淺談機(jī)房服務(wù)器發(fā)展趨勢(shì)

俞松葉

（浙江閏土股份有限公司，浙江紹興，312300）

0 引言

隨著近十幾年來中國計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子信息的大規(guī)模建設(shè)引起了人們對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)房和計(jì)算機(jī)機(jī)房的能耗的光柱越來越多。2009年，中國首次頒布了“電子信息系統(tǒng)計(jì)算機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)”，對(duì)未來中國計(jì)算機(jī)房的建設(shè)和改造具有現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)合“十二五”規(guī)劃綱要和近期實(shí)際情況明確提出的“綠色發(fā)展，建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)”，特別是全國大部分地區(qū)的霾天氣。總書記提出了一份報(bào)告關(guān)于節(jié)能減排，是全國人民切身的問題，要落到實(shí)處。這些都說明節(jié)能降耗已引起黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的關(guān)注，也促使有關(guān)從業(yè)人員更加重視能源消費(fèi)。作為一名科技人員，如果能夠在機(jī)房這樣一個(gè)小面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的實(shí)際效果，在相關(guān)行業(yè)中推廣它將是一件非常重要的事情。因此，未來機(jī)房服務(wù)器的發(fā)展方向更傾向于節(jié)能減排的方向，這方面的研究是一件非常有意義的事情。因此，將來的機(jī)房服務(wù)器的發(fā)展方向更多傾向于節(jié)能化方向進(jìn)行。

1 機(jī)房服務(wù)器耗能情況

能源分析數(shù)據(jù)中心在機(jī)房內(nèi)每時(shí)每刻都有大量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。 所有類型的IT設(shè)備和空調(diào)冷卻系統(tǒng)都需要24小時(shí)的不間斷電源。 因此，與其他建筑物相比，數(shù)據(jù)中心消耗大量的電力。數(shù)字中心越大自然消耗的電量也越巨大，然而數(shù)據(jù)中心的能源消耗主要來自設(shè)備，包括照明系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)，供電和配電系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分是計(jì)算機(jī)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用電力，約占機(jī)房總電力消耗的43%。 這部分設(shè)備的功耗是必要的;另一部分是機(jī)房的環(huán)境動(dòng)力，約占機(jī)房總動(dòng)力消耗的57%。 下圖顯示了一個(gè)具有中等處理中心的每個(gè)系統(tǒng)房間的功耗。

圖1 機(jī)房設(shè)備耗能分布表

上圖中能耗分布的主要原因是計(jì)算機(jī)房采用全封閉管理，計(jì)算設(shè)備連續(xù)運(yùn)行8760小時(shí)。 機(jī)房的熱量問題必須通過機(jī)房空調(diào)的制冷來解決。 機(jī)房內(nèi)設(shè)備的功率越來越高，機(jī)柜內(nèi)發(fā)電設(shè)備的發(fā)熱量也在增加，機(jī)房的制冷能耗也大大增加。機(jī)房有空調(diào)機(jī)組的應(yīng)用設(shè)計(jì)，通常采用傳統(tǒng)的預(yù)冷環(huán)境和再冷卻設(shè)備。

2 機(jī)房服務(wù)器發(fā)展方向

2.1 機(jī)房服務(wù)器虛擬化

為了應(yīng)對(duì)企業(yè)和機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)中心快速增長的需求，計(jì)算中心配備了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。由于基礎(chǔ)設(shè)施具有快速擴(kuò)張能力，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模式的發(fā)展將突飛猛進(jìn)。當(dāng)業(yè)務(wù)需求急劇增長時(shí)，基礎(chǔ)架構(gòu)可以快速擴(kuò)展以提供相應(yīng)的服務(wù)。于是將部署在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的大量中央服務(wù)器設(shè)備具有出色的遠(yuǎn)程操作和維護(hù)功能，可以適當(dāng)簡化當(dāng)?shù)夭槐匾谋镜毓芾沓杀尽Ｔ诮?jīng)濟(jì)效益方面，可以減少相應(yīng)的服務(wù)器和數(shù)據(jù)管理以及運(yùn)維。從成本方面來考慮，也可以使相關(guān)部門單位減少費(fèi)用，占據(jù)有利的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。其中一些服務(wù)器具有非常強(qiáng)大的計(jì)算性能和大量內(nèi)核。但是，利用率總是低于傳統(tǒng)服務(wù)器利用率低。究其根本的原因是由于一些服務(wù)器沒有太多的工作量，這涉及有效的投資和對(duì)服務(wù)性能的相應(yīng)理解。您可以改變計(jì)算中心的一個(gè)單元和一個(gè)相應(yīng)的服務(wù)器的方式，以虛擬主機(jī)的形式解決。其中某些服務(wù)器工作負(fù)載過高，導(dǎo)致主機(jī)設(shè)備I / O堵塞和利用率較低。可以看出，理解應(yīng)用程序本身的類型和正確配置服務(wù)器是解決系統(tǒng)瓶頸和提高服務(wù)器利用率的重要因素。傳統(tǒng)上，通過負(fù)載均衡，使用服務(wù)器的實(shí)時(shí)監(jiān)控來平衡工作負(fù)載與手動(dòng)或負(fù)載平衡算法。這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，但需要時(shí)間和精力，并且始終進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用機(jī)房虛擬化的服務(wù)器完美的解決這方面的問題。

2.2 集群作業(yè)調(diào)度

用戶服務(wù)器，節(jié)點(diǎn)代理，資源管理和作業(yè)調(diào)度，這四個(gè)部分通常構(gòu)成基本的HPC集群作業(yè)管理系統(tǒng)。其中，用戶服務(wù)器具體處理并接收相關(guān)用戶提交的作業(yè)，計(jì)算每個(gè)用戶提交的作業(yè)的節(jié)點(diǎn)資源需求，并將這些信息提供給作業(yè)調(diào)度管理系統(tǒng)，最終返回用戶的操作;節(jié)點(diǎn)代理負(fù)責(zé)接收，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)本身的情況，執(zhí)行，掛起或喚醒提交作業(yè)的用戶在更改節(jié)點(diǎn)上，并將節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)和狀態(tài)報(bào)告給集群管理系統(tǒng)。高性能計(jì)算集群的作業(yè)是用戶操作在計(jì)算集群上正常高效運(yùn)行的最重要載體和媒介。對(duì)于作業(yè)管理調(diào)度，它不僅是滿足用戶作業(yè)執(zhí)行的各種性能要求的重要任務(wù)，也是高性能計(jì)算集群的核心之一。當(dāng)普通電腦上的某些事情幾乎不成問題時(shí)，當(dāng)用戶將作業(yè)提交給幾乎未知的大規(guī)模分布式并行計(jì)算集群時(shí)，由于計(jì)算環(huán)境的復(fù)雜性，可能會(huì)遇到不可預(yù)知的問題。例如，計(jì)算節(jié)點(diǎn)專供用戶使用，有多少內(nèi)存可用來更改作業(yè)數(shù)量的分布，以及這些簡單的獨(dú)立電腦環(huán)境幾乎真正的問題。但是當(dāng)用戶提交作業(yè)到高性能計(jì)算機(jī)集群，我們需要管理作業(yè)調(diào)度平臺(tái)發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，并分配計(jì)算資源以匹配每個(gè)節(jié)點(diǎn)中相應(yīng)的作業(yè)動(dòng)態(tài)地改變復(fù)雜的環(huán)境。同時(shí)，作業(yè)調(diào)度管理平臺(tái)需要保持運(yùn)行的作業(yè)不因相互資源競(jìng)爭和導(dǎo)致機(jī)器人而干擾系統(tǒng)性能，從而影響整個(gè)計(jì)算集群的效率并維持計(jì)算集群的負(fù)載平衡以便獲得更好的系統(tǒng)吞吐性能。最大限度地提高計(jì)算集群的資源利用率和吞吐量是工作管理系統(tǒng)的重要措施。在確保資源利用率和吞吐量的同時(shí)，還需要將群集中作業(yè)的平均等待時(shí)間縮短到允許的范圍內(nèi)。高性能計(jì)算集群的性能可以從以下兩個(gè)指標(biāo)來判斷：從用戶的角度來看，由于用戶通常關(guān)心他或她的作業(yè)是否及時(shí)執(zhí)行，所以用戶通常關(guān)注作業(yè)的響應(yīng)時(shí)間和作業(yè)的等待時(shí)間。作業(yè)的響應(yīng)時(shí)間是作業(yè)結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)，減去作業(yè)提交的時(shí)間。平均工作響應(yīng)時(shí)間是所有工作響應(yīng)時(shí)間除以工作總數(shù)。

2.3 機(jī)房服務(wù)器安置的地理位置

隨著機(jī)房服務(wù)器逐年耗電量的倍增，機(jī)房服務(wù)器大多位于我國西北部。究其原因降低機(jī)房服務(wù)器能耗從廣義的環(huán)境因素上來分析，這里包括自然環(huán)境和科技環(huán)境。一方面自然環(huán)境，機(jī)房服務(wù)器的冷卻分為水冷和空冷，由于水冷對(duì)水質(zhì)要求高，并且一旦發(fā)生事故將是巨大的損失，因此，現(xiàn)在大多數(shù)公司都采用空冷的方式，這就對(duì)自然環(huán)境溫度提出了一定的要求，如果溫度過高，將不能起到冷卻的作用，因?yàn)樵S多大公司都把服務(wù)器建立在中西部地區(qū)，因?yàn)檫@里夏季溫度不高，并且晝夜溫差大，可利用自然環(huán)境降低能耗。另一方面是外部科技環(huán)境對(duì)機(jī)房服務(wù)器的影響，由于技術(shù)因素而引起的對(duì)生產(chǎn)力從而對(duì)服務(wù)器所帶來的影響，是趨于大型化，一體化的發(fā)展，處理的數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)數(shù)增長，年年擴(kuò)容。由于技術(shù)革命帶來的新的材料，新的冷卻方式不同，使服務(wù)器生命周期縮短，迫使加快技術(shù)投入，縮短生命周期。

總之，未來高溫服務(wù)器一定會(huì)有大展拳腳的空間，隨著能耗問題的不斷提出，將會(huì)有越來越多的用戶選用高溫服務(wù)器。對(duì)于高溫服務(wù)器來說應(yīng)該建立科學(xué)和健全的評(píng)價(jià)體系，短期收益與長期效益相結(jié)合，關(guān)注運(yùn)營成本。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用的深入發(fā)展，有效地推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心的規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)也對(duì)服務(wù)器提出了更高的要求。從政策環(huán)境看，支持自主創(chuàng)新以及公共安全、網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用領(lǐng)域的需求增長也進(jìn)一步推動(dòng)國產(chǎn)服務(wù)器市場(chǎng)份額的增加。對(duì)于國產(chǎn)服務(wù)器廠商來說，掌握核心技術(shù)、在高端領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)將會(huì)有更好的發(fā)展前景。

3 降低機(jī)房服務(wù)器能耗

降低服務(wù)器使用的功耗確實(shí)是一個(gè)重要問題。搜索引擎谷歌，雅虎等公司使用大型服務(wù)器機(jī)房并消耗大量能源。美國環(huán)境保護(hù)署在2007年向美國國會(huì)提交的一份報(bào)告中估計(jì)，到2011年，將需要新建10座發(fā)電廠，以滿足這些數(shù)據(jù)中心的新能源需求。處理器未使用的部分將被關(guān)閉，同時(shí)減少偏置和動(dòng)態(tài)電流消耗。該技術(shù)在2006年和2007年首次實(shí)施，并且在該公司最近推出的至強(qiáng)5500系列處理器中達(dá)到了新的高度。自動(dòng)執(zhí)行的低功耗狀態(tài)將處理器和內(nèi)存置于滿足當(dāng)前工作負(fù)載的最低功耗狀態(tài)。電源門允許單個(gè)內(nèi)核獨(dú)立于其他工作內(nèi)核和空閑，功耗接近于零，而內(nèi)存和I/O控制器則增加了新的電源管理功能。互聯(lián)網(wǎng)編號(hào)為C狀態(tài)，從C0開始，這是一個(gè)正常的全速CPU操作模式。在C1狀態(tài)下，處理器的時(shí)鐘關(guān)閉。C-是外部I/O控制器中樞阻止處理器中斷的第二個(gè)空閑狀態(tài)。這個(gè)數(shù)字也有C3，C4等，每個(gè)核心都有自己的C狀態(tài)。另外，還有降溫增效作用。低功耗可以節(jié)省大量成本，互聯(lián)網(wǎng)在全球擁有95個(gè)數(shù)據(jù)中心20%的服務(wù)器用于低利用率的辦公應(yīng)用，并且可以充分利用處理器核心的低功耗模式和新服務(wù)器中的網(wǎng)絡(luò)連接。彼得斯說，升級(jí)到新的服務(wù)器后，能耗可以減少十五分之一。另一個(gè)明顯改善的方面是冷卻，通過清除氣流通道并將電纜移動(dòng)到其他位置，使空氣暢通無阻，可以在相同溫度下為2kW機(jī)架實(shí)現(xiàn)4kW的性能。同樣，他們也有效地使用了預(yù)冷器，使水在冷卻器到達(dá)冷卻器之前流過冷卻塔。這可以在一些計(jì)算中心將冷卻效率提高85%。

4 結(jié)論

本文從國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，從設(shè)備和設(shè)施的角度出發(fā)，從虛擬化角度考慮節(jié)能潛力和空間，保證集群設(shè)備各節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，并充分分析高性能服務(wù)器的問題和挑戰(zhàn)。解決高性能服務(wù)器虛擬化問題，分析評(píng)估節(jié)能減排效果;在軟件（程序控制）方面，參考其他類似領(lǐng)域的管理方法和經(jīng)驗(yàn)。在作業(yè)執(zhí)行過程中，批處理文件準(zhǔn)備好執(zhí)行工作任務(wù)的峰到峰調(diào)度，并且在軟件中有效執(zhí)行節(jié)能規(guī)避。

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