數據中心PUE解析

尹曉竹

摘要 本文介紹了數據中心和PUE的基本概念，并對PUE數值及相關因素進行了分析和解讀。PUE可作為節能技術衡量工具，是一個逐步調整的過程。所有降低PUE的措施，其代價必將在項目全成本中得以體現。正確理解PUE的涵義，選擇節能高效與成本合理的平衡點，是數據中心建設者應考慮的問題。

關鍵詞數據中心PUE

中圖分類號：C37 文獻標識碼： A

1PUE簡介

數據中心

數據中心是實現數據信息的集中處理、存儲、傳輸、交換、管理等業務的服務平臺。從物理層次看，數據中心主要由IT設備、配電系統和空調系統3部分構成。IT設備是實現數據中心功能的核心部分，配電和空調系統則用以保障IT設備系統的正常運行。其中，配電系統用于直流、交流轉換，并確保為IT設備提供可靠、高質量的電源；空調系統保障IT設備在正常的溫度和濕度下工作。

綠色數據中心是在傳統的數據中心架構基礎上，通過先進的技術和方案以達到最高能效以及最低的環境影響。若要達到綠色數據中心的標準，除了要應用高效節能的IT設備外，通過一系列節能措施降低空調系統和配電系統的能耗也極為關鍵。業內常用PUE（Power Usage Effectiveness）作為數據中心的能效指標來評價數據中心是否高效。

PUE定義

PUE:能量使用效率Power Usage Effectiveness

PUE

IT設備能耗包括所有相關的IT設備的負荷，如計算設備、存儲設備、網絡設備，也包括輔助設備如KVM轉換器、監視器和工作站等。 全部設備能耗包括以下所有支持IT設備運行的設備能耗：

(1)供配電、照明設備，如發電機、變壓器、開關柜、配電箱、列頭柜、UPS、電池、燈具等。 (2)空調設備，如冷水機組、機房精密空調、直接蒸發制冷設備、新風空調設備、水泵和冷卻塔等。 (3)計算設備、網絡設備、存儲設備。 PUE的數值越小，說明機房的節能效果越好。目前國內外已建成的機房的PUE數值大致在1.4～2.2之間。對于IT企業來講，只有建設低能耗的機房，才能更好地滿足不斷增長的計算、傳輸和存儲的需求，才能降低能耗成本，減少整個企業的建設成本和運行成本，使企業保持競爭力，以迎接更多的商業需求和挑戰。

PUE因素組成

其中：CLF —制冷能效因子Cooling Load Factor

代表單位功率IT負載上消耗的制冷用電量

PLF —電力能效因子Power Load Factor

代表單位功率IT負載上供電系統的損耗

PUE是一個趨向于1的值，越接近1，說明數據中心全部電量基本全部供應給IT設備，此數據中心電能利用率最高。

PUE影響因素分析圖如下：（見WORD附件圖）

2、PUE的確定方法

方法一：已知數據中心基礎設施耗電量（包含空調、電源損耗、機房照明等用電），IT設備耗電量，可利用公式，計算出PUE值。

方法二：設定目標PUE值，可計算出IT設備與基礎設施耗電量所占比例關系，根據確定的IT設備耗電量，可確定空調耗電量、電源損耗量、其他用電量。從而采取各種措施向目標值靠近。

如：設定目標PUE=1.5，含義為，每輸入1.5KW的總電量，可支持1KW 的IT設備。用于每1KW IT設備所消耗的空調、電力損耗、建筑照明等基礎設施電量為0.5KW。

使用此PUE確定方法需要注意：PUE值越小，代表IT設備能耗占比越大，當PUE=1是，代表數據中心耗電全部為IT設備耗電，而不消耗其他電能。

3、PUE數值分析

3.1 PUE與IT設備能耗占比的關系

如上圖所示：

每一個PUE值都對應一個IT與基礎設施耗電量比例關系，IT設備占比越大，PUE值越低

要降低PUE，增加IT設備耗電占比，降低基礎設施耗電占比，將盡量多的電量用于IT設備，減少空調、電源、建筑照明等能耗。

極限值是全部的電量用于IT設備，特殊設計，通常條件下無法達到。

3.2 PUE不同數值能耗分布示意及分析

（1）專業機構所列數據中心能耗比例（資料來源：EYP Missions Critical Facilities Inc.）

根據比例關系推導出PUE=1.8/1.5/1.25幾個典型PUE能耗比例分配如下：

PUE=1.8為綠色數據中心的最低標準

PUE=1.5為我們希望達到的綠色數據中心PUE值

分析：電力損失至少也要7%，空調制冷+通風耗電合計25%，必須采用冬季自然冷卻方式減少制冷耗電時間。

PUE≤1.4

大型數據中心整體采用常規方法已經很難達到，以PUE=1.4為例

分析：此種按比例分配已經顯得不合理，電力損失6%，難以達到。空調系統21%，必須綜合考慮自然冷卻利用方式，包括水側自然冷卻、風側自然冷卻、末端靠近負荷側等，并且增加自然冷卻使用時間。

PUE=1.25

大型數據中心整體采用常規方法做不到，以PUE=1.25為例

分析：達到此比例分配，可采用行間制冷或背板冷門，空調通風加濕減至最低，空調制冷占15%，采用自然冷卻減少制冷耗電時間。自然冷卻方式需要考慮更為極端。

4、PUE與其他因素關系

4.1PUE與IT能效

大型數據中心總耗電量大，評價數據中心節能的關鍵指標應該首先是IT設備的能效，其次是PUE值。我們建設數據中心，希望的是高產出低成本，每KW IT設備，處理能力越高越好，總耗電量越少越好。因此，評價數據中心能效應該包含兩個指標：

IT能效PPW=最大運算能力/計算主機運行功耗：

SCCE=最大運算能力*實際運行CPU占用率/超算中心系統運行功耗：

數據的傳輸流量(吞吐量)級： 兆(106)字節/秒/Watt

圖示：兩指標體現了不同數據中心能效

分析

Ⅰ象限，IT設備能效高，PUE高，可通過節能改造降低PUE值

Ⅱ象限，IT設備能效低，PUE高，產出低，能耗高，不好

Ⅲ象限，IT設備能效低，PUE低，因為產出低，雖然能耗低，但也不好

Ⅳ象限，IT設備能效高，PUE低，是理想的綠色數據中心。我們的目標！

結論

不能單純追求PUE值低,IT的高能效應該是考慮的首要因素，數據中心核心是IT,IT處理能力代表數據中心水平，基礎設施均為IT服務的，因此IT能效低的數據中心不是好的數據中心。我們建設的數據中心應是IT能效高，PUE值低的數據中心。

4.2 PUE與總能耗/IT能耗/IT負載率

大型數據中心基地通常具有規模大，面積大，總耗電量大，IT設備耗電量大的特點。

(1)圖示

(2)分析:

Ⅰ象限，總能耗高，IT設備能耗高，滿負載，PUE高。可通過節能改造降低基礎設施耗電，降低基礎設施耗電占比，降低PUE值

Ⅱ象限，總能耗低，IT設備能耗低，部分負載，PUE高。在建設初期，可能出現這種情況，負荷率低，但基礎設施按全部IT設備設計及運轉，使得基礎設施耗電占比大，PUE值高。需要通過模塊化建設思路，提高IT負載率、提高基礎設施利用率、降低PUE值。隨負載提高，模塊化靈活擴容。

Ⅲ象限，總能耗低，IT設備能耗低，部分負載，PUE低。在建設初期，可能出現這種情況，負荷率低，基礎設施耗電也低，采用了模塊化概念，PUE值低，用能比例相對理想。隨負載率增加，進行模塊化擴容，保證PUE相對低值。分期建設，在IT設備未滿情況下，采用模塊化設計理念，在發展過程中，是理想的綠色數據中心。

Ⅳ象限，終期目標：總能耗高，IT設備能耗高，滿負載，PUE低。在IT全部滿載情況下，是理想的綠色數據中心。

(3)結論:

大型數據中心基地，通常是規模大，面積大，一定是高運營能力，IT耗電量大，總耗電量大。

在滿載的情況下，可以采取節能措施，降低基礎設施耗電占比，從而降低PUE值。

但建設初期，可能會出現部分負載情況，如果按全部基礎設施到位，全部開啟，勢必PUE值高，達不到節能目的。因此在部分負荷時，要引入“模塊化”建設概念，使得IT設備與基礎設施耗電同比增長，PUE值不變甚至降低。保證單位模組內，IT負載率高，PUE值低。

“模塊化數據中心”建設理念，基礎設施隨IT設備規模模塊化，能保證單位模塊內,IT負載率高，PUE值低；隨需求增長，靈活部署，迅速擴容，基礎設施與IT設備同比例增長，PUE值保持低位。

4.3 PUE 與功率密度

數據中心發展趨勢之一，是功率密度越來越大，每機柜IT設備耗電量越來越大，局部散熱越來越大，需要特殊的制冷方式進行冷卻。隨之帶來成本會成級數增加，包括建設成本與土地成本。

（1）圖示

（2）分析：

1）在實現IDC同樣處理能力要求下

Ⅰ象限，如果面積成本高，適當開發高密機架，達到高運算能力。適當的機柜成本投入，用機柜換面積。一般一線城市IDC策略。

Ⅱ象限，如果面積成本高，需要向高密度發展。

Ⅲ象限，如基地面積足夠，面積成本低，沒必要在高密度上投入大量成本。用面積換機柜，大面積滿足運算能力。可以依比例設置高密機架，作為實驗或者滿足高端客戶特殊需求。比如內蒙基地可以采用此策略。

Ⅳ象限，如果面積便宜，面積成本低，全部設置高密機架，機柜投入成本高，而且總電量需求大，如果外電條件有限，即使使用高密機架，電量配置不足時，面積空置，也是一種浪費。

2）結論

功率密度足夠小，每機柜功率小，或者面積足夠大，均靠自然冷卻降溫，不開啟空調設備，全部電力輸入，減去損耗，全部用于IT設備，PUE值接近1。功率密度大，每機柜功率大，面積很小，小到只有一個機柜大。采用機柜制冷方式，減少了空調通風耗電，PUE也可以比較低。

我們要做的，應該是合理的功率密度，合理的面積，控制PUE值。降低PUE值，付出的成本，應靠提高生產能力來平衡，換句話說，IDC高產，降低PUE是值得的。

5、PUE與成本關系

綠色數據中心的建設，為能源節約和利用做出貢獻，但同時也需要建設方付出高昂成本。PUE數值代表了數據中心的工作效率，它絕不僅僅只是一個數值。它測量數據中心如何有效的使用輸入電源，將電力消耗轉化為實際生產力。我們建設的數據中心應是電能利用率高的數據中心。降低PUE值，付出的成本，應靠提高生產能力來平衡，換句話說，IDC高產，降低PUE是值得的。

采用節能措施投入的成本巨大，很少有企業能夠擁有無限的投資資金。企業必須認真考慮，將每一分錢都要用在刀刃上。在考慮數據中心投資建設和運營過程中，能源利用效率的變化必須設定一個基準。在此基準之上，降低PUE，即降低運行成本，計算其需要付出的初投資。當IT設備功率一定時，降低PUE所采用的措施成本是可以計算的，其投資回收期也是可以預估的。

例如：一個IT耗電為20MW的數據中心，應首先確定一個PUE為1.8的建設模型，其基礎設施配置、規模，對應投資做為基準。當PUE從1.8降低到1.5，PUE降低0.3，數據中心將可節省6MW電量，以電費為0.7元/kwh計算，將可節省年運行費用為4200萬元。如果預訂投資回收期2年為目標，那么所有采用的節能措施投資增加8400萬為可接受目標。在PUE為1.8的常規數據中心投資基礎上，可采用多種節能措施降低PUE，其初投資增長可接受范圍為8400萬元。如果希望PUE繼續降低，如果達到此運行PUE的節能措施，其建設成本在可接受范圍內，則可以考慮。如果超出成本范圍，則需建設方謹慎決策。

6、結束語

近年來隨著IT技術的大發展，越來越多的數據中心在全國各地拔地而起，數據中心高度集成和高耗能的特點，促使節能分析和研究的深度和廣度逐步加強，越來越多的節能設計方案得到應用的，越來越多的節能產品得到推廣。降低數據中心PUE值、實現數據中心的節能運行，具有重要的現實意義。但需要注意的是，在國內大型數據中心PUE數值有其合理的范圍，尋求合理高效的數據中心應該是廣大數據中心從業者的追求目標。