概念，給出了其計算公式。

1 Power和Energy

1.1 物理概念

Power和Energy是兩個與能量有關的物理概念。Power表征了滿負荷工況下單位時間內的數據中心整體能耗大??；Energy表征的是一定時間周期內數據中心整體能耗的多少。從這層物理意義上講換句話說，Power是一個狀態量，描述的是一個“點”特征；而Energy是一個過程量，表達的是一個“線”特征?！包c”動成“線”，從數學意義上說，Energy就是一系列Power點組成的曲線，如圖1所示。

圖1 功率與電量的關系

1.2 成本投資

對數據中心的設計而言，Power一般取系統的峰值，數據中心的電力系統將會按照這個峰值功率來設計，如果考慮未來的擴容需求，這個峰值功率取值會更大。由此看出，Power決定了一個數據中心的初期投資成本的大小，同時這個峰值功率允許客戶根據實際需求對數據中心分期投資建設，延緩高額投資的周期。Power的“點”特征決定了它在數據中心的生命周期內不會受到實際設備動態負荷的影響，它在數據中心的設計初期就已經是一個確定的量。

而Energy的大小在數據中心的建設初期是無法確定的，這也是它作為一個過程量的具體表現。正是由于Energy的這種“線”特征決定了它會影響數據中心的運行成本。一般IT運維人員對Energy比較關注，并且Energy會隨實際設備的動態負荷的變化而變化。比如：通信公司的數據中心，白天的話務量會比黑夜的話務量多，周末的話務量沒有工作日的多，在話務量比較低的時候服務器可以采用休眠功能來降低Energy；對于機房環境而言，特別是北方晝夜溫差比較大的地區，建筑物結構傳熱負荷白天和晚上會不一樣，夏季和冬天也會不同，在室外氣溫比較低的時候可以采用室外冷源實現自然冷卻來減小Energy的消耗。這些差異和變化都會影響Energy的大小，從而也就影響了數據中心一定周期內的運行成本。

2 傳統PUE的概念

傳統PUE的概念由Green Grid首次提出，并定義如下：

式中：數據中心總功率為供配電功率、制冷系統功率和IT設備總功率之和；IT設備總功率包括計算單元功率和風扇功率。

根據數據中心的電能流向圖（見圖2所示），用兩塊功率表放在A和B處，即可計算瞬時PUE的大?。?/p>

式中，Power-A即為數據中心總功率，數據中心總功率可用一塊功率表在圖2中的A點測量獲得；Power-B即為IT設備總功率，IT設備總功率可用一塊功率表在圖2中的B點測量獲得。

圖2 數據中心電能流向圖

筆者之所以把上述PUE稱為瞬時PUE是因為它并沒有引入時間概念，或可以認為當時Green Grid是在假定數據中心的負荷處于穩態情況下提出PUE的概念。以Power來定義PUE只能反映在滿負荷的穩態情況下數據中心節能指標的大小，不具有普遍意義，因為實際的數據中心內負荷變化是相當復雜的，以某一個特定工況的PUE來表征數據中心一定周期內的能耗指標是不合適的，具有片面性。動態變化的負荷會導致出現動態的PUE。因此，筆者認為有必要全面審視數據中心的能耗指標，在引入時間因子的前提下提出基于動態部分負荷的以Energy來定義PUE的觀點。

3 WAPUE的定義與計算

Weighted Average Power Usage Effectiveness（加權平均能量使用效率）簡稱WAPUE，即為加權平均PUE。WAPUE的概念與PUE的概念極為相似，定義如下：

式中，∫PowerDCdt為數據中心總電量，可用一塊電度表在圖2中的A點在一定周期內測量獲得；∫PowerITdt即為IT設備總功率，可用一塊電度表在圖2中的B點在一定周期內測量獲得。

從上述定義可以看出，WAPUE與PUE的顯著區別就在于引入了時間因子，反映在數據中心電能流向圖上A和B處放置兩個電度表，即可測量并計算WAPUE。但是，在數據中心的設計與咨詢的早期要確定WAPUE是沒有辦法用電度表去測量的。測量的方法對我們以一個典型的數據中心進行PUE或者WAPUE研究，并指導我們確定TA、TB、TC、TD……等大小最為有效。

式中，PUEA為TA時間段內的平均PUE；PUEB為TB時間段內的平均PUE；PUEC為TC時間段內的平均PUE；PUED為TD時間段內的平均PUE；依次類推。

通過公式（3）計算WAPUE是非常復雜的，利用數學積分的思想，“化曲為直，以直代曲”，將由Power曲線包圍的面積轉化為由一系列穩態Power矩形面積的總和（如圖3所示），亦即將一段周期內的計算簡化為以某幾個典型特征工況下的穩態PUE的計算。由公式（4）可以看出，WAPUE實質上是一系列穩態工況下PUE的算術加權平均值。

圖3 動態PUE

確定了TA、TB、TC、TD等的具體大小，就等于是確定了每個工況下PUE的加權因子，即可計算出加權平均PUE的大小。目前，加權平均PUE的概念國內外鮮有報道，其重要意義還不為人們所理解。筆者認為，今后同行們所做的工作一個重要方向應該是確定符合我國的國情的每個工況下的PUE權重，從而獲得最終的WAPUE的表達式并使之在數據中心具有普適性，并上升為一條衡量數據節能大小的國家標準。

4 WAPUE的進一步深化

綠色網格組織（Green Grid）提出PUE大于1，且大于1的部分由供電因子（PLF）和制冷因子（CLF）兩組分組成，即：

同理，動態數據中心的加權平均PUE（WAPUE）中大于1的部分亦可由加權平均供電因子（WAPLF）和加權平均制冷因子（WACLF）兩部分組成，且其定義如下：

式中，PLFA為TA時間段內的平均供電因子PLF；PLFB為TB時間段內的平均供電因子PLF；PLFC為TC時間段內的平均供電因子PLF；PLFD為TD時間段內的平均供電因子PLF；依次類推。

式中，CLFA為TA時間段內的平均制冷因子CLF；CLFB為TB時間段內的平均制冷因子CLF；CLFC為TC時間段內的平均制冷因子CLF；CLFD為TD時間段內的平均制冷因子CLF；依次類推。

公式（6）的意義在于將WAPUE進行了分解細化，把對整個系統的能耗研究轉化為各個子系統的能耗研究，有利于更加清晰的認識各個子系統的動態耗能情況。

5 計算實例

以一年8760小時為一個周期，數據中心的動態部分負荷簡化為4個穩態工況：A、B、C、D。4個穩態工況下PUE值分別為PUEA=1.8，其中PLFA=0.2，CLFA=0.6；PUEB=2.2，其 中PLFB=0.3，CLFB=0.9；PUEC=1.9，其 中PLFC=0.25，CLFC=0.65；PUED=1.7，其中PLFD=0.15，CLFD=0.55。這4個穩態工況的持續時間分別為TA=2000小時，TB=1600小時，TC=2800小時，TD=2360小時，則根據公式（4），WAPUE計算如下：

WAPUE＝（1.8×2000+2.2×1600+1.9×2800+1.7×2360）/8760＝1.88

或者根據公式（6）、（7）、（8），WAPLF、WACLF和WAPUE分別計算如下：

WAPLF＝（0.2×2000+0.3×1600+0.25×2800+0.15×2360）/8760＝0.22

WACLF＝（0.6×2000+0,9×1600+0.65×2800+0.55×2360）/8760＝0.66

WAPUE＝1+0.22+0.66＝1.88

由圖4～6可以看到，對于一個數據中心而言，用A、B、C、D四個工況下的任何一個PUE值來代表數據中心一個完整周期內的PUE值都是不恰當的。這些PUE值是動態變化的，它們隨著時間的推移、負荷的變化而忽大忽小的變化著。這就使得用傳統的PUE值來衡量并判定數據中心節能與否具有宏觀的局限性。只有對一個個動態PUE進行算術加權平均后獲得的WAPUE值才能作為衡量數據中心的節能尺度，成為判定數據中心節能大小的普適指標，具有客觀的實際意義。

圖4 不同工況下的PLF與WAPLF對比

圖5 不同工況下的CLF與WCPLF對比

圖6 不同工況下的PUE與WAPUE對比

6 結束語

（1）Power和Energy是兩個不同的物理概念，前者決定了數據中心的初期投資成本，后者決定了數據中心的運行成本。

（2）PUE作為衡量數據中心的節能指標具有一定的片面性，用引入時間因子后基于動態部分負荷工況下的WAPUE來衡量實際數據中心的節能指標更具有指導意義。

（3）WAPUE的計算關鍵在于加權因子的確定，提出一個明確的WAPUE的計算公式，使加權因子具有普適性，就等于占領數據中心節能方面的全新理念的一個制高點。