數(shù)據(jù)中心 節(jié)電有奇招

如何降低數(shù)據(jù)中心的電力成本？一些很容易實現(xiàn)的方法并不需要多大的投入，且見效快、效果明顯，何不嘗試一下？

如今數(shù)據(jù)中心管理人員的日子并不好過，他們既要滿足競爭更激烈的市場給企業(yè)帶來的需求，又要應對經(jīng)濟疲軟導致的預算有限的局面。他們在想方設法降低運營成本，而增長速度最快、比重最大的一項運營成本就是電力成本，服務器和冷卻系統(tǒng)是其中的耗電大戶。

一些有效的節(jié)能方法常常需要投入大筆的前期資金，幾年后才能獲得投資回報。相反，一些經(jīng)常被忽視的方法卻幾乎不需要什么成本，但這些方法有時卻不被重視，原因可能是它們看起來似乎不切實際或者過于激進。本文介紹的幾種節(jié)電方法在實際的數(shù)據(jù)中心環(huán)境中都經(jīng)過測試和考驗，而且證明其確實有效。有些方法立即就可以運用，不需要多大投資；而另一些方法可能需要投入資金，但是獲得回報的速度比傳統(tǒng)的IT開支要快。

衡量數(shù)據(jù)中心能效的最佳標準是電力使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），這個數(shù)值越小越好，1.0是理想目標。PUE把數(shù)據(jù)中心的總耗電量與用于處理實際計算任務的耗電量進行比較，如果是2.0，則意味著輸送給數(shù)據(jù)中心的2瓦電等到輸送給服務器時只剩下了1瓦，而損耗的電轉換成了熱量，這個熱量又需要消耗電力（通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)）來排出去。

與所有簡單的衡量標準一樣，PUE也是衡量用電效率的一種標準。它并不考慮其他能源，比如周圍環(huán)境能源、地熱能或者氫燃料電池，其實這些能源可以利用起來，降低總的電力成本。下面介紹的方法有的能大幅降低PUE，有的不能，但只要查看數(shù)據(jù)中心每月的電費賬單，就能更簡單地評估其效果。這些方法中找不到太陽能、風能或者氫能，因為這些非傳統(tǒng)能源需要投入大筆資金，而就當前的經(jīng)濟形勢而言，這無法立即節(jié)省成本。相比之下，以下方法沒有一個比使用風扇和管道更復雜。這些方法的價值在于，它們不是相互排斥的，可以混合搭配多種方法，以符合短期預算和長期目標。

將溫度調(diào)高

最簡單的節(jié)電方法是我們馬上就能實施的，那就是調(diào)高數(shù)據(jù)中心的溫度。一般來說，常規(guī)的做法是將數(shù)據(jù)中心的溫度設定在攝氏20度或更低，而理由是這個溫度能延長設備的使用壽命，并且萬一冷卻系統(tǒng)發(fā)生了故障，能有更多的時間來應對。

以往的經(jīng)驗表明，運行環(huán)境的溫度一高，服務器等部件發(fā)生故障的幾率確實加大，硬盤更是如此。但近些年來，IT經(jīng)濟突破了重要的臨界點，服務器的運營成本通常超過了購置成本，這使得削減運營成本比維護硬件來得更重要。

在去年召開的GreenNet大會上，谷歌公司能源主管Bill Weihl分享了谷歌在調(diào)高數(shù)據(jù)中心溫度方面的成功經(jīng)驗。他表示，可以安全地把26.7攝氏度（80華氏度）作為新的設定點，只要數(shù)據(jù)中心滿足一個簡單的先決條件：盡可能把熱空氣流與冷空氣流分開；如果需要的話，使用窗簾或堅固的屏障。

雖然26.7攝氏度是一個“安全”的溫度值，但微軟的經(jīng)驗表明，溫度可以調(diào)得更高些。微軟位于愛爾蘭都柏林的數(shù)據(jù)中心就在“不用冷卻裝置”的情況下運行，它使用室外空氣自然冷卻，服務器的進口溫度高達35攝氏度。但這里要注意的是，如果溫度超過某個值，效果就會遞減，那是由于需要加快服務器風扇的轉速，這本身也加大了耗電量。

關閉未用的服務器

虛擬化技術體現(xiàn)了關閉未使用的處理器、硬盤和內(nèi)存帶來的節(jié)能優(yōu)勢。既然如此，何不索性關閉整臺服務器？為了提高業(yè)務靈活性，讓服務器隨時待命，增加這些服務器的耗電量，這值得嗎？如果你能找到可以關閉服務器的機會，對于這些服務器來說，其耗電量就是零。

不過，對此有人持不同的意見。首先，大家通常認為開關機操作會縮短服務器的使用壽命，因為開關機會給主板電容器等非熱插拔部件造成損耗。這其實是一個誤區(qū)。實際上，制造服務器所用的部件與可以頻繁開關機的設備（比如汽車和醫(yī)療設備）所用的部件常常一樣。沒有證據(jù)表明服務器的頻繁開關機操作會縮短平均故障間隔時間（MTBF）。

第二個反對意見是，服務器需要太長的時間來啟動。其實，我們可以加快服務器的啟動，比如關閉不必要的啟動時診斷檢查、從已經(jīng)在運行的快照映像啟動，以及利用一些硬件中的熱啟動功能。

第三個反對意見是，如果我們必須啟動服務器以適應更大的負載，不管啟動速度多快，用戶都不會等待。不過，大多數(shù)應用軟件架構與其說拒絕新用戶，還不如說只是處理請求的速度更慢而已，所以用戶沒有意識到自己在等待服務器啟動。應用軟件受到人數(shù)限制影響時，用戶已表明自己愿意等待，只要向他們提供一條簡單的“我們在啟動更多的服務器來加快處理你的請求”的消息即可。

使用固態(tài)硬盤

由于固態(tài)硬盤（SSD）讀取數(shù)據(jù)速度快、耗電量小、散熱量非常低，廣泛應用于上網(wǎng)本、平板電腦和筆記本電腦，以及服務器。但至今，SSD的成本和可靠性仍然是影響用戶采用的一大障礙。不過，SSD的價格在過去兩年有了大幅下降，使它很適用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能，但前提是將它用于合適的應用環(huán)境。使用得當?shù)脑挘琒SD能大幅降低磁盤陣列的供電和冷卻費用，耗電量可降低50%，散熱量接近于零。

SSD目前沒有解決的一個問題是寫入操作次數(shù)有限，適合服務器存儲的單層單元（SLC）SSD目前可以寫入500萬次，而成本較低的消費級多層單元（MLC）SSD的存儲容量更大，但壽命只有SLC的1/10。

SSD有一個好處，即購買來SSD后，馬上就能換掉耗電量和散熱量都很大的現(xiàn)有的硬盤。為了迅速減少耗電量，我們可以用SSD來存儲只讀型的龐大數(shù)據(jù)集，比如視頻流文件。使用SSD不但能立即提升性能，還可以降低電力和冷卻成本。

應選擇專門為服務器設計、而不是為臺式機設計的SSD。這類SSD通常擁有多通道架構，可以提高傳輸速率。最常見的接口是SATA 2.0，傳輸速率為3Gbps。更高端的SAS SSD（如日立/英特爾Ultrastar SSD系列）可達到6Gbps速率，存儲容量高達400GB。雖然固態(tài)硬盤設備存在一些設計缺陷，但這些缺陷主要歸因于涉及BIOS密碼和加密的臺式機及筆記本電腦驅動程序，而服務器的存儲設備與這些因素無關。

最初需要花費心思來監(jiān)控SSD的使用情況。英特爾及其他SSD制造商提供的分析工具，既能跟蹤寫入故障事件，還能跟蹤讀取和寫入周期。SSD會自動重新安排寫入操作，以便設備磨損均勻，這一過程被稱為負載均衡，同時還能檢測一些錯誤，并進行恢復。如果開始出現(xiàn)嚴重的寫入故障時，那就該更換SSD了。

熱量再利用

使用數(shù)據(jù)中心的熱量為辦公區(qū)域供暖，這可以實現(xiàn)節(jié)能效果翻番。在寒冷的天氣時，只用室外空氣就能獲得為辦公區(qū)域供暖，滿足任何額外冷卻需求所需的全部熱量。

與自然空氣冷卻不一樣，我們可能再也不需要現(xiàn)有的供暖系統(tǒng)。如果室外很暖和，本身就不需要暖氣爐，也不用擔心服務器機房的電子設備釋放出來的煙氣引起的化學污染，符合《電氣、電子設備中限制使用某些有害物質(zhì)指令（RoHS）》的服務器在制造時就不含對環(huán)境有害的污染物，比如鎘、鉛、汞和多溴混合物。

與自然空氣冷卻一樣，惟一需要的技術是空調(diào)方面的傳統(tǒng)技術，如風扇、管道和溫度調(diào)節(jié)器。我們會發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心生成的熱量多得足以換掉傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)。IBM建在瑞士Uitikon的數(shù)據(jù)中心就能夠免費為市政游泳池供暖，其節(jié)省的能源相當于能為80戶家庭供暖。TelecityGroup Paris數(shù)據(jù)中心甚至使用服務器產(chǎn)生的廢熱，為常年恒溫的溫室供暖，以便研究天氣變化。

重新配置暖氣爐系統(tǒng)絕不是一個周末就能搞定的項目，但成本可能很低，一年內(nèi)就能獲得節(jié)能效益。

用室外空氣自然冷卻

較高的數(shù)據(jù)中心溫度可以更容易地利用所謂的自然空氣冷卻，也就是使用溫度較低的室外空氣作為冷空氣來源，避免使用昂貴的冷卻裝置，就像微軟在愛爾蘭的數(shù)據(jù)中心那樣。如果你試圖將數(shù)據(jù)中心的溫度保持在26.7攝氏度，而室外氣溫是21攝氏度，那只要將室外空氣引入數(shù)據(jù)中心，就能滿足所需的冷卻要求。

采用這種方法比前面說到的調(diào)高數(shù)據(jù)中心溫度要復雜一點，因為必須重新布設管道，以引入室外空氣，并安裝基本的安全裝置，比如空氣過濾器、除濕器、防火擋板和溫度傳感器等，確保室外空氣不會破壞靈敏的電子設備。

在對照試驗環(huán)境中，英特爾使用自然冷卻方法，把耗電量減少了74%。試驗是將兩輛塞滿服務器的拖車使用10個月，一個使用傳統(tǒng)的冷卻裝置，另一個結合使用冷卻裝置和過濾掉粗顆粒雜質(zhì)的室外空氣。自然冷卻的拖車在91%的時間能夠完全使用室外空氣冷卻。英特爾還發(fā)現(xiàn)，自然空氣冷卻的服務器里面積了一層厚厚的灰塵，這證明需要進行有效的細顆粒雜質(zhì)過濾。這可能得經(jīng)常更換過濾器，所以要考慮可清潔、可反復使用的過濾器所需的成本。

盡管灰塵很多，濕度變化很大，但英特爾發(fā)現(xiàn)，自然空氣冷卻的拖車故障率并沒有增加。如果將其推廣到耗電量為10兆瓦的數(shù)據(jù)中心，這相當于每年可省下近300萬美元的冷卻成本，還能少用7600萬加侖的水，而水在一些地方本身就是一種昂貴的商品。

選擇直流電

直流電卷土重來。隨著電力技術的興衰起伏，這種看似變化不定的能源再度流行起來，其魅力很簡單：服務器在內(nèi)部使用直流電，所以，為服務器直接供應直流電有望節(jié)省費用，因為不需要服務器內(nèi)部電源將交流電轉換成直流電。

直流電在本世紀初大受歡迎，因為當時的服務器電源在數(shù)據(jù)中心的轉換效率只有75%。但是后來，電源效率得到了改進，數(shù)據(jù)中心改用更高效的208伏交流電。到了2007年，直流電開始不受歡迎，它的大名甚至赫然出現(xiàn)在《InfoWorld》雜志于2008年刊發(fā)的《被揭穿的十大節(jié)電神話》文章中。之后，到了2009年，由于市場上出現(xiàn)了高電壓數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品，于是直流電強勢反彈。

2009年推出了一種新的數(shù)據(jù)中心設備，可以將1.3萬伏交流電直接轉換成575伏直流電，然后直流電可以直接配送到機架，最后降壓轉換器再把575伏直流電變成48伏直流電，供機架里面的服務器使用。每次轉換的效率比原有的交流電變壓器技術大約高出一倍，散熱量也低得多。有廠商聲稱，算上電力和冷卻兩方面的節(jié)省，最多可以節(jié)能50%，但大多數(shù)專家表示節(jié)能25%比較可信。

這個方法不需要在新技術方面投入什么資金，涉及的技術也并不復雜，而且被證明很可靠。一個潛在的隱性成本是，需要更粗的銅纜來配送48伏直流電。焦耳定律表明，由于電流強度更高，更低電壓需要更粗的導體來輸送與更高電壓一樣大的電力。數(shù)據(jù)中心方面的另一個成本因素是，與交流電相比，直流電遠距離配送時，電壓下降幅度較大（每100英尺就下降約20%）。這就是為什么48伏交流電轉換在機架里面進行，而不是在市電配電間里進行。

當然，轉換成直流電要求服務器能夠兼容48伏直流電電源。這對于一些服務器來說，改換直流電只要更換電源，就這么簡單。基于機箱的服務器（如刀片服務器）改換成本更低，因為許多服務器共享一個電源系統(tǒng)。谷歌采用了技術含量低的權宜之計，即把服務器的電源換成了12伏電池，聲稱與交流電供電的傳統(tǒng)UPS（不間斷電源）基礎設施相比，其效率高達99%。

如果一個數(shù)據(jù)中心正計劃進行服務器升級，那么可以考慮使用直接由575伏直流電供電的更龐大系統(tǒng)；全新建造數(shù)據(jù)中心的話，那就可以直接采用直流電，Syracuse 大學去年建造數(shù)據(jù)中心時就采用了575直流電為IBM z和Power大型機供電。

將熱量埋入地下

在比較熱的地區(qū)，自然冷卻可能不是一年到頭都能使用。比如，美國愛荷華州的冬季不是很冷，但夏季酷熱難耐，氣溫在32.2攝氏度到37.8攝氏度之間，這顯然不適合通過室外冷空氣進行冷卻。

但一旦往下挖幾英尺深，地表溫度常常很穩(wěn)定，而且比較低。面對下雨或高溫之類的室外天氣狀況，傳統(tǒng)設備可能不堪重負，而地表下土壤受到的影響則比較小。通過把管道埋到地下，將為服務器降溫的熱水轉移到地下；周圍土壤可以通過傳導作用，散發(fā)熱量。

同樣，這項技術并不高深，但地熱冷卻的確需要埋設相當多的管道。安裝成功的地熱冷卻系統(tǒng)還需要事先認真分析。由于數(shù)據(jù)中心不斷生成熱量，把這些熱量僅引到一片地下散熱區(qū)會導致局部飽和以及冷卻效果下降。如果分析數(shù)據(jù)中心附近的土壤性能，就能確定某片區(qū)域能夠吸收多少熱量、地下蓄水層的熱量傳導是否會幫助改進散熱，以及對環(huán)境會有什么樣的影響。

在美國愛荷華州，ACT大學的入學考試機構為建在愛荷華城的數(shù)據(jù)中心部署了一個地熱散熱系統(tǒng)。美國內(nèi)布拉斯加州的另一家公司Prairie Bunkers正力求對其Data Center Park數(shù)據(jù)中心采用地熱冷卻，把幾個占地5000平方英尺的彈藥庫改造成了幾個完全獨立的數(shù)據(jù)中心。

將熱量排進大海

與地熱散熱系統(tǒng)不同，海洋對于數(shù)據(jù)中心來說實際上是一個無限大的散熱系統(tǒng)。但關鍵是數(shù)據(jù)中心靠近大海，哪怕是湖泊也能起到同樣的作用，任何水域夠廣的湖泊都能充當冷卻蓄水池，比如美國和加拿大之間的五大湖。

最佳的海水冷卻場景是數(shù)據(jù)中心島嶼，它可以利用周邊的海洋，使用將海水變成淡水的熱交換器來冷卻數(shù)據(jù)中心。這個想法真是太棒了，谷歌早在2007年就申請了專利。不過，谷歌采用的方法離本文討論的目標相去甚遠，因為它第一步是要買下或建造一個島。

但是，如果數(shù)據(jù)中心已經(jīng)很靠近海岸、大湖或者內(nèi)陸水路，那么這個想法并非很不靠譜。幾十年來，核電站就使用海水和湖水來用于冷卻。據(jù)報道，谷歌將這個方法應用于其在芬蘭哈米納的數(shù)據(jù)中心，這是由一家紙漿廠改造過來的。使用波羅的海的冰冷海水作為這個新建大型數(shù)據(jù)中心的惟一冷卻來源，并在緊急狀況下供水滅火，這表明了谷歌高度信任這種方法的可靠性。紙漿廠本來就有一個入海口，鋪設了直徑兩英尺的管道，從而降低了這個項目的實施成本。

淡水湖一直被成功地用于冷卻數(shù)據(jù)中心。美國康奈爾大學在紐約州Ithaca的校園就使用來自附近Cayuga湖的湖水，該湖蓄水量達到了2.5萬兆加侖，不僅用來冷卻數(shù)據(jù)中心，還用來冷卻整個校園。這套開創(chuàng)了先河的冷卻設施名為Lake Source Cooling（湖水冷卻），它于2000年建成，每小時可以抽取3.5萬加侖的湖水，將零攝氏度的湖水配送給2.5英里之外的校園建筑。

咸水和淡水冷卻系統(tǒng)都需要一種價格昂貴的部件，那就是把天然水與直接用來冷卻數(shù)據(jù)中心的水分開來的熱交換器。為了保護環(huán)境和靈敏的服務器設備，這種分離必不可少。不過，除了這種部件外就不需要比普通水管更復雜的設備了。