綠色數(shù)據(jù)中心

文｜國際商業(yè)機器（中國）有限公司 陳 亮

綠色數(shù)據(jù)中心是指在數(shù)據(jù)中心的全生命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能，節(jié)地，節(jié)水，節(jié)材），保護環(huán)境并減少污染，為人們提供可靠、安全、高效、適用的、與自然和諧共生的信息系統(tǒng)使用環(huán)境。

可持續(xù)發(fā)展是企業(yè)的命脈，許多數(shù)據(jù)中心客戶正在積極尋求各種方法節(jié)省能源，降低成本，保證企業(yè)不斷發(fā)展，因此，綠色數(shù)據(jù)中心漸漸成為企業(yè)在建設(shè)或改進數(shù)據(jù)中心時的一個重要方向。

1 綠色數(shù)據(jù)中心是智慧企業(yè)的選擇

全球化經(jīng)濟加劇了競爭，也促進了合作，企業(yè)為在不斷變化的環(huán)境下求得生存，必須做到可持續(xù)發(fā)展。綠色意識可以轉(zhuǎn)化為綠色措施。能效規(guī)劃和企業(yè)責(zé)任可以取得積極的結(jié)果。盡量采用綠色技術(shù)，同時降低成本和風(fēng)險是企業(yè)的必經(jīng)之路。

面對數(shù)據(jù)中心用電量、制冷能力和空間已達到或接近極限，數(shù)據(jù)中心對環(huán)境的影響日益引起社會關(guān)注，從企業(yè)運營成本和可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，建立綠色數(shù)據(jù)中心勢在必行，是企業(yè)減少風(fēng)險、樹立良好形象的必由之路。

1.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的缺點

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的欠缺，如圖1所示。

（1）管理不斷增長的能源成本

據(jù)國際正常運行時間協(xié)會Uptime Institute調(diào)查，目前服務(wù)器三年用電和冷卻的費用一般為服務(wù)器硬件采購成本的1.5倍。隨著經(jīng)濟型、功能更加強大的高性能計算機集群需求的增長，電力成本還將不斷上升，而且關(guān)系到預(yù)算能否承受電力和冷卻費用的問題。

圖1 在滿足 IT 需求方面關(guān)注的問題

（2）電力不夠

由于城市的高速發(fā)展，區(qū)域電力系統(tǒng)逐漸無法滿足日益增長的擴容需求。然而，新的服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在性能提高、價格降低的同時，耗電量卻在不斷增大。因此，電力不夠成為企業(yè)面臨的棘手問題。

（3）冷卻能力不夠

目前，許多客戶的數(shù)據(jù)中心已用了10～15年，冷卻基礎(chǔ)設(shè)施難以滿足當(dāng)前需求。傳統(tǒng)冷卻方法可為每機架提供 2～3kW 制冷量，而目前每機架需要的制冷量卻達到了20～30kW。單機柜的功率密度比數(shù)據(jù)中心過去的設(shè)計指標(biāo)提高了許多倍。

（4）空間不夠

每當(dāng)新項目或應(yīng)用上線時，需要配置新的服務(wù)器或存儲子系統(tǒng)，因此，隨著業(yè)務(wù)需求的增長，設(shè)備占地面積的激增，當(dāng)不能添加服務(wù)器和存儲時，只好再建一個數(shù)據(jù)中心，這種擴建的成本非常高。

上述問題的不斷出現(xiàn)，表明建立綠色數(shù)據(jù)中心是企業(yè)的必然選擇。

1.2 數(shù)據(jù)中心能源使用比例分析

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的能源使用情況，如圖2所示。每種構(gòu)成分為兩部分：

（1）IT 設(shè)備（服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)）使用45%的能源；支持這種設(shè)計的基礎(chǔ)設(shè)施使用另外55%的能源，如制冷機組、加濕器、計算機房和空調(diào)（CRAC）、配電箱（PDU）、不間斷電源（UPS）、配電系統(tǒng)等。

（2）處理器僅使用30%的能源，而系統(tǒng)其余部分則使用了剩余的70%。

（3）服務(wù)器的利用率一般僅為20%，而剩余的80%都是閑置的。

由此可以看出，對于無效使用能耗的降低、高效硬件的使用和IT資源的高使用率對于降低企業(yè)運營成本、提升可持續(xù)發(fā)展來說十分重要。

圖2 典型數(shù)據(jù)中心能源使用組成及比例

1.3 綠色數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)

Uptime Institute白皮書定義了四個確定數(shù)據(jù)中心相對“綠色”的要素。四個綠色指標(biāo)是IT系統(tǒng)設(shè)計和建筑、IT硬件資產(chǎn)利用、IT硬件效率和機房物理基礎(chǔ)設(shè)施。

針對綠色數(shù)據(jù)中心，目前尚沒有專用的評估體系，實踐中通常采用綠色建筑的評估體系來衡量綠色數(shù)據(jù)中心。

為了評估數(shù)據(jù)中心綠色環(huán)保水平，經(jīng)常使用以下兩個指標(biāo)：

（1）數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施效率 (DCiE) ，DCiE = （IT 設(shè)備電量 / 基礎(chǔ)設(shè)施總電量） x 100%。

（2） 電源使用效率 （PUE）， PUE = 基礎(chǔ)設(shè)施總電量 / IT 設(shè)備電量。

IT 設(shè)備用電量包括所有 IT 設(shè)備以及用于監(jiān)控或控制數(shù)據(jù)中心的輔助設(shè)備的負荷，前者如服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；后者如鍵盤、視頻、鼠標(biāo)開關(guān)、監(jiān)視器、工作站或移動計算機。

基礎(chǔ)設(shè)施用電總量包括 IT 設(shè)備及支持 IT設(shè)備的系統(tǒng)負荷，如：

◆ 供電設(shè)備，如不間斷電源 （UPS）、開關(guān)柜、發(fā)電機、配電箱（PDU）、電池、IT 設(shè)備外部配電損耗；

◆ 冷卻系統(tǒng)，如制冷機組、計算機房空調(diào) （CRAC）、直接膨脹空氣調(diào)節(jié)器 （DX）、泵及冷卻塔等；

◆ 計算機、網(wǎng)絡(luò)及存儲；

◆ 低負載條件下工作時，不間斷電源（UPS） 設(shè)備效率下降；

◆ 其他雜項器件的負載，如數(shù)據(jù)中心照明。

例如：DCiE 值為33% （PUE 等效值為3.0）時，表明IT 設(shè)備耗用數(shù)據(jù)中心電量的33%。因此，支付100元能源費，IT 設(shè)備實際只用了33元。

2 實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵戰(zhàn)略

2.1 綠色數(shù)據(jù)中心的要素

為實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心，需考慮三個因素：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施

機房基礎(chǔ)設(shè)施方面需要考慮的問題包括：

◆ 如何以及在何處使用能源；

◆ 基礎(chǔ)設(shè)施目前可優(yōu)化的空間（從DCiE或 PUE 來衡量）；

◆ 本數(shù)據(jù)中心是以電量和性能為主，還是僅以性能為主；

◆ 是投資建立新的數(shù)據(jù)中心，還是投資升級現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心；

◆ 數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場是否適應(yīng)變更；

◆ 數(shù)據(jù)中心所需要的可靠性水平是否增加了基礎(chǔ)設(shè)施能耗，現(xiàn)有備份或備用設(shè)備存在多少閑置，是否足夠，還是過多，能否撤銷部分設(shè)備；

◆ 應(yīng)選擇哪些支持設(shè)備（不間斷電源、飛輪發(fā)電機、發(fā)電機、配電柜、制冷機組、CRAC等），今后的發(fā)展趨勢如何，基礎(chǔ)設(shè)施能否滿足下一代硬件電力和冷卻要求，例如，更多的 IT 設(shè)備今后采用水冷；

◆ 基礎(chǔ)設(shè)施是否存在過熱問題，是否存在濕度問題；

◆ 是否可以采用免費制冷；

◆ 電力、冷卻或空間是否影響當(dāng)前運營，哪些因素影響今后業(yè)務(wù)發(fā)展，未來能否在現(xiàn)有能源范圍內(nèi)增加計算能力；

現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施在以下方面是否達到最佳水平：氣流與散熱、配電分配、冷卻、照明、監(jiān)控與管理；

◆ 必要時，是否需要采用水冷。

（2）IT 設(shè)備

IT 設(shè)備方面的問題如下，其中包括硬件設(shè)計以及機架現(xiàn)有冷卻、供電和監(jiān)控方式：

◆ 設(shè)備是否采用節(jié)能硬件，是否采用節(jié)電功能；

◆ 目前是按現(xiàn)場、基礎(chǔ)設(shè)施還是機架選擇供電和冷卻方法；

◆ 硬件是否具備電量、熱量、資源利用率監(jiān)控功能，是否可以監(jiān)控能耗；

◆ 用電量如何計費；

◆ 誰可以提供幫助。

（3）利用率

服務(wù)器和存儲利用率方面的問題如下：

◆ 基礎(chǔ)設(shè)施利用率是否達到最佳水平；

◆ 是否存在不必要的備份設(shè)備；

◆ 可以進行合并與虛擬化嗎；

◆ 如何將離散或孤島式計算轉(zhuǎn)變?yōu)楣蚕砟Ｊ剑?/p>

◆ 是否可以監(jiān)控資源利用率，當(dāng)前情況及未來趨勢如何；

◆ 如何對基礎(chǔ)設(shè)施提供的服務(wù)進行計費；

◆ 誰能提供幫助。

圖3所示為綠色數(shù)據(jù)中心演進戰(zhàn)略及建議步驟。從圖中可以看出，IT 基礎(chǔ)設(shè)施和人員參與流程的所有措施必須同時加以協(xié)調(diào)。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)施的綠色技術(shù)

為實現(xiàn)環(huán)保，數(shù)據(jù)中心需要采用高能效基礎(chǔ)設(shè)施和最佳實踐措施。基礎(chǔ)設(shè)施壽命比大部分 IT 硬件長三到五倍，所需投資也更高。因此，了解基礎(chǔ)設(shè)施更新的時間安排很重要。本節(jié)還將提供采用最佳實踐措施提高基礎(chǔ)設(shè)施效率的技巧。

機房與設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施可分為以下幾部分，這幾個部分之間彼此相關(guān)：

◆ 數(shù)據(jù)中心建筑結(jié)構(gòu)；

◆ 數(shù)據(jù)中心綠色能源；

◆ 數(shù)據(jù)中心冷卻；

◆ 供暖、通風(fēng)與空調(diào)（HVAC）；

◆ 不間斷電源（UPS）；

◆ 電源；

◆ 備用發(fā)電機或替代電源。

2.2.1 建筑結(jié)構(gòu)綠色技術(shù)

綠色節(jié)能建筑結(jié)構(gòu)新體系是在木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等通常結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展的，具有綠色節(jié)能房屋建筑結(jié)構(gòu)特點的新體系。所采用的墻體、樓板等主要建筑結(jié)構(gòu)材料具有綠色、節(jié)能性能，而主體建筑結(jié)構(gòu)和施工方式采取現(xiàn)場拼裝、現(xiàn)場澆筑使建筑物形成一體化，是一種將建筑材料、結(jié)構(gòu)形式和施工方式相結(jié)合的以體現(xiàn)綠色、節(jié)能為主的新的建筑結(jié)構(gòu)體系。

建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)有以下幾種：

（1) 優(yōu)化建筑外形，以最小的建筑外表面積創(chuàng)造出最大的建筑空間，減輕墻外表面積對散熱的影響。合理設(shè)計平面，將電梯、樓梯、管道井、機房等布置在建筑物的西側(cè)，可以有效阻擋日射，降低夏季室內(nèi)的溫度。

（2) 采用保溫隔熱、傳熱系數(shù)小的墻體新材料。

圖3 綠色數(shù)據(jù)中心演進戰(zhàn)略及建議步驟

（3）外裝飾盡量做淺色處理，采用光滑飾面材料，以減少表面對輻射的吸收。

（4）利用綠色植被鋪地，將降低地面附近室外空氣的溫度，減少室內(nèi)外溫差，從而降低冷負荷。

（5）屋頂采用高保溫材料或在屋頂設(shè)置高效隔熱層，防止大量輻射熱侵入室內(nèi)，減少空調(diào)等耗能。條件允許時可在屋頂上覆土，做植被屋面，不僅能用覆土隔熱還能利用植物遮陽。

2.2.2 綠色能源

新一代數(shù)據(jù)中心應(yīng)充分利用太陽能、風(fēng)能、水力能、生物能、海洋能和地?zé)崮艿染G色能源，實現(xiàn)一定程度上的資源自給自足，結(jié)合各地的自然條件及資源情況，因地制宜地開發(fā)綠色能源。如太陽能熱水技術(shù)、沼氣技術(shù)、地?zé)岚l(fā)電、地?zé)峁┡夹g(shù)、被動式太陽能利用技術(shù)、可再生技術(shù)等。

數(shù)據(jù)中心采用創(chuàng)新技術(shù)可以提高單位電耗計算能力。隨著技術(shù)的演進和創(chuàng)新，IT 設(shè)備能效不斷提高，采用新型設(shè)備更換原有設(shè)備能夠顯著降低數(shù)據(jù)中心的總電耗和制冷要求，節(jié)省寶貴的地面空間，通常會帶來較好的投資回報率。

例如刀片服務(wù)器的耗電量和制冷要求比1U [SG1]技術(shù)降低了25%～40%；最新型UPS 系統(tǒng)的耗電量比現(xiàn)有 UPS 系統(tǒng)低70%；新型制冷機組的系統(tǒng)效率提高了50%；新型制冷機組可以通過安裝變速驅(qū)動器，降低泵水系統(tǒng)的能耗，并且便于這種水冷系統(tǒng)與冷媒水基礎(chǔ)設(shè)施更好地集成；利用外部空氣直接對冷媒水進行降溫的水側(cè)節(jié)能裝置，可進一步降低冷卻數(shù)據(jù)中心使用的能耗；利用儲熱系統(tǒng)保存制冷機組通常夜間高效工作時產(chǎn)生的能量，然后在能源成本較高的白天釋放這種能量，可以降低水冷系統(tǒng)的運行成本。

2.2.3 改善冷卻方式

制定減少數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱量、提高電源和制冷效率的計劃時，應(yīng)考慮大量因素。

（1）改進機架和機房布局可以提高能效，且初期投資比較低。可考慮以下改進方法：

◆ IT 設(shè)備按熱通道和冷通道配置排列；

◆ 設(shè)備應(yīng)位于可以控制冷、熱通道之間氣流的位置，避免熱空氣回流到 IT 設(shè)備的冷風(fēng)進氣口；

◆ 采用輔助冷卻方式，如水冷或冷媒熱交換器。

采用后門熱量交換器提高機架制冷效率，或采用封閉式機架系統(tǒng)在進入機房之前驅(qū)散高密度計算機系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。同樣，相對簡單的氣流管理可以顯著提高能效。例如：清除地板下面的障礙，有效管理線纜以利于空氣流通；通過增加或減少設(shè)備進氣口的出風(fēng)口蓋板，保證地板孔與設(shè)備熱負荷相匹配；考慮增加回風(fēng)管。

應(yīng)考慮數(shù)據(jù)中心組成熱區(qū)，將一組固定的 IT 設(shè)備和地面空間分配給指定的 HVAC 或CRAC 設(shè)備。這種空間和散熱計劃可以消除機房中對制冷系統(tǒng)形成壓力的熱區(qū)（熱點），提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免由于熱引起硬件故障，同時，也可以避免冷點。

（2）管理氣流

在可能的情況下，應(yīng)避免冷、熱空氣相混。為提高氣流效率，冷空氣穿過高架地板下面進入負載區(qū)域的通道必須通暢。高架地板上面，應(yīng)有熱空氣返回 CRAC 設(shè)備的通道。以下方法可以改進氣流管理：

◆ 采用冷熱通道。采用冷、熱通道配置便于更好地管理高架地板氣流，包括熱空氣和冷空氣。這種配置有助于冷、熱氣流在各自獨立的通道中流動，減少空氣混合，提高效率；必要時可以隔離冷熱通道，以提高效率；

◆ 增加或減少出風(fēng)口蓋板。減少熱通道和開孔區(qū)域的出風(fēng)口蓋板；增加高熱負荷區(qū)的通風(fēng)口蓋板；調(diào)節(jié)通風(fēng)口蓋板下面的擋板，使少量空氣進入低熱區(qū)，高熱區(qū)處擋板全部打開；開口未用的蓋板用整塊蓋板更換；

◆ 改善機架氣流。可能的情況下，避免冷、熱空氣相混。空置機架安裝隔板，機架間留大間距，使冷空氣避開服務(wù)器產(chǎn)生的熱負荷，并使冷空氣流回 CRAC [SG2]設(shè)備。空氣應(yīng)以最小的阻力穿過通道，這樣可以使機架中的熱空氣再次穿過服務(wù)器被帶走；BladeCenter（刀片中心） 機箱后部未使用的模塊托架安裝相應(yīng)的隔板、填充物；

◆ 密封線纜口和透孔。高架地板開口會影響氣流分布，降低地板下面的靜氣壓，用填充物、泡沫、枕墊封堵開口，這樣可以使更多的空氣進入需要的位置；

◆ 清除地板下的障礙。地板下障礙過多會導(dǎo)致靜壓上升，高靜壓對高架地板上、下的氣流產(chǎn)生負面影響。清除地板下面的障礙物，如：不使用的線纜和布線、不使用的地板下設(shè)備和通信盒。

（3）高架地板高度建議

目前，高架地板建模建議高度至少支持600mm（24 in）無障礙空間，為冷空氣提供通暢的流動通道。有些新的高架地板為 900 mm（36 in）高，以便增加空氣量，滿足極為嚴(yán)格的冷卻要求。

對于低高架地板，如300mm（12 in），設(shè)備不得靠近 CRAC 系統(tǒng)，否則會造成出風(fēng)口蓋板出現(xiàn)低氣流或逆流。

地板下面部分可放置在高架地板下，使空氣進入所需的區(qū)域。[SG3]

（4）數(shù)據(jù)中心密封

考慮以下數(shù)據(jù)中心密封方案：

◆ 隔離數(shù)據(jù)中心墻壁與天花板；

◆ 密封數(shù)據(jù)中心四周的透孔；

◆ 用雙層玻璃窗更換窗戶；

◆ 安裝門口密封條。

這些簡單的方法有效地保持數(shù)據(jù)中心溫度和濕度設(shè)置點，提高熱效率。

（5）制冷設(shè)備定位方案

傳統(tǒng) IT 設(shè)備冷卻設(shè)計將多個 CRAC 系統(tǒng)放在數(shù)據(jù)中心四周，CRAC 設(shè)備提供的冷空氣從設(shè)備到服務(wù)器機架要經(jīng)過一段距離，然后再返回 CRAC 設(shè)備。

為解決數(shù)據(jù)中心高密度機架產(chǎn)生的熱點問題，制冷設(shè)備廠商開始提供另一種冷卻解決方案消除數(shù)據(jù)中心的熱點。其做法是在靠近出現(xiàn)問題的位置，放置熱交換器進行局部液冷，將熱交換器直接放在熱源處，不必使用 CRAC 系統(tǒng)，這樣可以提高其余 CRAC 系統(tǒng)的效率，保證數(shù)據(jù)中內(nèi)部的冷卻能力。這些熱交換器均可以擴展。

為發(fā)揮局部冷卻的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)中心需要配備冷媒水。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部提供冷媒水不是新技術(shù)，20世紀(jì)80年代已用于大型機。由于風(fēng)冷不能滿足高密度服務(wù)器的散熱需求，于是再次要求數(shù)據(jù)中心配備冷媒水。目前，已基于這一策略為機架開發(fā)出幾種可行方案：

◆ 前部或后部安裝鰭管熱交換器；

◆ 機架底部或側(cè)面安裝內(nèi)部鰭管熱交換器；

◆ 高架鰭管熱交換器；

◆ 服務(wù)器內(nèi)部制冷；

◆ 后門熱量交換器。

2.2.4 供暖通風(fēng)與空調(diào)（HVAC）

（1）自然冷卻免費制冷

節(jié)能裝置分為空氣側(cè)和水側(cè)兩種。

空氣側(cè)節(jié)能裝置可用作免費制冷系統(tǒng)。不過，根據(jù)所處位置，這些裝置在有持續(xù)鮮冷氣源的條件下效果最好。通過夜間對這些裝置進行調(diào)整可以保持一致性。外部空氣節(jié)能裝置可直接抽取外部空氣供數(shù)據(jù)中心使用。

水側(cè)節(jié)能裝置采用戶外冷空氣生成冷凝水，可用于部分或全部滿足設(shè)備冷卻的要求。當(dāng)外部氣溫足夠低時，水側(cè)節(jié)能裝置可部分或完全取代制冷機組，這樣可以延長每天免費制冷的時間。

（2）溫度設(shè)定

數(shù)據(jù)中心溫度設(shè)定點只要上調(diào)1度，就可顯著降低能源成本，因為，這樣可以降低CRAC 負荷，更多地采用免費制冷。

建立能源監(jiān)測與管理系統(tǒng)，可監(jiān)控、管理各系統(tǒng)用電量和熱量，正確評估數(shù)據(jù)中心高溫和低溫設(shè)定點并可以提供趨勢分析，有助于控制能耗，提高能源利用率，節(jié)省能源費用。

2.2.5 電源

現(xiàn)場電源功率因校正（PFC）可以重新獲得部分損失的電量。通過 PFC，供電 1 kW，設(shè)備使用的電量可以達到 0.95kW。對于使用 2500～3000kW的現(xiàn)場，回報期為三到四年。

智能電源分配單元（iPDU）連接能源管理系統(tǒng)，通過收集用電量信息，顯示服務(wù)器能耗的整體視圖。先進的能源管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對連接的服務(wù)器進行功率封頂，節(jié)省費用，有助于提高能效。

（1）DC 與 AC

隨著交流電源的發(fā)展和開關(guān)電源技術(shù)的進步，效率方面的提高達到空前水平。這種情況加大了 DC 電源與 AC 電源之間的差距，DC 效率的提高僅為5%～7%，而AC 產(chǎn)品則十分豐富，成本大大低于 DC。

（2）飛輪發(fā)電技術(shù)

隨著新的飛輪發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，過去的UPS 電池有被新的飛輪發(fā)電機取代的趨勢。受電池質(zhì)量和充電次數(shù)的影響，某些情況下，電池的使用壽命最多為10年，而與電池相比，飛輪發(fā)電機可以在更高的溫度下工作，效率高，占地面積比電池小，不必進行交流到直流，再到交流的轉(zhuǎn)換，但是它支持的時間卻有限，也不能調(diào)節(jié)電源。飛輪發(fā)電機的優(yōu)點是效率高、尺寸小；缺點是支持時間有限，不能調(diào)節(jié)電源。

（3） 發(fā)電機

電源保障是實現(xiàn)高可用性數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵，而備用發(fā)電機是高可用性數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部件。UPS 系統(tǒng)可以為數(shù)據(jù)中心供電幾分鐘，甚至幾個小時，但是沒有備用發(fā)電機，數(shù)據(jù)中心制冷的 HVAC 系統(tǒng)無法工作，從而有可能造成數(shù)據(jù)中心溫度過高。

目前，與老式發(fā)電機相比，備用發(fā)電機在設(shè)計上顯著提高了燃油效率，減少了對大氣的CO2排放，更加環(huán)保。同時，加快了啟動和送電速度（低于30秒）支持使用飛輪和燃料電池技術(shù)的備用發(fā)電機可以取代 UPS 電池。

備用發(fā)電機一般采用柴油或天然氣為燃料，這些設(shè)備的使用壽命為15～20年。電力供應(yīng)非常好的地區(qū)，這些設(shè)備未必很長時間工作，因此保養(yǎng)和檢測是十分重要的。

確定這些設(shè)備的規(guī)格時，一定要考慮含數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的全部基礎(chǔ)設(shè)施，包括制冷機組、冷卻泵、CRAC、UPS、AHU 及其他現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施。

除此之外，現(xiàn)場發(fā)電還在不斷發(fā)展的新技術(shù)有：燃料電池、核能、風(fēng)能和太陽能等。

2.3 IT綠色技術(shù)

優(yōu)化IT設(shè)備，從源頭減少用電量和產(chǎn)生的熱量，對提高基礎(chǔ)設(shè)施效率可以產(chǎn)生直接影響。

（1）如何用電

電進入數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場后，配送給各種 IT組件，系統(tǒng)中的電力分配取決于其架構(gòu)和用途。供電總量和組件配電量隨處理的工作負載而變化，并且，每種系統(tǒng)都根據(jù)特定用途而構(gòu)建。

圖4中從左至右顯示的電力分配情況，依次為大型機系統(tǒng)、高端 UNIX服務(wù)器、高性能計算（HPC）服務(wù)器、入門級 UNIX 系統(tǒng) 和刀片系統(tǒng)。由于處理器能耗約占大型機的20%～30%，而刀片為50%以上，因此我們在優(yōu)化能效時，需要分別針對每種系統(tǒng)采用不同的策略。

圖4 一般典型系統(tǒng)中組件的相對能耗

柱狀圖底部紅色部分表示每種系統(tǒng)所需能量，即交流電轉(zhuǎn)換為直流電損失部分能量。變壓器（電源）效率取決于負載，是非線性的，最有效的負載為50%～75%。負載低于50%，效率顯著下降；因此盡管不能顯著提高效率，也要保持在一定的負載水平。

（2）創(chuàng)新解決IT硬件散熱問題

為防止計算機芯片損壞，芯片及整個系統(tǒng)必須進行散熱。

系統(tǒng)每節(jié)省1W電，熱負荷也可以節(jié)省約1W，這些節(jié)省還可對不間斷電源（UPS）和制冷系統(tǒng)產(chǎn)生同樣的效果。因此，降低系統(tǒng)能耗可以取得兩倍以上的回報，這是實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的一大優(yōu)點。

空氣是一種效率極低的冷媒，因此液冷成為一種越來越流行的冷卻方法。水是目前最常用的冷卻液體，一升水吸收的熱量約比同樣體積的空氣高4000倍。隨著空間減小，熱量增加，水冷系統(tǒng)將很快成為一種必然趨勢。在規(guī)劃新的數(shù)據(jù)中心或改造現(xiàn)有中心時，應(yīng)考慮新 IT 設(shè)備需要采用水冷提高散熱效率的因素。

例如：目前已開發(fā)出在芯片背部直接水冷的解決方案，其基本原理是讓水流穿過芯片背部的細微通道。熱能被水吸收后，可以達到有效散熱的目的，典型的如支持高性能計算的 POWER 575 系統(tǒng)就配有水冷處理器。

2.4 提高數(shù)據(jù)中心資源利用率的綠色技術(shù)

選擇高效設(shè)備，采用更高效的系統(tǒng)可以提升數(shù)據(jù)中心資源利用率，典型的有合并和虛擬化技術(shù)。

（1）合并：提高能效的關(guān)鍵

合并的概念如圖5所示。假定我們有四個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)運行兩個應(yīng)用程序（APP）。同時，每個設(shè)備耗電量為2kW，總計8kW。而就小型x86服務(wù)器的情況看，利用率往往僅為10%。

如果我們將這8個應(yīng)用程序合并到一個更強大的服務(wù)器上運行，利用率可達70%，用電量為4kW，這種單一服務(wù)器的工作能效更高。此外，如果我們采用一種電源管理技術(shù)關(guān)閉前面的4個系統(tǒng)，也可實現(xiàn)系統(tǒng)總能耗為4kW，利用率為70%的效果。

圖5 將應(yīng)用程序合并到更高效服務(wù)器

總能耗降低不是唯一要素。隨著電量下降，熱負荷及基礎(chǔ)設(shè)施其他插件的功耗也同步下降。正是由于這種雙重下降，使系統(tǒng)合并得以成為實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的巨大杠桿。

但是在各自的應(yīng)用程序轉(zhuǎn)移到合并系統(tǒng)期間，系統(tǒng)1至4不能停機。因此，在遷移過程中，會臨時出現(xiàn)資源需求加大的問題。

（2）虛擬化：最環(huán)保的技術(shù)

虛擬化是一種系統(tǒng)抽象化的概念。這種技術(shù)可以顯著減少數(shù)據(jù)中心所需的 IT 設(shè)備。虛擬化消除了服務(wù)器、存儲或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對應(yīng)用程序的物理局限。每種應(yīng)用程序配置專用服務(wù)器，效率低下，造成利用率下降。虛擬化可使應(yīng)用“拼車”使用服務(wù)器，這種物理意義上的車（服務(wù)器）是固定的，但乘員（應(yīng)用程序）可以改變，而且變化多樣（尺寸和類型），資源自由增減，如圖6所示。

虛擬化一詞廣泛使用并有以下多種定義：

◆ 可以生成 CPU、存儲器和 I/O 功能組成的計算機系統(tǒng)邏輯實例；

◆ 可以是其他虛擬組件的組合；

◆ 可組成虛擬 CPU 或虛擬存儲器和磁盤；

◆ 可以是虛擬計算機與外部環(huán)境之間的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

為完成處理工作，虛擬系統(tǒng)必須在實際系統(tǒng)上運行，顯然，這要求具有更高的智能水平。現(xiàn)在有純軟件解決方案，系統(tǒng)固件可以提供虛擬化功能，或?qū)⒋祟惞δ芙尤胂到y(tǒng)中。目前許多處理器架構(gòu)集成了虛擬功能，可供軟件解決方案使用。

虛擬化的其他優(yōu)點：

◆ 虛擬系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化，利用虛擬化系統(tǒng)功能進行通信，能以極快的速度傳送內(nèi)存數(shù)據(jù)，提高了性能和能效，同時，減少了現(xiàn)場和設(shè)備資源的需求；

◆ 虛擬系統(tǒng)可以彼此實現(xiàn)磁盤共享。從能效角度看，通過虛擬化存儲，虛擬化系統(tǒng)可將理想的磁盤容量提供給其他虛擬系統(tǒng)。

圖6 虛擬化可以按原樣合并系統(tǒng)

3 綠色數(shù)據(jù)中心的運行與能耗管理

3.1 計算機系統(tǒng)用電數(shù)據(jù)收集

新的信息化系統(tǒng)都應(yīng)該內(nèi)置測量電耗的測量功能和熱敏傳感器。我們可利用這功能顯示當(dāng)前用電值，便于根據(jù)系統(tǒng)整體狀態(tài)采取措施。

智能電源分配單元 （iPDUs）用于未嵌入或無可管理板載測量儀的系統(tǒng)。iPDU 含有通用傳感器，可提供連接設(shè)備的電耗信息及環(huán)境信息，如溫度和濕度。iPDU 的串口和 LAN接口可供 Web 瀏覽器、任何基于 SNMP 的網(wǎng)管系統(tǒng)、Telnet 或串行線連接的控制臺進行遠程監(jiān)控和管理。事件通過 SNMP 陷阱或電子郵件發(fā)送通知，并可通過電子郵件發(fā)送日記錄報告，能源管理器也可以管理 iPDU，如圖7所示。

3.2 電源管理：硬件端

一般先進的處理器系統(tǒng)都應(yīng)具備能效管理技術(shù)，以提供多種電源管理功能：

◆ 用電量趨勢：供計算機收集并在內(nèi)部保存用電量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可通過能源管理器顯示；

◆ 節(jié)電模式：按預(yù)定比例降低處理器電壓和頻率。節(jié)電模式在保證正常安全運行的同時，有助于降低峰值能耗。例如，夜間CPU 利用率很低時，處理器可以采用節(jié)電模式（Power Saver Mode 模式）；

◆ 功率封頂：強制執(zhí)行用電量標(biāo)定極限。這個功能適于通用電源極限條件下使用，如適用于一組系統(tǒng)的最大供電量。不過，這個功能不能作為節(jié)電功能使用，這樣會嚴(yán)重影響性能；

◆ 處理器內(nèi)核休眠：采用處理器低功率模式（稱為 Nap），可通過關(guān)閉內(nèi)核時鐘減少電耗。根據(jù)操作系統(tǒng)的信號，管理程序控制進入或退出 Nap 模式；

◆ EnergyScale forI/O：這一功能可使自動關(guān)閉PCI插拔適配器插槽的電源。如果插槽是空的，插槽電源自動關(guān)閉，不再為其分配分區(qū)，或關(guān)閉已分配分區(qū)的電源。

圖7 系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施與能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3.3 電源管理：軟件端

先進的系統(tǒng)也應(yīng)具備智能的能源管理平臺，提供通用系統(tǒng)管理環(huán)境。

◆ 測量和顯示被管理系統(tǒng)當(dāng)前電量和溫度數(shù)據(jù)；

◆ 提供選定期間內(nèi)的趨勢數(shù)據(jù)；

◆ 在固件支持的情況下，設(shè)置系統(tǒng)功率封頂，并管理處理器的節(jié)電模式。

圖8所示應(yīng)用場景展示了能源管理系統(tǒng)幫助優(yōu)化機架或 BladeCenter 布局方法：

（1）假定電量趨勢表明服務(wù)器實際電耗低于標(biāo)定量。查找某個服務(wù)器絕不可能超出用電量。

（2）采用能源管理系統(tǒng)對功率進行封頂。按觀測到的最大量級封頂系統(tǒng)功率（由于會嚴(yán)重影響性能，因此封頂功率設(shè)定的極限應(yīng)該是正常情況下不可能達到的）。以前過度分配給每一單個系統(tǒng)的電量，現(xiàn)在可在過度分配的機架層進行管理。

（3）在機架中增加系統(tǒng)，以有效利用以前過度分配的電量。理想情況下，以能效更高的新系統(tǒng)取代低能效設(shè)備。

建立電源管理基礎(chǔ)設(shè)施后，可以采取其他步驟，例如，確定數(shù)據(jù)中心的熱點位置；將應(yīng)用軟件配置到冷服務(wù)器上，避免熱點；如果電力供應(yīng)商實行負荷費率或白天和夜間費率，可以根據(jù)基準(zhǔn)優(yōu)化配置，降低能耗。

3.4 集成能源和系統(tǒng)管理

對于整個系統(tǒng)管理環(huán)境，電源管理只是其中的一個方面。集成能源和系統(tǒng)管理系統(tǒng)可用于監(jiān)控操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器，直至通過靈活定制的門戶監(jiān)控分布式環(huán)境。

優(yōu)化能效的方式包括：

◆ 根據(jù)機器的環(huán)境溫度重新分配服務(wù)器，或?qū)⒄麄€機架的總能耗重新分配給數(shù)據(jù)中心溫度較低的另一機架。當(dāng)溫度報警時，可重新配置功能；

◆ 對存在溫度問題的服務(wù)器進行功率封頂，可能是由于氣流受阻造成的，直到現(xiàn)場問題得到解決為止；

◆ 將電量、溫度和 CPU 用量數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控倉庫。可按核算數(shù)據(jù)對這個數(shù)據(jù)進行修正。根據(jù) CPU 和相關(guān)用電量向 IT 用戶收費。

4 不斷演進的綠色數(shù)據(jù)中心

綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)不是一勞永逸的項目，而是一個不斷推進的過程。從降低成本，到提高可持續(xù)發(fā)展能力，再到為企業(yè)樹立更好的公眾形象，整個綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)過程實際是一個逐漸演進的過程。

未來，會有越來越多的公司采用EMC、能源合同管理的方式來管理數(shù)據(jù)中心的能耗，能源合同管理能幫助客戶確定基準(zhǔn)，提高 IT能效水平，減少對環(huán)境的影響。同時也會出現(xiàn)由第三方能源評估機構(gòu)對消耗的能源降低進行認證，頒發(fā)證書，可供企業(yè)用來獲得降低能耗的認證測量結(jié)果。證書可在不斷擴大的能效證書市場上進行有價交易，也可以保存用來證明減少能源消耗及相關(guān)的CO2排放。

圖8 利用能源管理器優(yōu)化機架布局